基于單片機電壓采樣的功率因數在線檢測

摘要：在分析現有功率因數檢測電路的基礎上，提出了基于單片機電壓采樣的功率因數檢測方法。敘述了電壓采樣測量功率因數的原理，設計出了以 PIC16F877單片機核心的功率因數在線檢測電路。并采用兩種不同的負載進行了功率因數在線檢測試驗，通過對試驗結果分析、比較可以看出該在線檢測電路具有較高的精度。

1.引言

功率因數是交流電路中的重要參數，是衡量電力系統是否經濟運行的一個重要指標，也是供電線路在線監測系統的重要檢測量，在功率因數補償系統中需對其進行實時測量 [1]。因此設計出結構簡單、檢測精度高的功率因數在線檢測電路十分必要。而功率因數的測量一般都要對被測電路的電壓、電流進行采樣，然后進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，其缺點是結構較復雜，檢修困難，有時會出現功率因數的測量精度不高的問題 [2]。為此，作者基于電壓采樣，經單片機軟件進行分析、計算可得出被測電路的功率因數，通過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行遠距離傳輸。這樣既簡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

通過對電壓的提取來檢測功率因數的原理如圖 1 (a)所示，首先采用 3個高精度的 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滿足功率因數計算的要求。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

根據幾何學中的余弦定理可得，

由式( 2)可知，只要將電壓 U1、U2、U3經過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銷，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部件組成的電路如圖 2所示。