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三相輸電線(xiàn)路的功率因數是電力傳輸的重要經(jīng)濟技術(shù)參數，關(guān)系到電力系統的穩定、損耗、輸電質(zhì)量等多方面的問(wèn)題。為了能比較真實(shí)地反映三相輸電線(xiàn)路的功率因數值，本文提出了通過(guò)采樣三相交流電中任意一相的相電流，以及另外兩相的線(xiàn)電壓之間的相位差來(lái)得到三相系統功率因數的檢測方法。實(shí)現了對功率因數的測量和數字顯示，從而近一步對功率因數做出補償，最終達到調整功率因數的目的。該系統采用ARM7TDMI -S內核微控制器LPC2138，它強大的功能使外圍電路變得比較簡(jiǎn)單，增強了系統的靈活性；在數據采集方面，具有精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。 1 基本工作原理 本測控系統的關(guān)鍵問(wèn)題是求得三相輸電線(xiàn)路的功率因數值，從而進(jìn)一步對輸電線(xiàn)路的功率因數進(jìn)行適當調整。下面介紹電壓、電流相位差的具體求法： 設三相的電壓分別為Uu、Uv、Uw，相電流Iu、Iv、Iw，它們的表達式如下： 式中，UM表示每相的電壓幅值，IM表示每相的電流幅值，w表示角頻率，表示相電流滯后相電壓的相位差角(功率因數角)�？紤]三相三線(xiàn)的情況下，采用其中一相的相電流與另外兩相的相電壓之間的相位差來(lái)測量功率因數的接線(xiàn)方式有12種，本文不做詳細討論，僅給出接線(xiàn)在符合u、v、w正相序條件下，以u相電流 Iu與v、w兩相的線(xiàn)電壓Uvw之間的相位差來(lái)測量功率因數的方法。實(shí)際上，對于三相三線(xiàn)的情況，只要求得兩相相電壓與另一相的線(xiàn)電流之間的夾角就可以求得功率因數，如圖2所示。 在圖2中，Uuv=Uu-Uv，因此Uuv比Uw滯后π／2，而Uuv比Iw滯后α，則φ=π／2-α。這樣線(xiàn)路的功率因數： cosφ=cos(π／2-α)=sinα 由上式可見(jiàn)，線(xiàn)電流Iw與其他兩相線(xiàn)電壓Uuv的夾角α的正弦值sin α即為三相輸電線(xiàn)路的功率因數cosφ。通過(guò)PT(電壓互感器)獲得線(xiàn)電壓信號，由CT(電流互感器)獲得另一相線(xiàn)電流的信號。兩信號的相位差的正弦值 sinα即為功率因數cosφ的值，如圖3所示。 2．1 電壓、電流信號檢測 分別通過(guò)電壓互感器和電流互感器獲取高壓交流信號，經(jīng)過(guò)電能轉換元件(變壓器、線(xiàn)性電阻)，轉變成峰值為5V的低壓交流信號。再分別送到過(guò)零檢測電路，將低壓交流信號轉換為L(cháng)PC2138可以識別的矩形脈沖信號。 2．2 單片機LPC21 38系統 LPC2138利用定時(shí)器對各輸入信號分別進(jìn)行計數，用公式φ=2 π△T／T求出相位值，再利用余弦子程序求得功率因數cosφ。同時(shí)，根據置入的允許功率因數值，實(shí)時(shí)地判斷是否需要驅動(dòng)功率因數補償裝置進(jìn)行適當補償。 2．2．1 信號周期 從過(guò)零比較電路輸出的矩形脈沖信號一路送到LPC2138的外部中斷端口EINT0，低電平有效。利用計數法求出信號周期T。 2．2．2 相位差 從過(guò)零比較電路輸出的矩形脈沖信號一路送到LPC2138的比較器端口，比較器將接收到的7位從地址與其自身的從地址(12ADR的7個(gè)最高位)相比較。它還將首次接收到的8位字節與通用調用地址(00H)相比較。如果任何一者相同，相應的狀態(tài)位置位，產(chǎn)生中斷請求。 LPC2138根據中斷請求，對定時(shí)計數器EINT1進(jìn)行編程，則EINT1端的計數脈沖信號寬度代表了電壓、電流兩信號的相位差。 2．3 功率因數補償裝置 LPC2138是小型LQFP64封裝的微控制器，多達47個(gè)5V的I／O通用口，因此該系統的其它電路不需要再擴展接口，簡(jiǎn)化了外圍電路。功率因數補償接口直接利用LPC2138本身的接口，通過(guò)編程來(lái)控制15個(gè)固態(tài)繼電器工作，從而實(shí)現控制15組電容器何時(shí)投入切換的目的。 2．4 顯示電路 顯示電路由3位LED構成，可分別顯示實(shí)測值cosφ和希望值cosφ0。顯示“L．××”為滯后(感性負載)，顯示“C．××”為超前(容性負載)。 3 軟件設計 軟件設計利用匯編語(yǔ)言，采用模塊化程序結構。包括主程序、算術(shù)運算子程序、求余弦子程序、鍵盤(pán)分析處理子程序、顯示子程序、控制功率因子補償接口主程序等。 主程序主要完成系統初始化、定時(shí)計數器EINT0、EINT1工作方式設置、比較器的設置等。如圖5所示： 算術(shù)運算子程序負責對相位時(shí)差、相位差、信號周期的運算；求余弦子程序完成求解電網(wǎng)功率因數的值；顯示子程序負責靜態(tài)顯示電網(wǎng)功率因數的值；鍵盤(pán)分析處理子程序完成對本裝置的啟動(dòng)鍵、功率因數允許值的置數鍵的定時(shí)掃描和處理；控制功率因數補償接口子程序根據允許的功率因數值，完成選擇適當數目的功率因數補償裝置的電容器組。 4 結束語(yǔ) 目前的功率因數大多采用鐵磁電動(dòng)式結構的功率因數表測量，讀數較不方便。本文介紹的利用單片機LPC2138采集功率因數的方法，具有較直觀(guān)的數字顯示功能。該測控系統已經(jīng)在我系實(shí)驗室投入使用，進(jìn)一步證明了本測控裝置精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。設計中利用軟件自檢程序檢測硬件部分的故障，以減少硬件配置。輸出接口采用固態(tài)繼電器控制，從而切斷了補償接口與單片機之間的電磁聯(lián)系，增強了系統的抗干擾能力。 |
