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[導(dǎo)讀]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、電流進行采樣,然后進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)單片機軟件進行分析、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)進行遠距離傳輸。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?
U2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)。
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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,
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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) COSϕ。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軟件完成。
3.單片機輸入輸出電路設(shè)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)計出了以單片機及有關(guān)部件組成的電路如圖 2所示。 
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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(fù)載電壓 U3。
單片機選用 PIC16F877單片機,該芯片是目前集成外圍設(shè)備模塊最多、功能最強的單片機系列之一 [4]。該單片機芯片帶有 8通道、10位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADC模塊,并具有 4K的 FLASH程序存儲器。RA端口是一個只有 6個引腳的雙向 I/O端口,它在基本輸入/輸出功能的基礎(chǔ)上復(fù)合了 A/D轉(zhuǎn)換器功能,通過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個引腳的輸入/輸出可編程接口,每個I/O口能提供或吸收 20mA的電流,能直接驅(qū)動發(fā)光二極管和固態(tài)繼電器,并有看門狗電路。具有外部電路結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,性能可靠的特點。功率因數(shù)由單片機直接輸出通過 4位紅色高亮度數(shù)碼管,對功率因數(shù)進行顯示,顯示精度達到0.001。
3個檢測電壓經(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(zhuǎn)換器將功率因數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進行保存,并將經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng) RC和 RB接口進行實時顯示。另外還可經(jīng)過串行接口與監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)通信,及時將線路的功率因數(shù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。目前常用的串行通信有兩種 [5],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(jiān)控系統(tǒng)的 PC機通常為 RS-232規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)串行接口,并采用負(fù)邏輯,因而 PIC16F877單片機的串行輸入、輸出接口電平不匹配,需要進行轉(zhuǎn)換,這里采用 MAX232芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能。MAX232芯片的外圍電路簡單,只需外接 4個 0.1μF電容即可。
4.軟件設(shè)計[6]
 軟件主要任務(wù)是完成 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的運算、顯示和通信等,為方便起見,軟件編寫時采用模塊結(jié)構(gòu),主程序主要包括程序初始化、調(diào)用子程序、顯示等。 
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(1)A/D轉(zhuǎn)換子程序
該子程序主要是選擇 A/D輸入通道、選擇 A/D轉(zhuǎn)換時鐘;設(shè)置 A/D中斷,開放相應(yīng)的中斷使能位;等待所需要的采樣時間;啟動A/D;等待 A/D完成;讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,并存入指定的存儲單元。
(2) 數(shù)字濾波子程序
為避免在工業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的干擾噪聲對功率因數(shù)測量造成誤差,在軟件設(shè)計時增加了數(shù)字濾波。通常數(shù)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(xù)采樣 5次,然后將這些采樣值進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)過數(shù)字濾波后的電壓 U1、U2、U3讀入,然后通過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
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,即得到被測功率因數(shù)。

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、RC7兩個引腳作為二線制的串行通信接口,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(shè)置發(fā)送和接收速率即波特率。最后通過對發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器 TXSTA的 bit 4設(shè)置為“0”,從而使 USART工作于異步通信模式。
5.試驗及結(jié)果分析
為驗證功率因數(shù)在線測量的精度,作者搭建了如圖 4所示的試驗平臺,圖中 COSϕ是準(zhǔn)確等級為 0.2級的單相功率因數(shù)表。試驗時分別采用白熾燈、電風(fēng)扇兩種不同負(fù)載作為測量對象進行了功率因數(shù)測量試驗,并將實驗結(jié)果與功率因數(shù)表的讀數(shù)進行比較。

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圖 4 試驗電路示意圖圖中

S1為電源開關(guān),S2為轉(zhuǎn)換開關(guān),當(dāng) S2合在下邊位置時可得到功率因數(shù)表直接讀數(shù);當(dāng) S2合在上邊位置時可得到在線測量電路的功率因數(shù)測量值,試驗結(jié)果與計算值如表 1所示。

 

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由表 1可知,采用測量電路得到的測量值與功率因數(shù)表的讀數(shù)非常接近,說明該測量電路具有較好的測量精度。白熾燈為純電阻負(fù)載,而電風(fēng)扇為電感性負(fù)載,試驗表明該功率因數(shù)測量電路具有較好通用性,既適用于電阻性負(fù)載也適用于感性負(fù)載。 5 結(jié)束語
基于電壓采樣來測量功率因數(shù)的方案,簡化了功率因數(shù)在線檢測電路的結(jié)構(gòu)、降低了成本,提高了檢測精度。并且這種檢測功率因數(shù)的思路還具有很好的實用價值,因在實際中電壓表比功率因數(shù)表更為常見,當(dāng)手頭沒有功率因數(shù)表的情況下,就可用電壓表測量相應(yīng)的 3個電壓,通過公式( 2)計算也可得到負(fù)載的功率因數(shù),解決了無功率因數(shù)表就無法測量功率因數(shù)的困難,給功率因數(shù)的測量帶來了很大的方便。但該測量電路也存在不足之處,測量時需要串接一個附加可調(diào)電阻,因而測量顯得不太方便,另外還會影響負(fù)載的工作,因此在使用時應(yīng)盡量使阻值調(diào)小些以得到適當(dāng)?shù)碾妷簽橐?,通過試驗我們認(rèn)為該電壓調(diào)到 10V左右即可,這樣既能滿足測量要求,又不至于對負(fù)載造成太大影響。
本文作者創(chuàng)新點:通過對被測電路電壓采樣,并經(jīng)過計算即可得到被測電路的功率因數(shù),簡化了功率因數(shù)測量電路結(jié)構(gòu),提高了功率因數(shù)的測量精度。克服了傳統(tǒng)的功率因數(shù)測量時需要對電壓、電流進行檢測,再經(jīng)過電壓、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(shù)復(fù)雜過程。

參考文獻
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[2]張健雄,蘇宏英,鄭文爭 .基于電能計量芯片的功率因數(shù)測量儀器[J].電氣應(yīng)用 2006,(4):76-78.
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[4]段大鵬,江秀臣,孫才新等 .正交分解的介質(zhì)損耗因數(shù)數(shù)字測量算法 [J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(7):127-133.
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