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功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案

2020-02-24 09:40 次阅读

随着现代工业的发展,电网中使用的感性负载也愈来愈多,如感应式电动机变压器等。这些设备在工作时不但要消耗有功功率,同时需要电网向其提供相应的无功功率,造成电网的功率因数偏低。在电网中并联电容器可以减少电网向感性负载提供的无功功率,从而降低输电线路因输送无功功率造成的输电损耗,改善电网的运行条件,因此功率因数补偿控制器一直有着广阔的应用市场。本文所介绍的功率因数补偿控制器符合JB/T9663-1999国家标准,主要功能有:

(1) 相序自动识别

(2) 电压、电流、功率因数采样与显示

(3) 过压解除、欠流封,从而保护电容器及避免循环投切

(4) 采用先投入的先切除,先切除的先投入的原则,对补偿电容实行循环投切

(5) 所有的工作参数都可以通过面板按键设定,包括投入门限、切除门限、过压保护门限、欠电流封锁门限、投切延时时间

一、 工作原理

采样三相电源中一线电流(如A线)与另外两线的电压(如BC线)之间的相位差,通过一定的运算,得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与设定的投入门限和切除门限比较,在整个投切延时时间内,若在投切门限以内,则不予动作;若小于投入门限,则另投入一组电容器;若大于切除门限或发现功率因数为负时,则切除一组已投入的电容器。再经过投切延时时间,重复比较与投切,直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中,若发现检测到的电压大于设定的过压保护门限,则按组切除所有已投入的电容;当检测到的电压超过设定的过压保护门限的10%时,则一次性切除所有已投入的电容,用以保护电容器。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限,则停止投切动作,避免系统出现循环投切现象。

由于在三相供电中有不同接线方法,不同的接线方法对功率因数的算法也不一样,因此我们规定ARC系列功率因数自动补偿控制仪的电流取自三相供电中的A线,电压取自BC间的线电压,同时为减少现场接线的复杂度,我们在程序中对相位进行自动判别。

在三相供电中,我们假设三相的相电压分别为Ua、Ub、Uc,A线电流为Ia

则有Ua=Usin(ωt),Ub=Usin(ωt+120o),Uc=Usin(ωt+240o),

从而得到BC间的线电压为Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90o)

若A线负载为纯阻性,则A线电流Ia与A线电压Ua同相,Ia超前Ubc的角度为90o;

若A线负载为感性,则A线电流Ia滞后A线电压Ua角度为φ(0o≤φ≤90o),Ia超前Ubc的角度为90o-φ;

若A线负载为容性,则A线电流Ia超前A线电压Ua角度为φ(0o≤φ≤90o),Ia超前Ubc的角度为90o+φ

在我们的ARC功率因数自动补偿控制仪中,为了计算的方便,我们电流相位的采样为电压采样的第二个周期,即若没有相位差Ia滞后Ua的角度为360o。在实际检测中,假设我们检测到Ia滞后Ubc的角度为α,根据以上的分析得知:

若180o《α《270o,则电路为容性负载,COSφ=COS(270o-α)

若α=270o,则电路为感性负载,COSφ=1

若270o《α《360o,则电路为感性负载COSφ=COS(α-270o)

为方便用户接线,若用户将电压Ubc接成了Ucb,或将Ia的输入接反,根据以上的推断,我们同样可得到:

若0o《α《90o,则电路为容性负载,COSφ=COS(90o-α)

若α=90o,则电路为感性负载,COSφ=1

若90o《α《180o,则电路为感性负载COSφ=COS(α-90o)

功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案

图1 电压、电流向量

二、 硬件的设计

控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L,此单片机工作电压范围宽(2.7 - 5.5V),最高工作频率为8MHz;芯片内部具有16k字节的Flash程序程序存储器,512 字节的EEPROM,1K字节的片内SRAM;8路10 位ADC;一个可编程的串行USART,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器;两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 ;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片CH451S,CH451S最大能驱动8为数码管,且不需外加驱动就能直接驱动LED数码管,大大减小了印板尺寸,单片机的采用SPI模式,只需3线(片选CS、时钟CLK、数据输入DIN),因本系统未用CH451S的键盘功能,所以CH451S的DOUT引脚不用。Ubc的电压信号经过电阻限流进入2mA/2mA的隔离变换器后分为两路,一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC0,作为电压显示信号,另一路经过零比较后进入单片机中断口INT0;同样Ia的电流信号经5A/5mA的隔离变换器后分为两路,一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC1,作为电流显示信号,另一路经过零比较后进入单片机定时器门控端ICP引脚。

功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案

图2 ATMEGA16外部引脚

功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案

图3 输入信号处理

三、 软件的设计

因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高,我们直接用CPU的10位A/D对电压、电流的信号进行A/D转换,转换的结果一方面供显示的需要,另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将INT0设置为上升沿产生异步中断,ICP设置为上升沿触发输入捕捉。当INT0产生中断时,16位计数器开始以内部恒定的频率开始计数,直到下一中断的产生。在计数的同时,当TCP上有上升沿脉冲时,即将16位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时,计数器中得数据(N)即为外部交流信号的一个周期基数, 捕捉寄存器中数据(n)电流Ia滞后电压Ubc的基数,将(n/N)*360o即为角度,根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压,同时还可得出超前或滞后的角度,将此数据进行查表即可得到功率因数。

为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切,平衡每一组电容器的工作时间,延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除,先切除的优先投入的原则,我们在单片机的RAM中开辟了一空间,用于记录每组电容器的投入与切除时间,然后进行排序,将已工作时间最长的作为优先切除对象,将切除时间最长的作为优先投入对象。

当三相交流的负载回路电流非常小时,会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投,切除一组电容器又会产生投入不足,控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生,我们设置了欠电流锁定,当电流值小于此数值时,系统将停止对电容器的投切动作,维持已投入的电容器工作。

在工作过程中,若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时,控制器将逐步切除已投入的电容器,若发现超过设定的保护值的10%时,则一次性切除所有已投入的电容器,保护电容器。

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NCP1587 低电压同步降压控制器

NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 149次 阅读
NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

NCP6151 VR12 2相 3相 4相CPU控制器+ 1相GPU控制器

1 / NCP6151A双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)和DCR电流检测,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 59次 阅读
NCP6151 VR12 2相 3相 4相CPU控制器+ 1相GPU控制器

NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

1S / NCP6151SA / NCP6131S / NCP6131SA双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 118次 阅读
NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 60次 阅读
NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

NCP81140 具有SVID接口的多相控制器

40多相降压解决方案针对Intel VR12.5兼容CPU进行了优化,用户配置为4/3/2/1阶段。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动进行频率调整,同时保持出色的瞬态性能。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 106次 阅读
NCP81140 具有SVID接口的多相控制器

NCP81142 VR多相控制器

42多相降压解决方案针对具有用户可配置4/3/2/1相位的Intel VR12.5兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动调频,同时保持优异的瞬态性能。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 92次 阅读
NCP81142 VR多相控制器

NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 18:02 82次 阅读
NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 17:02 57次 阅读
NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

NCP1589L 同步降压控制器 低电压 轻负载效率和瞬态增强

9L是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和释放响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电路和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。保护功能包括可编程过流保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调输出电压内部1.5 A栅极驱动器输入欠压锁定可编程电流限制轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& FPGA电源 DCDC稳压器模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 110次 阅读
NCP1589L 同步降压控制器 低电压 轻负载效率和瞬态增强

NCP81111 具有SVID和I2C接口的3相VR12.5-6高速数字控制器

11是一款高性能数字单输出三相VR12.5-6兼容降压解决方案,针对英特尔CPU应用进行了优化,可在高达5 MHz的频率下工作。 NCP81111还可用作通用I2C控制多相电压调节器。 NCP81111设计用于支持NCP81163数字相位倍频器IC,可将器件的功能扩展到6相,实现高电流处理。控制器包括真差分电压检测,差分电流检测,数字输入电压前馈,DAC前馈和自适应电压定位。 特性 会见英特尔® s VR12.5规格 用户配置的板载EEPROM 高性能数字架构 动态参考注入 全差动电压电流检测放大器 电流平衡的“无损耗”DCR电流检测 用于下垂的热补偿电感器电流感应 用户可调整的内部补偿 应用 终端产品 用于英特尔处理器的多相电压调节器 通用I2C控制多相调节器 台式电脑 笔记本电脑 服务器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 134次 阅读
NCP81111 具有SVID和I2C接口的3相VR12.5-6高速数字控制器

NCP1589D 同步降压控制器

9D是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和释放响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电路和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。保护功能包括可编程过流保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调节输出电压内部1.5 A栅极驱动器 80%最大占空比可编程电流限制轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& ; FPGA电源 DCDC稳压器模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 105次 阅读
NCP1589D 同步降压控制器

NCP1579 低电压同步降压控制器

9是一款低成本PWM控制器,采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1579提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电路。 NCP1579还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启动功能。保护功能包括可编程短路保护和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易用性 0.8V +/- 2.0%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易用性 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流限制 易用性 应用 终端产品 STB Blue-Ray DVD 液晶电视 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 STB 蓝光DVD 液晶电视 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 113次 阅读
NCP1579 低电压同步降压控制器

NCP1589A 低电压同步降压控制器

1589A或NCP1589B是一款低成本PWM控制器,设计采用5V或12V电源供电。该器件能够产生低至0.8V的输出电压。该器件能够将电压转换为低至2.5V。该10引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 特性 VCC范围从4.5到13.2V 升压引脚工作电压高达30V 电压模式PWM控制 精密0.8V内部参考 内部1.5A栅极驱动器 输入欠压锁定 可编程电流限制 应用 终端产品 图形卡 服务器/网络 图形卡 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 101次 阅读
NCP1589A 低电压同步降压控制器

NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

9 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 17:02 98次 阅读
NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

NCP3012 同步PWM控制器

2是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8V的输出电压。 NCP3012提供集成栅极驱动器和内部设置的75kHz振荡器,能够与外部频率同步。 NCP3012具有外部补偿跨导误差放大器,内部固定软启动。 NCP3012将输出电压监控与电源良好引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180度异相时钟信号以驱动另一个NCP3012(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3012采用14引脚TSSOP封装。非常适合需要电源干扰最小的噪声敏感应用。 (医疗,网络等) 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 75 kHz操作 效率高 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加调节1 mA输出以供额外使用 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强的系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 应用...
发表于 07-29 17:02 91次 阅读
NCP3012 同步PWM控制器

NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

1同步降压控制器IC旨在为14引脚SOIC中的板载DC-DC应用提供简单的同步降压稳压器。 NCP1581专为跟踪应用而设计,提供轨道输入。 NCP1581采用固定内部400 kHz开关频率工作,允许使用小型外部元件。该器件具有由外部电容设置的可编程软启动,欠压锁定和输出欠压检测,可在检测到输出短路时锁定器件。电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 16:02 126次 阅读
NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

AR1335 CMOS图像传感器 13 MP 1/3

是一款1 / 3.2英寸CMOS有源像素数字图像传感器,像素阵列为4208H x 3120V。 AR1335数字图像传感器采用突破性的1.1μm像素技术,通过领先的灵敏度,量子效率和线性全阱提供卓越的低光图像质量。这使得图像质量可以与数码相机相媲美。 AR1335采用专注于低功耗的传感器架构和低Z高度的高射线角度(CRA),是智能手机和其他移动设备应用的理想选择。它集成了复杂的片上相机功能,如窗口,镜像,列和行跳过模式以及快照模式。它可通过简单的双线串行接口进行编程。 AR1335传感器可以高达每秒30帧(fps)的速度生成全分辨率图像,并支持高级视频模式,包括4K 30fps,1080P 60fps和720P 120fps。 特性 13MP CMOS传感器,采用先进的1.1μm像素BSI技术 数据接口:2,3和4通道MIPI 可用于MIPI的比特深度压缩:10-8和10-6以降低带宽 启用立体视频捕获的3D同步控制 6.8 kbits一次性可编程存储器(OTPM) 可编程控制器:增益,水平和垂直消隐,自动黑电平偏移校正,帧大小/速率,曝光,左右和上下图像反转,窗口大小和平移 两个片上锁相环路(PLL)振荡器,具有超低噪声性能 片上...
发表于 07-29 16:02 143次 阅读
AR1335 CMOS图像传感器 13 MP 1/3

NCP3011 同步PWM控制器

1是一款同步降压控制器,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8 V的输出电压.NCP3011提供1.0 A栅极驱动器和内部设置的400 kHz振荡器。 NCP3011具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。 NCP3011将输出电压监控与PowerGood引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180°异相时钟信号以驱动另一个NCP3011(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3011采用14引脚TSSOP封装。 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 400 kHz运行 效率高,体积小 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加1 mA输出 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 符合AEC-Q100和PPAP(NCV3011) 适用于汽车应用 应用 终端产...
发表于 07-29 16:02 94次 阅读
NCP3011 同步PWM控制器