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1．引言 功率因數是交流電路中的重要參數，是衡量電力系統是否經(jīng)濟運行的一個(gè)重要指標，也是供電線(xiàn)路在線(xiàn)監測系統的重要檢測量，在功率因數補償系統中需對其進(jìn)行實(shí)時(shí)測量 。因此設計出結構簡(jiǎn)單、檢測精度高的功率因數在線(xiàn)檢測電路十分必要。而功率因數的測量一般都要對被測電路的電壓、電流進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行處理提取功率因數信號，通常由電壓、電流取樣電路、整形電路、同步周期測量、相位測量等組成，其缺點(diǎn)是結構較復雜，檢修困難，有時(shí)會(huì )出現功率因數的測量精度不高的問(wèn)題 。為此，作者基于電壓采樣，經(jīng)單片機軟件進(jìn)行分析、計算可得出被測電路的功率因數，通過(guò)顯示電路顯示出功率因數的大小，并由通信接口電路將被測功率因數進(jìn)行遠距離傳輸。這樣既簡(jiǎn)化功率因數測量電路的結構，提高功率因數的測量精度，又增強了功率因數檢測電路的功能。 2．原理分析 通過(guò)對電壓的提取來(lái)檢測功率因數的原理如圖 1 （a）所示，首先采用 3個(gè)高精度的 WB系列數字式交流電壓真有效值傳感器分別對被測電路的電源電壓 U1、附加可調電阻 RP兩端電壓 U2及負載電壓 U3進(jìn)行檢測�？烧{電阻 RP的作用是使附加電阻盡可能小，以減小對被測負載的影響，又可得到數值適當的電壓U2滿(mǎn)足功率因數計算的要求。由電路理論 ，可畫(huà)出電壓 U_1 、U_2 和U_3 的相量圖如圖 1(b)所示，則 COSφ即是被測負載的功率因數。 圖 1 電壓測量原理示意圖與電壓相量圖 根據幾何學(xué)中的余弦定理可得， 由式（ 2）可知，只要將電壓 U1、U2、U3經(jīng)過(guò)運算后就可求出負載的功率因數 COS?。為減小測量電路的硬件開(kāi)銷(xiāo)，數據的處理與計算由單片機軟件完成。 3．單片機輸入輸出電路設計 單片機輸入輸出電路主要是對傳感器檢測的電壓信號需要進(jìn)行處理，主要包括信號轉換、計算、存儲及功率因數的顯示和數據傳輸。為此，我們設計出了以單片機及有關(guān)部件組成的電路如圖 2所示。 電壓傳感器完成對電壓的檢測，其中 1-3端用于檢測電源電壓 U1、1-2端用于檢測附加電阻電壓 U2、2-3端用于檢測負載電壓 U3。 單片機選用 PIC16F877單片機，該芯片是目前集成外圍設備模塊最多、功能最強的單片機系列之一 。該單片機芯片帶有 8通道、10位分辨率的數模轉換器 ADC模塊，并具有 4K的 FLASH程序存儲器。RA端口是一個(gè)只有 6個(gè)引腳的雙向 I/O端口，它在基本輸入/輸出功能的基礎上復合了 A/D轉換器功能，通過(guò)端口方向控制器可定義端口引腳為輸入或輸出。RB、RC分別為具有 8個(gè)引腳的輸入/輸出可編程接口，每個(gè)I/O口能提供或吸收 20mA的電流，能直接驅動(dòng)發(fā)光二極管和固態(tài)繼電器，并有看門(mén)狗電路。具有外部電路結構簡(jiǎn)單，使用方便，性能可靠的特點(diǎn)。功率因數由單片機直接輸出通過(guò) 4位紅色高亮度數碼管，對功率因數進(jìn)行顯示，顯示精度達到0.001。 3個(gè)檢測電壓經(jīng)輸入接口 RA的 RA0、RA1、RA2管腳輸入給單片機，首先經(jīng) A/D轉換器將功率因數轉換成數字信號并進(jìn)行保存，并將經(jīng)轉換后的數據經(jīng) RC和 RB接口進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。另外還可經(jīng)過(guò)串行接口與監控系統實(shí)現通信，及時(shí)將線(xiàn)路的功率因數傳送給監控系統。目前常用的串行通信有兩種 ，一種為 RS-232串行通信，另一種為 RS-485串行通信。但由于 PIC16F877單片機串行輸入、輸出接口均為 TTL或 CMOS電平，而監控系統的 PC機通常為 RS-232規范的外部總線(xiàn)標準串行接口，并采用負邏輯，因而 PIC16F877單片機的串行輸入、輸出接口電平不匹配，需要進(jìn)行轉換，這里采用 MAX232芯片來(lái)實(shí)現電平轉換的功能。MAX232芯片的外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接 4個(gè) 0.1μF電容即可。 4．軟件設計 軟件主要任務(wù)是完成 A/D轉換、數據的運算、顯示和通信等，為方便起見(jiàn)，軟件編寫(xiě)時(shí)采用模塊結構，主程序主要包括程序初始化、調用子程序、顯示等。 (1)A/D轉換子程序 該子程序主要是選擇 A/D輸入通道、選擇 A/D轉換時(shí)鐘；設置 A/D中斷，開(kāi)放相應的中斷使能位；等待所需要的采樣時(shí)間；啟動(dòng)A/D；等待 A/D完成；讀取 A/D轉換結果，并存入指定的存儲單元。 （2） 數字濾波子程序 為避免在工業(yè)現場(chǎng)產(chǎn)生的干擾噪聲對功率因數測量造成誤差，在軟件設計時(shí)增加了數字濾波。通常數字濾波方法有多種，這里采用了中值濾波法。即對電壓 U1、U2、U3連續采樣 5次，然后將這些采樣值進(jìn)行排序并選取中間值。這種濾波方法對濾除脈沖性質(zhì)的干擾比較有效。 （3）運算子程序 首先將經(jīng)過(guò)數字濾波后的電壓 U1、U2、U3讀入，然后通過(guò)乘法指令完成平方運算，得到U12 、U22 、U32 ，再經(jīng)減法運算、乘法和除法運算最后得到 ，即得到被測功率因數。 通信子程序的任務(wù)是完成串行通信的初始化。PIC16F877單片機帶有的同步異步接收發(fā)送模塊（USART），它是利用 C口的RC6、RC7兩個(gè)引腳作為二線(xiàn)制的串行通信接口，為使 USART分別工作與發(fā)送和接收狀態(tài)，編程時(shí)首先將 USART的接收狀態(tài)和控制寄存器的 bit 7和 TRISC寄存器的 bit 7均置為1，把 TRISC寄存器的 bit 6均置為0。其次，要使 USART工作在異步通信方式，還必須設置發(fā)送和接收速率即波特率。最后通過(guò)對發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器 TXSTA的 bit 4設置為“0”，從而使 USART工作于異步通信模式。 5.試驗及結果分析 為驗證功率因數在線(xiàn)測量的精度，作者搭建了如圖 4所示的試驗平臺，圖中 COS?是準確等級為 0.2級的單相功率因數表。試驗時(shí)分別采用白熾燈、電風(fēng)扇兩種不同負載作為測量對象進(jìn)行了功率因數測量試驗，并將實(shí)驗結果與功率因數表的讀數進(jìn)行比較。 圖 4 試驗電路示意圖圖中 S1為電源開(kāi)關(guān)，S2為轉換開(kāi)關(guān)，當 S2合在下邊位置時(shí)可得到功率因數表直接讀數；當 S2合在上邊位置時(shí)可得到在線(xiàn)測量電路的功率因數測量值,試驗結果與計算值如表 1所示。 由表 1可知，采用測量電路得到的測量值與功率因數表的讀數非常接近，說(shuō)明該測量電路具有較好的測量精度。白熾燈為純電阻負載，而電風(fēng)扇為電感性負載，試驗表明該功率因數測量電路具有較好通用性，既適用于電阻性負載也適用于感性負載。 5 結束語(yǔ) 基于電壓采樣來(lái)測量功率因數的方案，簡(jiǎn)化了功率因數在線(xiàn)檢測電路的結構、降低了成本，提高了檢測精度。并且這種檢測功率因數的思路還具有很好的實(shí)用價(jià)值，因在實(shí)際中電壓表比功率因數表更為常見(jiàn)，當手頭沒(méi)有功率因數表的情況下，就可用電壓表測量相應的 3個(gè)電壓，通過(guò)公式（ 2）計算也可得到負載的功率因數，解決了無(wú)功率因數表就無(wú)法測量功率因數的困難，給功率因數的測量帶來(lái)了很大的方便。但該測量電路也存在不足之處，測量時(shí)需要串接一個(gè)附加可調電阻，因而測量顯得不太方便，另外還會(huì )影響負載的工作，因此在使用時(shí)應盡量使阻值調小些以得到適當的電壓為宜，通過(guò)試驗我們認為該電壓調到 10V左右即可，這樣既能滿(mǎn)足測量要求，又不至于對負載造成太大影響。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)對被測電路電壓采樣，并經(jīng)過(guò)計算即可得到被測電路的功率因數，簡(jiǎn)化了功率因數測量電路結構，提高了功率因數的測量精度�？朔藗鹘y的功率因數測量時(shí)需要對電壓、電流進(jìn)行檢測，再經(jīng)過(guò)電壓、電流波形變換得到電壓、電流的相位差，最后才能得到被測電路的功率因數復雜過(guò)程。 |
