控制器电路的构成与工作原理

无功补偿自动投切控制装置的核心部件为（智能）控制器，多由数字和模拟集成电路或MCU系统构成，以后者的应用（产品系列化更容易）更为普遍。采用MCU器件的控制器，其外围电路非常简洁，其“控制方案”往往由软件方式生成，装置的一般构成可分为4个部分，如图2-10所示。

图2-10 采用MCU芯片的控制器电路结构示意图

1）MCU基本电路；

2）供电电源，提供整机供电；

3）电压、电流信号输入（采样）电路，输入信号进一步由硬件或软件方式生成无功分量信号或功率因数信号；

4）驱动电路，将MCU输出的控制信号进入功率放大（或其他处理），以驱动继电器（或输出控制晶闸管器件的过零触发信号）。

MCU基本电路一般由电源、时钟、复位电路、外挂存储器及操作显示电路构成，同一般的MCU基本电路没有什么不同；整机供电电路多由稳压电源提供MCU芯片及外围控制电路的供电；功率驱动电路用于将MCU输出信号进行功率放大，以驱动负载（继电器或晶闸管），以上电路都为MCU芯片外围普通电路，同一般的MCU控制系统无太大的区别，下面重点说明一下电压、电流信号采样电路。

1.功率因数信号采样电路

采样电网侧电压和电流信号，并比较两者的相位差，即反映了功率因数值的大小。因而功率因数采样电路又称为（电压和电流）相位差检测电路。功率因数的检测方法一般有两种：

1）测量同一相的相电流和相电压的相位差。这适合于带N（中性线）线的供电系统。

2）测量线电压和另一相线电流的相位差。系统不必接N（中性线）线，应用较为广泛。

两种测量方式可以采用同一类型的电路，如图2-11所示。

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图2-11 电压、电流信号检测电路

电流信号一般由在线电流互感器（额定电流/5A）取出相电流信号，经控制器内部电流互感器（5A/4～20mA）进行转换，再在负载电阻R1上进行I/V转换，得到0～5V范围以内的电压信号，输入后级电压比较器电路，输出为20ms的对称方波；电压信号经降压隔离变压器或光耦合器或大阻值电阻降压后，输入比较器电路，输出也为20ms的对称方波，由此得到的U、I信号，在MCU芯片内部比较其相位差，就变得非常容易。

单相接法时比较器输出波形如图2-12所示。对于纯电阻负载，两波形的相位差为零；感性负载，则电压相位超前；容性负载，电流相位超前。判断其相位超前或滞后量（角度）的多少，即可得出功率因数值的大小。

图2-12 单相接法比较器输出波形

用测量线电压和线电流的方法（以取用BC线电压和A线电流为例），可得到如图2-13所示的波形图。

图2-13 线电压和线电流接法比较器输出波形

从图2-13可以得出如下结论：对纯电阻负载，I_A超前U_BC90°；感性负载，则I_A超前U_BC0～90°，0°即为纯电感负载；容性负载，则I_A超前U_BC90°～180°，180°即为纯电容负载。

通过比较U_BC和I_A相位差（角度）值的多少，也可以得到对功率因数的测量值。

图2-13电路是由电压比较器将输入模拟电压信号整形为方波（开关量）信号，只适用于信号相位差的比较，无法取出电流和电压的幅度信号。

2.电压和电流采样电路的另一种形式

将图2-11电路的电路比较电路，更换为电压跟随器，或反相/同相放大器，则电路输出的模拟电压信号，输入MCU内部电路，经A-D转换，不但可以取出相位差信号，也可以取出电压/电流的幅度信号，进而用于过电压时的报警、切除电容器等控制。具体电路请参阅下面的实例。