隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電網中使用的感性負載也愈來愈多，如感應式電動機、變壓器等。這些設備在工作時不但要消耗有功功率，同時需要電網向其提供相應的無功功率，造成電網的功率因數(shù)偏低。在電網中并聯(lián)電容器可以減少電網向感性負載提供的無功功率，從而降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸電損耗，改善電網的運行條件，因此功率因數(shù)補償控制器一直有著廣闊的應用市場。本文所介紹的功率因數(shù)補償控制器符合JB/T9663－1999國家標準，主要功能有：

（1）相序自動識別

（2）電壓、電流、功率因數(shù)采樣與顯示

（3）過壓解除、欠流封鎖，從而保護電容器及避免循環(huán)投切

（4）采用先投入的先切除，先切除的先投入的原則，對補償電容實行循環(huán)投切

（5）所有的工作參數(shù)都可以通過面板按鍵設定，包括投入門限、切除門限、過壓保護門限、欠電流封鎖門限、投切延時時間

一、工作原理

采樣三相電源中一線電流（如A線）與另外兩線的電壓（如BC線）之間的相位差，通過一定的運算，得到當前電網的實時功率因數(shù)。此功率因數(shù)與設定的投入門限和切除門限比較，在整個投切延時時間內，若在投切門限以內，則不予動作；若小于投入門限，則另投入一組電容器；若大于切除門限或發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為負時，則切除一組已投入的電容器。再經過投切延時時間，重復比較與投切，直到當前的功率因數(shù)達到投切門限以內。在投切過程中，若發(fā)現(xiàn)檢測到的電壓大于設定的過壓保護門限，則按組切除所有已投入的電容；當檢測到的電壓超過設定的過壓保護門限的10％時，則一次性切除所有已投入的電容，用以保護電容器。在投切時若發(fā)現(xiàn)檢測到的電流小于欠電流封鎖門限，則停止投切動作，避免系統(tǒng)出現(xiàn)循環(huán)投切現(xiàn)象。

由于在三相供電中有不同接線方法，不同的接線方法對功率因數(shù)的算法也不一樣，因此我們規(guī)定ARC系列功率因數(shù)自動補償控制儀的電流取自三相供電中的A線，電壓取自BC間的線電壓，同時為減少現(xiàn)場接線的復雜度，我們在程序中對相位進行自動判別。

在三相供電中，我們假設三相的相電壓分別為Ua、Ub、Uc，A線電流為Ia

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

從而得到BC間的線電壓為Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90o)
若A線負載為純阻性，則A線電流Ia與A線電壓Ua同相，Ia超前Ubc的角度為90o；
若A線負載為感性，則A線電流Ia滯后A線電壓Ua角度為φ（0o≤φ≤90o），Ia超前Ubc的角度為90o-φ；
若A線負載為容性，則A線電流Ia超前A線電壓Ua角度為φ（0o≤φ≤90o），Ia超前Ubc的角度為90o+φ
在我們的ARC功率因數(shù)自動補償控制儀中，為了計算的方便，我們電流相位的采樣為電壓采樣的第二個周期，即若沒有相位差Ia滯后Ua的角度為360o。在實際檢測中，假設我們檢測到Ia滯后Ubc的角度為α，根據(jù)以上的分析得知：
若180oα270o，則電路為容性負載，COSφ=COS(270o-α)
若α＝270o，則電路為感性負載，COSφ=1
若270oα360o，則電路為感性負載COSφ=COS(α-270o)
為方便用戶接線，若用戶將電壓Ubc接成了Ucb，或將Ia的輸入接反，根據(jù)以上的推斷，我們同樣可得到：
若0oα90o，則電路為容性負載，COSφ=COS(90o-α)
若α＝90o，則電路為感性負載，COSφ=1
若90oα180o，則電路為感性負載COSφ=COS(α-90o)

二、硬件的設計

控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此單片機工作電壓范圍寬（2.7 - 5.5V），最高工作頻率為8MHz；芯片內部具有16k字節(jié)的Flash程序程序存儲器，512 字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的片內SRAM；8路10 位ADC；一個可編程的串行USART，具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器；兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器 ；一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器。顯示芯片采用南京沁恒公司生產的鍵盤、顯示專用芯片CH451S，CH451S最大能驅動8為數(shù)碼管，且不需外加驅動就能直接驅動LED數(shù)碼管，大大減小了印板尺寸，單片機的采用SPI模式，只需3線（片選CS、時鐘CLK、數(shù)據(jù)輸入DIN），因本系統(tǒng)未用CH451S的鍵盤功能，所以CH451S的DOUT引腳不用。Ubc的電壓信號經過電阻限流進入2mA/2mA的隔離變換器后分為兩路，一路進入模擬絕對值處理電路送入單片機的A/D轉換口ADC0，作為電壓顯示信號，另一路經過零比較后進入單片機中斷口INT0；同樣Ia的電流信號經5A/5mA的隔離變換器后分為兩路，一路進入模擬絕對值處理電路送入單片機的A/D轉換口ADC1，作為電流顯示信號，另一路經過零比較后進入單片機定時器門控端ICP引腳。