基于AVR單片機的電力投切裝置開發(fā)

一、前言

在工礦企業(yè)用電設備中存在大量的感性負載，如電弧爐、直流電機調速系統(tǒng)、整流逆變設備等，它們在消耗有功功率的同時，也占用了大量感性無功功率，致使電力功率因數下降。由于無功功率虛占了設備容量、增大了線路的電流值，而線路損耗與電流的平方成正比，因此造成電力資源的巨大浪費。另外，這些感性負載工作時還會產生大量的電力諧波，對電網造成諧波污染，使電能質量惡化，電器儀表工作異常。為了提高功率因數、治理諧波，可以采用動態(tài)濾波補償，由電容器和電感器串聯形成消諧回路，起到無功補償和濾除諧波的作用。各種濾波補償系統(tǒng)，基本都由電力電容器、鐵芯電抗器、無功補償控制器和電力投切裝置等構成，其中電力投切裝置負責與電網接通、切斷任務，是整個補償系統(tǒng)中關鍵部件之一。目前，用于電力投切的裝置主要有：

(1)普通接觸器

其優(yōu)點是接觸電阻很小，適合大電流導通，但它的缺陷也很明顯：吸合、釋放時間長，不適合快速通斷的場合。在接觸器觸點處易產生火花，使觸點粘住、無法分斷而損壞，對電網的巨大沖擊而產生干擾，可能使周圍電子設備無法正常工作。

(2)帶預投電阻的專用接觸器

這類接觸器整體體積較大，事實上在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題，同時，由于與接觸器觸點配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現象時有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的投切接觸器。

(3)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器

交流繼電器的內部往往用2個單向可控硅反并聯或雙向可控硅構成，當固態(tài)繼電器接到投切信號時，一旦等待到兩端壓差接近零電壓時，則開關閉合，投入工作；當固態(tài)繼電器接到切斷信號時，則可控硅自然關斷，即電流為零時關斷。可以看出，固態(tài)繼電器在投入和切斷時的工作狀態(tài)非常理想，但存在著一個致命的缺陷，即工作過程的器件發(fā)熱和諧波干擾問題，限制了它在電力投切領域的進一步推廣。

（4）分立元件復合開關

集傳統(tǒng)電磁式繼電器和無觸點開關的優(yōu)點于一體，其中的時序配合關系可以用電阻電容的延時電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數分散性以及可靠性差將會影響整個復合開關長期正常的工作。

針對以上現有投切裝置的不足，本課題采用高性能嵌入系統(tǒng)作為投切裝置的核心控制部件，具有運算速度快、響應時間短、投入浪涌電流小、工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。

二、基本組成和工作框圖

圖1原理框圖
本課題開發(fā)的投切裝置由電源電路、投切信號檢測、過零檢測、脈沖觸發(fā)、可控硅電路、電磁接觸器以及狀態(tài)指示等部分構成。以美國ATMEL公司AVR系列單片機ATmega48V作為核心部件，具有內部的RC 振蕩器，提供1/2/4/8MHz 的工作時鐘，無需外加時鐘電路元器件即可工作，非常簡單和方便。工作電壓范圍寬2.7V～6.0V，具有系統(tǒng)電源低電壓檢測功能，電源抗干擾性能強。

圖2工作時序

投切裝置工作原理如圖1所示，其基本工作過程是：投切檢測電路以查詢方式檢測投入（通）、切除（斷）信號，當檢測到投入信號（高電平）時，過零檢測電路檢測可控硅兩端脈動電壓，只有電壓接近于零時才輸出脈沖觸發(fā)可控硅導通，延遲一定時間后使電磁接觸器閉合導通，之后可控硅斷開，由接觸器承載線路電流，完成一次投入過程。切除（斷）時，首先觸發(fā)可控硅導通，然后控制電磁接觸器斷開，延遲一定時間當電流過零時可控硅關斷，完成切除動作，進入下一個投切循環(huán)。如果在工作時電網出現缺相、過電壓故障，則投切裝置拒絕投入，并由LED指示故障部位，以保證整個設備的安全運行。圖2為工作時序圖，其中 T1－T4分別為電網電壓、投切控制信號、可控硅和電磁接觸器的波形圖。

三、過零點檢測與脈沖觸發(fā)

電壓過零檢測電路由限流電阻R1、上拉電阻R2、保護二極管D、光耦P等組成，如圖3所示。電網交流電壓經限流電阻R1到光電耦合器P的輸入端，在其輸出端得到與電網同頻且反相的矩形波。由單片機的“高－低”或“低－高”電平處理程序，即可檢測出電網電壓的過零點。

脈沖觸發(fā)電路如圖4所示，主要由放大、LC振蕩、脈沖變壓器組成。單片機引腳輸出的矩形脈沖，經過放大、LC諧振、脈沖變壓器耦合升壓，形成尖峰脈沖，加到兩個反并聯單向可控硅的控制極和陰極之間，使它們分別在電網電壓波形的正、負半周導通。為了保證可控硅可靠導通，觸發(fā)脈沖寬度不小于100us，這可以由ATmega48V單片機程序設定。

圖3過零檢測電路

四、單片機程序設計

AVR系列單片機采用了RISC結構，其速度、內存容量、外圍接口的集成度、向串行擴展和更適合使用高級語言編程等眾多特性，以及其所使用的開發(fā)技術和仿真調試技術等方面，都充分體現和代表了當前單片機嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本課題采用AVR系列中的ATmega48V芯片，使用C語言進行開發(fā)設計，以提高產品開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護性。具有較高的性價比，是ATmega48V的突出優(yōu)點。它提供23個可編程的I/O口線，4K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程 Flash，256字節(jié)的EEPROM，6路10位ADC等配置，能夠滿足本課題的設計要求。

單片機程序整體是一個循環(huán)結構，首先進行程序初始化，包括管腳方向、中斷方式、定時器等設置。單片機的一個引腳檢測投入控制信號的電平狀態(tài)，為高電平時，讀取并保存過零檢測引腳的電平值，當過零檢測引腳發(fā)生反轉（高→低或者低→高）時，單片機對應引腳輸出周期為200us占空比50％的矩形脈沖，觸發(fā)可控硅導通。延遲一定時間（60ms左右）控制電磁接觸器閉合，完成投入過程。當收到切除信號（低電平）時，單片機管腳輸出矩形脈沖觸發(fā)可控硅導通，控制斷開接觸器，延遲一定時間終止輸出脈沖，電流為零時可控硅自然關斷。

五、結論

以ATmega48V為投切裝置的核心，外圍電路簡單，功能設計靈活，產品成本低，工作穩(wěn)定可靠。投切時的浪涌電流小，可以頻繁地進行投、切操作。本裝置應用于電力無功補償和諧波治理設備中，可以增加投切電容器的組數以提高補償精度，抑制諧波，提高電網電能質量。

圖5分別是觸發(fā)脈沖波形圖以及與電網電壓波形對比圖（因電網電壓幅值較大，只顯示其部分波形）。

本課題開發(fā)的電力投切裝置，經現場測試可以達到的性能指標如下：

（1）開通時間60 ms；關斷時間60 ms。

（2）開關接觸電阻≤0.02Ω；控制電路功耗2 w。

（3）開關在額定電流負載下溫升≤25℃。

（4）系統(tǒng)電壓處于額定電壓的±20%范圍內，能正常工作；超過額定電壓 自動強行跳閘。

（5）缺相時開關拒合閘。正常運行時，出現缺相自動跳閘，響應時間≤0.2 s。

（6）系統(tǒng)停電時，開關自動跳閘響應時間≤0.2 s。

（7）開關工作電源異常時，開關自動跳閘。

（8）采用LED指示，包括開關合閘、跳閘位置以及缺相故障指示。

本文作者創(chuàng)新點：本課題開發(fā)的電力投切裝置電壓等級660伏，切合華北地區(qū)冶金、礦山等企業(yè)的實際需求；采用AVR系列單片機ATmega48V作為核心部件，使得投切裝置功能強、性能穩(wěn)定。

本課題所開發(fā)的電力投切裝置，可廣泛應用于工礦企業(yè)供電系統(tǒng)中自動控制場合，特別是在電力諧波治理和無功補償設備中作為開關部件，具有明顯的性能優(yōu)勢和良好的應用前景，經濟效益可達500萬元以上。

參考文獻

[1]余永權 李小青 陳林康編著單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術 北京航空航天大學出版社 1992年9月第1版。

[2]彭同明 徐學勤主編單片機原理及應用 中國電力出版社 2005年7月第1版。

[3]馬潮 編著AVR單片機嵌入系統(tǒng)原理與應用實踐 北京航空航天大學出版社 2007年10月第1版。

[4]高浪琴 羅先喜 交流變頻裝置諧波及其抑制措施分析［J］．微計算機信息，2007,6－1: 127-129

[5]我們的AVR網站：http://www.ouravr.com