基于MSP430的電機功率因數測量系統

計算機技術，尤其是單片機技術和大規模集成電路及各種新型傳感元件的迅速發展和日臻成熟，微機技術在電力系統中的普及應用，使電力系統的測量和監控技術得到了快速的發展。在工業生產過程中，往往需要對電動機運行期間的功率因數進行檢測，以便采取相應的補償措施來提高功率因數，從而達到節約電能的目的。若三相負載不平衡，為能比較真實地反映三相電機的功率因數值，可通過采樣三相交流電中任意一相相電流以及另外兩相線電壓之間的相位差得到三相系統的功率因數。MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)，它具有低電壓、超低功耗、強大的處理能力、系統工作穩定、豐富的片內外設、方便開發等優點，具有很高的性價比，在工程控制等領域有著極其廣泛的應用范圍。使用MSP430實現對電機功率因數等電力參數的測量，不但提高了測量的精度和自動化水平，而且降低了系統的功耗。

1 功率因數與相位

電機的功率因數cosΦ值是相電壓與相電流的余弦值。設三相的電壓分別為UA，UB，UC，電流分別為IA，IB，IC，則它們的表達式如下：

上式中：UM表示每相電壓幅值；IM表示每相電流幅值；ω表示角頻率；Φ表示相電流滯后相電壓的相位差角。圖1給出了三相輸電線路的相電壓、相電流的矢量圖。

對于三相對稱的電源，若電機的功率因數為1，即等效總負載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差Φ=0°，而當電機的功率因數值不為1時，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角Φ，感性負載時Φ角滯后0°～90°，容性負載時角超前0°～-90°。因此準確檢測線電壓與線電流之間的相位差，即可測量出電機的功率因數角。

2 相位差Φ計算原理

相位差Φ的計算原理是利用輸入2路信號過零點的時間差，以及信號的頻率來計算2路信號的相位差。

2.1 頻率的測量

首先測量單路輸入信號頻率，方法是記錄1路方波信號2次連續上升沿觸發的定時器計數值t1和t2，計算出2次上升沿計數器差值△t=t1-t2，以定時器工作頻率fclk為參考，求出輸入信號的頻率為Fin=fclk／△N1。

2.2 信號相位差的測量

運用TI的MSP430F449的捕獲功能，捕獲2路信號的過零點，記錄定時器這一時刻的計算值，計算出它們之間的時間差。TI公司的所有的FLASH型單片機都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1個16位定時器和多路比較／捕獲通道組成。

2路信號的相位差△=360°×△t／Ti，其中，△t=△N2／flk，△N2為2路信號的上升沿分別觸發計數器的差值；Ti為輸入信號的周期。由相位差的計算可簡化為：

3系統硬件結構

測量系統以MSP430F449單片機為核心，主要由電壓電流檢測電路、信號調理電路、時鐘電路、電源電路和顯示電路組成。其系統結構圖如圖2所示。

3.1 電壓、電流檢測電路

為實現強、弱電的隔離，提高抗干擾能力，檢測逆變器供電條件下的相電流以及兩相的線電壓，分別采用電流互感器和電壓互感器。由于逆變器供電不平衡，造成三相交流電壓、交流電流相位差不一致，影響功率因數測量的最終因數是相位，除頻率變化造成的相位改變外，還有互感器的相差及交流采樣時電流和電壓不能同步采樣造成的相差，這些因素造成的相差實際上是一個常數。