80C51單片機在無功補償中的應用

楊華

引言某冶煉公司供電所，35KV進線402采用了10KV補償電容器組，但其補償方式是一次性的，其功率因數通常在0.95—0.99之間變化，有時出現超前現象，并且隨著負荷的變化而顯著變化；同時，另一條進線404由于無10KV補償電容器組，其無功損耗較大，其功率因數通常在0.92—0.95之間變化?？偟膩碚f，由于10KV補償電容器組的補償無功量不夠靈活，不能跟蹤實際負荷補償所需的無功量，從而功率因數波動較大，同時有控制速度慢，存在輕負荷振蕩等缺點。

本系統以80C51芯片為核心，充分利用片內資源，對電壓、電流、相位、無功功率等參數進行檢測，同時根據實際檢測到的功率因數，自動投切適當容量的電容負載，對系統進行無功補償。

關鍵詞單片機 無功功率補償

中圖分類號：O434文獻標識碼： A

單片機是由芯片內只有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成在復雜的且對體積要求嚴格的控制設備當中。

早期的單片機都是4位或8位的。其中最成功的是intel的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031基礎上發展出了MCS51系列單片機系統，該系列是單片機中最成功的，基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。90年代后隨著電子產品的迅速發展，單片機技術得到了巨大的提高。傳統的8位單片機的性能得到了飛速提高，同時也出現了高端的32位單片機，其主頻已超過300MHz。而且，單片機很便宜，從幾元到幾十元不等。物美而價廉是單片機應用如此廣泛的先決條件。

一 控制原理及信號檢測

實際上，我們只要檢測出系統所需要的無功量，就可以決定電容器的投切。

設系統向電網吸取無功為Q??l,則

Q??l=3*U*I*Sinф-----(1)

式中：U--------相電壓

I---------相電流

Ф------系統功率因數角

如果將Cosф提高到Cosф,則電容器應提供的無功量Qc為；

Qc=3UI(Sinф-tgф*Cosф)-------(2)

每組電容器在電壓波動范圍不大的條件先，所提供的無功量Qco是不變的，因此投（切）電容器的組數Z為：

Z=[Qc/Qco]-------(3)

[ ]表示取不超過Qc/Qco的整數

由此，只要檢測出系統的無功量，則可將系統的功率因數Cosф一次性地提高到我們所希望的設定范圍內，提高了控制速度。

由(3)可以看出，負荷過輕，雖然Cosф不在正常設定范圍內，但Qc

要求出投切電容組Z，必須檢測系統所需要的無功Qc，由（2）知，可要分別檢測出及ф，則無功量Qc即可求出。下面介紹它們的檢測方法：

1．檢測

U不僅用來計算Qc，而且還用來判斷電壓是否過高，電壓過高，切掉所有電容器。

取A相電壓，衰減，整流濾波送A/D轉換器。

I的檢測方法與此類似，只是，A相電流必須變成與A相電流成正比的電壓信號。U及I數字化處理只用一片A/D轉換器。

2．ф檢測

計算無功量及Cosф顯示均需要ф。

取A相交流電壓信號U~與A相電流信號I~分別與OV比較，得到與它們同頻率的方波U與I，然后將得到的這兩個方波再一次比較得到一個工頻周期內的ф方波，如圖。

將ф反相后送入80C51的INT0,低電平有效產生中斷，啟動定時計數器定時計數，一旦ф反相后變高，讀出計數器中的數，即為ф的大小，因ф≤90，對應時間量為0----5ms。

3．超前及滯后的判斷

由于負荷的變化，功率因數存在超前與滯后。

超前與滯后由U及I來判斷。在圖一中我們只畫出了ф滯后時的波形，現將ф超前時的波形示于圖二。

比較圖一與圖二，可以看出: 滯后時，在ф的下降沿小時間延時后U為高電平，以“1”為標志；超前時，U為低電平，以“0”為標志，進入計算機。

二控制器主要性能指標

1．功率因數穩定區在0.95—0.995。

2．電壓靈敏度U大與某值強切

3．定時檢測

4．實時顯示Cosф

5．手動自動并存

6．快速帶基礎補償循環投切

三 控制器硬件及外圍電路

本控制器硬件全部采用大規模集成電路。圖三是控制器及外圍電路框圖。

四 C51系列單片機的應用

單片機是世界上數量最多的計算機。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，因此現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單片機。大至導彈的導航裝置，飛機上的各種儀表，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，小至廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了?，F對C51系列單片機的各種應用作大致分類：

4.1 在智能儀器儀表上的應用

C51系列單片機與不同類型的傳感器相結合，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等各種物理量的測量。采用單片機控制可使得儀器儀表實現數字化、智能化、微型化，而且功能比起采用電子或數字電路還要更加強大。如各種精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀等）。

4.2 在計算機網絡和通信領域中的應用

現在，C51系列單片機普遍具備通信接口，比如USB接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的基礎，另外，采用MAX232實現MCS-51單片機與PC機的通信，具體內容可參考本文參考文獻[4]。都實現了單片機智能控制。從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等，都能見到單片機的身影。

4.3 在工業控制中的應用

C51系列單片機可以用在構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。例如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。

4.4 在汽車設備領域中的應用

各種型號的單片機在汽車電子中的應用非常廣泛。例如汽車中的發動機控制器，基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器，GPS導航系統，abs防抱死系統，制動系統等等。

4.5 在家用電器中的應用

可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。

4.6 在醫用設備領域中的應用

C51系列單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。特別地，測量心電、腦電、肌電、胃電等微弱信號的醫療儀器也都采用了單片機進行控制。

另外，某些專用單片機設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。

在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。集成度的不斷提高，才能使現在的各種設備越做越小。

五．結束語

本系統通過80C51實現對U、I、ф的檢測，由此計算出功率因數Cosф及與要求值的差距，從而計算出實際所需的無功量，也就決定了投入或切除一定數量的電容器組數。這樣，既滿足了投切速度，對電網無功量補償靈活，又可防止投切振蕩現象。

參考文獻：

[1]陸彬，21天學通51單片機開發（第2版）[M].電子工業出版社，2011.09.

[2]萬福君主編，MCS-51單片機原理、系統設計與應用[M].清華大學出版社，2008.06.

[3]馬忠梅，單片機的C語言應用程序設計（第三版）[M].北京航空航天大學出版社，2003.11.

[4]劉艷玲，采用MAX232實現MCS51單片機與PC機的通信[J].天津理工學院學報，1999.

[5]吳金戌，8051單片機實踐與應用[M].清華大學出版社，2002.