基于單片機(jī)電壓采樣的功率因數(shù)在線檢測

摘要：在分析現(xiàn)有功率因數(shù)檢測電路的基礎(chǔ)上，提出了基于單片機(jī)電壓采樣的功率因數(shù)檢測方法。敘述了電壓采樣測量功率因數(shù)的原理，設(shè)計出了以 PIC16F877單片機(jī)核心的功率因數(shù)在線檢測電路。并采用兩種不同的負(fù)載進(jìn)行了功率因數(shù)在線檢測試驗，通過對試驗結(jié)果分析、比較可以看出該在線檢測電路具有較高的精度。

1.引言

功率因數(shù)是交流電路中的重要參數(shù)，是衡量電力系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)運行的一個重要指標(biāo)，也是供電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要檢測量，在功率因數(shù)補償系統(tǒng)中需對其進(jìn)行實時測量 [1]。因此設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高的功率因數(shù)在線檢測電路十分必要。而功率因數(shù)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(shù)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，其缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修困難，有時會出現(xiàn)功率因數(shù)的測量精度不高的問題 [2]。為此，作者基于電壓采樣，經(jīng)單片機(jī)軟件進(jìn)行分析、計算可得出被測電路的功率因數(shù)，通過顯示電路顯示出功率因數(shù)的大小，并由通信接口電路將被測功率因數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。這樣既簡化功率因數(shù)測量電路的結(jié)構(gòu)，提高功率因數(shù)的測量精度，又增強了功率因數(shù)檢測電路的功能。

2.原理分析

通過對電壓的提取來檢測功率因數(shù)的原理如圖 1 (a)所示，首先采用 3個高精度的 WB系列數(shù)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(diào)電阻 RP兩端電壓 U2及負(fù)載電壓 U3進(jìn)行檢測?？烧{(diào)電阻 RP的作用是使附加電阻盡可能小，以減小對被測負(fù)載的影響，又可得到數(shù)值適當(dāng)?shù)碾妷篣2滿足功率因數(shù)計算的要求。由電路理論 [3]，可畫出電壓 U_1 、U_2 和U_3 的相量圖如圖 1(b)所示，則 COSφ即是被測負(fù)載的功率因數(shù)。

圖 1 電壓測量原理示意圖與電壓相量圖

根據(jù)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)過運算后就可求出負(fù)載的功率因數(shù) COS?。為減小測量電路的硬件開銷，數(shù)據(jù)的處理與計算由單片機(jī)軟件完成。

3.單片機(jī)輸入輸出電路設(shè)計

單片機(jī)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(zhuǎn)換、計算、存儲及功率因數(shù)的顯示和數(shù)據(jù)傳輸。為此，我們設(shè)計出了以單片機(jī)及有關(guān)部件組成的電路如圖 2所示。