專利名稱：智能型低壓無功功率自動補償控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能型低壓無功功率自動補償控制裝置，屬 于低壓電器制造技術領域。
背景技術：
低壓無功功率自動補償控制器通過控制補償電容來調節配電網 中無功電流，具有降低線路損耗、節約能源、穩定電網電壓、增加變 壓器容量等功效，被廣泛應用于配電系統中。但現有的控制器基本都 采用單片機控制，由于其運算速度低，無法實現復雜控制算法，有些 只能應用外圍硬件電路來實現，存在著電路結構復雜、精度差、成本 高、抗干擾能力差等缺點。例如，通常使用的相位判別法采用比較器 來識別電壓和電流的過零點，來得到它們過零點之間的時間差(即相 位差)，從而可以計算出功率因數。然而這些硬件電路的存在不僅大 大提高了控制器的成本，而且很容易受諧波、零點漂移等因素的影響， 使得控制器的性能和可靠性大大降低。
發明內容
鑒于上述技術存在的問題，本實用新型目的是提供一種電路結構 簡單、精度高、成本低、抗干擾能力好的智能型低壓無功功率自動補 償控制器。
本實用新型所采取的技術方案是以低成本高速數字信號處理器為核心，簡化外圍硬件電路，采用 數字校準精度、數字濾波提高精度和抗干擾性，以高速采集和運算來 實現功率因數的計算，采用多參數綜合控制等復雜控制算法，來設計 智能型低壓無功功率自動補償控制器。
其具體結構以高速數字信號處理器為核心，包括有采樣電路，
頻率跟蹤電路、LCD/LED顯示電路、補償電容控制輸出驅動電路、 EEPROM、鍵盤、數字校準開關、通訊接口電路、開關電源等部分。 采樣電路將電網電壓和電流轉化為小信號并經抬高電平、低通濾波、 限幅后與數字信號處理器A/D 口相連，電壓小信號經頻率跟蹤電路 與數字信號處理器高速捕獲口相連，采樣電路中的抬高電平由電阻 分壓而成，抬高電平同時與數字信號處理器A/D 口相連；LCD/LED 顯示電路、補償電容控制輸出驅動電路和鍵盤與數字信號處理器I/O 口相連；數字校準開關與數字信號處理器I/0端口相連，當閉合此 開關啟動數字校準程序，將校準參數存于EEPROM; EEPROM與 數字信號處理器的fC 口相連；通訊接口電路與數字信號處理器的 UART口相連；開關電源為整個控制器提供電源。
數字信號處理器處理速度達60MIPS，具有16路12位ADC、 32kB程序空間、12kBRAM空間、內部看門狗電路、內部基準電路、 內部定時器、高速捕獲端口、 fCASPIUJART接口等。
經過上述設計后的本實用新型技術，與現有技術相比，具有以 下優點
1、利用數字信號處理器高速運算能力和邏輯判斷能力，通過軟 件來實現電流同相同名端的自動識別，省去硬件電路的相位判斷、 節約成本、提高了可靠性。2、 利用數字信號處理器高速運算能力，通過數字濾波和數字校 準，采樣電路僅需簡單的低通濾波和限幅處理即可實現高精度，省 去硬件電路的調節和濾波，提高可靠性和抗干擾能力。
3、 數字信號處理器根據頻率跟蹤器檢測的頻率進行32分頻或 64分頻后對A/D進行周波數據采集，能夠自動跟蹤電網頻率變化， 可適用于50Hz或60Hz電網。
4、 利用數字信號處理器高速運算能力，對電網電壓、電流、功 率等參數進行真有效值計算，能綜合電壓、電流、功率、功率因素 等參數控制投切電路進行投切，避免單一參數控制存在的各種缺陷。
附圖1是本新型實用的電路示意框圖。
附圖2本新型實用智能型低壓無功功率自動補償控制器一種
實施例的電路原理框圖。 射
1…表示采樣電路； 2…表示頻率跟蹤電路；
3…表示數字信號處理器； 4…表示LCD/LED顯示模塊； 5…表示補償電容控制輸出驅動電路；
6…表示EEPROM存儲器；7…表示鍵盤輸入模塊 8…表示數字校準開關； 9…表示通訊接口電路
10…表示開關電源模塊。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的具體實施方案作進一步具體的 說明本實用新型所述的智能型低壓無功功率自動補償控制器，其組成 如圖1所示，以高速數字信號處理器3為核心，包括有采樣電路l、
頻率跟蹤電路2、 LCD/LED顯示電路4、補償電容控制輸出驅動電路 5、 EEPROM6、鍵盤7、數字校準開關8、通訊接口電路9、開關電 源IO等部分。采樣電路1將電網電壓電流轉化為小信號并經抬高電 平、低通濾波、限幅后與數字信號處理器3的A/D端口相連，同時 與頻率跟蹤電路2相連，頻率跟蹤電路2與數字信號處理器3捕捉口 相連；LCD/LED顯示電路(4)、補償電容控制輸出驅動電路(5)和鍵盤 (7)與數字信號處理器3的I/O 口相連；EEPROM6與數字信號處理器 3的I2C 口相連；開關電源10為整個控制器提供電源。其中數字信號 處理器3的存貯器內存貯著數字濾波、數字校準、控制算法等工作程 序。
如圖2所示本實施例的智能型低壓無功功率自動補償控制器核 心采用TI公司最新推出低成本高性能數字信號處理器(DSP) TMS320F28015，它具有100個引腳，帶有16路12位A/D端口 (AN0 AN7， BN0 BN7)，兩路高速捕獲端口 (ECAP1、 ECAP2)， I2C接口 SDA和SCL，通訊接口 SCIRXDA和SCIRXDA， 34個通用 I/O接口(GPIO00-GPI034，包含顯示I/O接口和輸出驅動I/O接口)。
采樣電路(l)由電壓信號轉換電路、電流信號轉換電路和抬高電 平電路組成，抬高電平電路由電阻R5和R6分壓電源電壓VCC而成， 抬高電平同時與數字信號處理器3的A/D端口相連；其電壓值接近 數字信號處理器3內部參考電壓的1/2，電容C3進行簡易濾波后與數 字信號處理器3的A/D 口 AN7、電壓信號轉換電路、電流信號轉換 電路、頻率跟蹤電路相連，由于電壓和電流信號是雙極性的，在硬件上通過抬高滿量程的一半來把它們轉換成單極性的來滿足數字信號
處理器3的A/D 口電氣特性(其具體作用在算法中描述)。電壓信號轉 換電路將高壓經電阻RO、互感器PT1、電阻R1和抬高電平電路轉換 成數字信號處理器(3)A/D 口能夠承受的低電壓信號，經電阻R2和電 容Cl低通濾波，并由二極管Dl和D2限幅后與數字信號處理器3 的A/D口AN0相連。電流信號轉換電路將大電流經互感器CT1、電 阻R3和抬高電平電路轉換成數字信號處理器3的A/D 口能夠承受的 低電壓信號，經電阻R4和電容C2低通濾波，并由二極管D3和D4 限幅后與數字信號處理器3的A/D 口 BNO相連。本例中電壓電流信 號轉換電路僅例其中的A相，其他兩相方式相同。
頻率跟蹤電路2由電阻R7、 R8、電容C4、 C5和集成電路 IC1(LM239)組成，交流電壓信號經頻率跟蹤電路轉換成方波信號后 輸入數字信號處理器3的高速捕獲口 ，數字信號處理器3根據捕獲的 方波信號計算出電網電壓電流的頻率和周期，對其進行64分頻后用 于A/D轉換啟動間隔時間，從而達到自動跟蹤電網頻率變化，可適 用于50Hz或60Hz電網。
數字校準開關8的電阻R9和跳線開關Kl組成，數字校準開關8 并與數字信號處理器3的通用I/O 口 GPIO30相連，當跳線開關打開 時，數字信號處理器3按正常控制程序運行，當跳線開關閉合時，數 字信號處理器3啟動嵌入的數字校準程序，顯示校準菜單，此時給控 制器輸入標準信號，通過按鍵選擇校準參數(如電壓、電流等)，數 字校準程序自動計算采樣結果與標準值之間比例系數k和偏移量b存 入EEPR0M(6)，參數校準完成后打開跳線開關，系統重新上電后按 正常控制程序運行(校準參數運用在下述控制算法中描述)。鍵盤7由按鍵(S1 S7)、電阻(R11-R14)、電容(C11-C14)組成與數 字信號處理器3的通用I/O 口相連。EEPROM芯片IC2采用24LC04B， 通訊接口電路9采用帶隔離功能RS-485通訊芯片ADM2483BRW。 LCD/LED顯示電路4、補償電容控制輸出驅動電路5和鍵盤7與數 字信號處理器3的通用I/O 口相連。此部分電路采用本領域公知技術 設計，本實施例不做詳細描述。
本實施例所涉及的一些算法和控制描述有功功率計算<formula>formula see original document page 8</formula>無功功率計算<formula>formula see original document page 8</formula>視在功率計算<formula>formula see original document page 8</formula>
功率因素計算<formula>formula see original document page 8</formula>
其中A:為校準程序存貯在EEPROM(6)中的比例系數； 6為校準程序存貯在EEPROM(6)中的偏移量； u(n)、 i(n)為數字信號處理器3采集第n點電壓、電流值； ref為數字信號處理器3采集抬高電平值，由于抬高后采集的
電壓電流數據為單極性值，故需要采集的數據減去采集抬高電平值來
還原成雙極性值；
N為一個周波內采集的總點數，本實例中為64點； n為一個周波內采集第幾點。相位判別處理，因為低壓無功功率補償設備用于終端用電用戶， 有功功率肯定為正值，基于這一原理，如有功功率P為負值，則用戶 接線相位肯定接錯，需要控制器自動調整相位以便正確控制。具體判 別是當有功功率為正時，如果無功功率為正則為感性；否則為容性； 當有功功率為負時，如果無功功率為負則為感性；否則為容性。通過
軟件的判別方法省去硬件電路，降低生產成本和提高產品可靠性。 本實例中上述電壓、電流、功率僅為單周期計算值，為防止偶然
干擾，系統對其采用IO次平均用于顯示和控制。
鍵盤7可供用戶輸入過壓、欠壓、過流、控制路數、投切延時、 通訊設置等參數，數字信號處理器3根據功率因數、有功功率、無功 功率、電壓、電流、延時時間等綜合參數，通過數字信號處理器3輸 出驅動I/0 口接口電路控制5補償電容的投切，使電網的功率因素到 達最佳狀態。
權利要求1、一種智能型低壓無功功率自動補償控制器，其特征是該智能型低壓無功功率自動補償控制器以高速數字信號處理器(3)為核心，包括有采樣電路(1)、頻率跟蹤電路(2)、LCD/LED顯示電路(4)、補償電容控制輸出驅動電路(5)、EEPROM(6)、鍵盤輸入(7)、數字校準開關(8)、通訊接口電路(9)、開關電源(10)，采樣電路(1)將電網電壓和電流轉化為小信號并經抬高電平、低通濾波、限幅后與數字信號處理器(3)的A/D端口相連，同時與頻率跟蹤電路(2)相連，頻率跟蹤電路(2)與數字信號處理器(3)的捕捉口相連；LCD/LED顯示電路(4)、補償電容控制輸出驅動電路(5)和鍵盤(7)與數字信號處理器(3)的I/O口相連，EEPROM(6)與數字信號處理器(3)的I2C口相連，開關電源(10)為整個控制器提供電源。
2、 根據權利要求1所述的智能型低壓無功功率自動補償控制器 ，其特征是所述的采樣電路(l)中的抬高電平由電阻分壓而成，抬高 電平同時與數字信號處理器(3)A/D端口相連。
3、 根據權利要求1所述的智能型低壓無功功率自動補償控制 器，其特征是所述的數字校準開關(8)電阻R9和跳線開關Kl組成，數 字校準開關(8)并與數字信號處理器(3)通用I/O 口 GPIO30相連。
專利摘要本實用新型公開了一種智能型低壓無功功率自動補償控制器，其特征為以高速數字信號處理器為核心，利用數字信號處理器高速的運算能力實現電壓、電流、功率、功率因素多參數綜合控制，運用數字校準、數字濾波、程序邏輯判斷實現簡化外圍硬件電路設計、降低成本的同時，提高控制器的精度、可靠性和抗干擾能力。
文檔編號H02J3/18GK201134680SQ20072030345
公開日2008年10月15日 申請日期2007年12月27日 優先權日2007年12月27日
發明者周育國, 孫桂平, 李月軍, 柒敏敏, 王青青, 白建社 申請人:杭州之江開關股份有限公司