基于單片機(jī)電壓采樣的功率因數(shù)在線檢測(cè)

摘要：在分析現(xiàn)有功率因數(shù)檢測(cè)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(cè)方法。敘述了電壓采樣測(cè)量功率因數(shù)的原理，設(shè)計(jì)出了以 PIC16F877單片機(jī)核心的功率因數(shù)在線檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析、比較可以看出該在線檢測(cè)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(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，也是供電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要檢測(cè)量，在功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)中需對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量 [1]。因此設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高的功率因數(shù)在線檢測(cè)電路十分必要。而功率因數(shù)的測(cè)量一般都要對(duì)被測(cè)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(hào)，通常由電壓、電流取樣電路、整形電路、同步周期測(cè)量、相位測(cè)量等組成，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修困難，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)的測(cè)量精度不高的問(wèn)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(jì)算可得出被測(cè)電路的功率因數(shù)，通過(guò)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(cè)功率因數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。這樣既簡(jiǎn)化功率因數(shù)測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)，提高功率因數(shù)的測(cè)量精度，又增強(qiáng)了功率因數(shù)檢測(cè)電路的功能。

2.原理分析

通過(guò)對(duì)電壓的提取來(lái)檢測(cè)功率因數(shù)的原理如圖 1 (a)所示，首先采用 3個(gè)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(duì)被測(cè)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(cè)。可調(diào)電阻 RP的作用是使附加電阻盡可能小，以減小對(duì)被測(cè)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(jì)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(cè)負(fù)載的功率因數(shù)。

圖 1 電壓測(cè)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(guò)運(yùn)算后就可求出負(fù)載的功率因數(shù) COS?。為減小測(cè)量電路的硬件開銷，數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算由單片機(jī)軟件完成。

3.單片機(jī)輸入輸出電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)輸入輸出電路主要是對(duì)傳感器檢測(cè)的電壓信號(hào)需要進(jìn)行處理，主要包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲(chǔ)及功率因數(shù)的顯示和數(shù)據(jù)傳輸。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)出了以單片機(jī)及有關(guān)部件組成的電路如圖 2所示。