基于LPC2220低壓無功補償控制器設計

　　摘要：本文設計了一種基于ARM7TDMI-S處理器LPC2220為主控制MCU，以復合開關為電容投切開關的壓無功補償控制器。該控制器能夠實現(xiàn)自動采樣計算、無功自動調節(jié)、故障報警保護、數(shù)據(jù)存儲等功能。并具有LCD液晶菜單顯示，直觀地顯示測量基本電網參數(shù)。軟件設計采用基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。并且可通過上位機進行實時電網參數(shù)、電容投切情況、及歷史數(shù)據(jù)的遠程查詢。

　　關鍵詞：無功補償;復合開關;LPC2220;μC/OS-Ⅱ;遠程查詢

　　如何跟蹤并快速有效地補償無功功率，對電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定、改善電能質量、降低線損、實現(xiàn)電力節(jié)能等方面起著重要的作用。

　　本文設計的無功補償控制器在硬件上力求精簡實用，降低成本同時提高產品的可靠性。發(fā)揮軟件設計的優(yōu)點，增加實用的功能。

　　控制器工作原理

　　電網中存在大量的感性負載，通過并聯(lián)容性負荷的裝置，實現(xiàn)兩種負荷之間的能量交換。感性負荷所需要的無功功率由容性負荷輸出的無功功率來補償[1]。安裝并聯(lián)電容器改善電網電壓質量[2]。本文所設計的無功補償控制器的基本框架如圖1。三相電壓電流互感器將較高的電壓和電流信號轉換成低電壓信號，用LPC2220進行A/D轉換并進行數(shù)據(jù)分析并計算出電壓/電流，進而算出功率因數(shù)，無功功率等參數(shù)。采用復合開關投切電容實現(xiàn)過零投切。電容投切采取三相共補和三相分補相結合的方式。該控制器同時具有電壓電流、功率因數(shù)、無功功率以及電容投切的歷史數(shù)據(jù)記錄以及歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。運行方式分為自動和手動兩種，手動投切適合調試時使用，自動運行停電時自動退出，送電后能自動恢復。用戶可以在現(xiàn)場根據(jù)實際應用環(huán)境改變設置自動電容投切的控制參數(shù)。實時數(shù)據(jù)及電容投切情況可以通過現(xiàn)場液晶顯示或遠程PC進行隨時查詢。

　　硬件設計

　　電壓電流互感器選擇

　　LPC2220共有八路A/D轉換接口，可以將0V-VREF(典型為3V，最大不超過VDD)模擬電壓轉換成10位的數(shù)字信號。電壓/電流互感器均采用天瑞電子TR系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測用電壓輸出型電壓變換器TR1102-1C，規(guī)格為380V/3.53V，非線性度比差<±0.1%,角差±5分。電流互感器采用檢測用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規(guī)格為5A/2.88V，非線性度比差<±0.1%，角差±5分。

　　電容投切開關

　　復合開關綜合了機械式接觸器和電子式無觸點可控硅電容投切開關的優(yōu)點，如電壓過零投入、涌流低、電流過零切除、不產生過電壓、壽命長、功耗低、溫升小。市場上已經有很多成熟的產品。可以實現(xiàn)三相共補和三相分補。復合開關的原理圖如圖2所示。在整個控制過程中，當需要投入電容時，只需要無功補償控制器發(fā)送電壓信號給復合開關，復合開關會自動完成電容的投入和切除過程。

　　主電路設計

　　LPC2220是基于支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微處理器，對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%而性能的損失卻很小。片內128寬度的存儲器接口和獨特的加速機構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。同時由于LPC2220的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制，通過配置總線LPC222O最多可提供76個GPIO。多個串行接口包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口(400kbit/s)和2個SPI接口，8路10位A/D，轉換器轉換時間低至2.44ms，CPU操作電壓范圍1.65~1.95V(1.8V±8.3%)、I/O操作電壓范圍3.0-3.6V(3.3V±10%)。