基于單片機(jī)的發(fā)電機(jī)功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊狄賽，童向亞

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

隨著能源技術(shù)的發(fā)展，可通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的一次能源種類不斷豐富.從火力發(fā)電、水力發(fā)電及至風(fēng)能發(fā)電、光能發(fā)電與生物能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展.在不同能源的發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境都有顯著差異，利用傳統(tǒng)的儀器儀表方法對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)測(cè)量已不能滿足要求，也難以應(yīng)用于復(fù)雜的工作環(huán)境中.微控制器的發(fā)展為新的測(cè)量手段提供了可能.應(yīng)用單片機(jī)與上位機(jī)組成測(cè)量核心的功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，可用于各種電力應(yīng)用場(chǎng)合的功率因數(shù)測(cè)量，具有廣泛的發(fā)展前景.

1 功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)原理

1.1 功率因數(shù)測(cè)量原理

在實(shí)際的用電系統(tǒng)中，由于接入的負(fù)載類型不同，在一定的視在功率S=UI下，電路的有功功率P=Scosφz存在差異.其中 Scosφz定義為功率因數(shù).當(dāng)功率因數(shù)Scosφz=1時(shí)，系統(tǒng)的用電效率最高.根據(jù)系統(tǒng)中負(fù)載的三種主要類型所對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)角的不同，可以分為如下三種情況：

表1 三種負(fù)載情形下功率因數(shù)角與功率因數(shù)

其中φz可以通過計(jì)算交流電電壓、電流的相位差得到[1].在三相系統(tǒng)平衡的情形下，三相交流電機(jī)可以輸出3個(gè)同頻的、相位依次滯后120°的等幅值正弦電源.對(duì)于其中任意的單相電源的功率因數(shù)測(cè)量，多采用測(cè)量其電流與電壓的相位差φz后，通過公式計(jì)算得到功率因數(shù)的值.

依據(jù)上述原理可進(jìn)行功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)電路的電壓、電流通過互感器轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔?、頻率不變且幅值較低的電壓信號(hào)并分別送入輸出限幅的電壓比較器，從而得到單片機(jī)能夠檢測(cè)的方波信號(hào).單片機(jī)通過對(duì)輸入信號(hào)相位的分析，得到相位差值φz后，一方面通過RS232串口通訊與PC上位機(jī)建立連接，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，另外通過顯示電路將測(cè)量到的數(shù)值顯示出來，使觀測(cè)者能夠更加直觀的對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè).整個(gè)系統(tǒng)的工作過程[2]如圖2所示.

圖2 測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換及整形，即由物理信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換.經(jīng)互感器、采樣電阻得到的電信號(hào)，雖然電壓幅值被降低至基本滿足測(cè)量系統(tǒng)的輸入要求，但本質(zhì)上仍然是正弦信號(hào).本系統(tǒng)采用由運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓管組成的輸出限幅比較器，將正弦信號(hào)經(jīng)過一定處理轉(zhuǎn)化為能夠被單片機(jī)識(shí)別的方波信號(hào)[3].信號(hào)由正向輸入端輸入，由于放大器工作于開環(huán)，其輸出電壓為：

式中，A為放大器開環(huán)電壓增益，Vi-為負(fù)向輸入電壓.

當(dāng)信號(hào)為正電壓時(shí)，高增益使得輸出端輸出正向飽和電壓，并由穩(wěn)壓管將電壓限制于3.3V附近.當(dāng)信號(hào)由負(fù)電壓接近0V并逐漸升高至正電壓時(shí)，此時(shí)輸出端會(huì)產(chǎn)生躍變并輸出-3.3V.

圖3 過零比較電路

圖4 整形電路

將得到的方波信號(hào)送入電壓加法器，用一定值的偏置電壓將方波變?yōu)?～5V的方波信號(hào).方波信號(hào)通過對(duì)三極管基極的控制可以在靠近集電極的輸出端輸出邊沿相對(duì)陡峭的方波.原理圖中串聯(lián)的兩個(gè)非門一方面可以提高電路的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面也起到了整形電路的作用.本硬件系統(tǒng)中，三極管電路部分也可以用光電耦合器代替，減少電路之間的干擾.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量方法的選擇

測(cè)量系統(tǒng)中，單片機(jī)作為發(fā)電機(jī)與上位機(jī)的過渡單元，需同時(shí)完成對(duì)信號(hào)相位的比較及通訊功能.單片機(jī)響應(yīng)外部信息的方式主要有兩種：中斷方式與查詢方式[4].

在中斷方式中，電壓、電流方波信號(hào)分別接在單片機(jī)的外部中斷INT0、INT1引腳.當(dāng)選擇下降沿觸發(fā)中斷的方式時(shí)，單片機(jī)在INT0引腳檢測(cè)到某一時(shí)刻的方波下降沿將自動(dòng)轉(zhuǎn)入中斷打開定時(shí)器T2開始計(jì)時(shí)，INT1引腳下降沿到來后立刻記錄T2的值，即為相位差的時(shí)間tφ，當(dāng)INT0引腳再次檢測(cè)到下降沿時(shí)所記錄的時(shí)間即為正弦波的周期時(shí)間T.即可由公式

得到功率因數(shù)角.

在查詢方式中，單片機(jī)按照一定的時(shí)間間隔反復(fù)查詢輸入信號(hào)引腳，若發(fā)現(xiàn)信號(hào)躍變則按上述順序分別記錄相位差的時(shí)間tφ及正弦波的周期時(shí)間T.

3.2 測(cè)量方法的誤差分析

兩種測(cè)量方式在相位差時(shí)間記錄上都存在一定誤差.中斷方式中，單片機(jī)檢測(cè)到下降沿到轉(zhuǎn)入中斷子程序前需要等待當(dāng)前執(zhí)行的指令結(jié)束，由于中斷發(fā)生的時(shí)間相對(duì)于主程序而言不是固定的，因此當(dāng)前指令的執(zhí)行時(shí)間也不確定，由此會(huì)產(chǎn)生最多約3個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間延遲.

圖5 查詢法誤差

查詢方式中，若前一次檢測(cè)過后，單片機(jī)引腳立刻發(fā)生了躍變，則需要再等待te≤Tp方可檢測(cè)信號(hào)的跳變.一般而言，采用中斷方式時(shí)，單片機(jī)要求方波信號(hào)的變化沿至多在1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成才能被單片機(jī)的外部中斷引腳接受，這就要在電路中加設(shè)觸發(fā)器及整形電路才能滿足要求.而查詢方式對(duì)變化沿的要求并不嚴(yán)格，只需將Tp設(shè)置為接近或大于變化沿的時(shí)間即可.在本系統(tǒng)中，方波變化沿的時(shí)間約為0.1ms，采用查詢方式.誤差約是中斷方式的30倍，在硬件系統(tǒng)中簡(jiǎn)化了硬件，一定程度上減少了硬件的不可靠性對(duì)系統(tǒng)的影響，可用于非精密測(cè)量場(chǎng)合.

3.3 程序設(shè)計(jì)

圖6 控制系統(tǒng)流程框圖

測(cè)試系統(tǒng)為多任務(wù)系統(tǒng)，通過計(jì)時(shí)器T0，設(shè)置一系列時(shí)間標(biāo)志位，當(dāng)?shù)竭_(dá)給定時(shí)間時(shí)通過定時(shí)器中斷將標(biāo)志位置1，主程序輪詢每一個(gè)標(biāo)志位，當(dāng)查到標(biāo)志位為1時(shí)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)[5].

系統(tǒng)中并未采用查表[6]的方式來計(jì)算功率因數(shù)cosφz的值，而是將計(jì)算任務(wù)分配給上位計(jì)算機(jī)處理.這樣做可以避免因查表算法帶來的誤差，也可以避免單片機(jī)由于分配任務(wù)過多而造成的系統(tǒng)誤差.

3.4 功率因數(shù)角的計(jì)算

通過分析，已知所測(cè)系統(tǒng)的功率因數(shù)狀態(tài)只可能有三種情況：純阻性、感性、容性.通過以上算法算出的φz在容性電路時(shí)將測(cè)得270°≤φz<360°因此需要進(jìn)行φz-360°換算.為了使測(cè)量更加準(zhǔn)確，將多次測(cè)量的相位差、周期取平均值后再得出φz的值.

3.5 上位機(jī)通訊系統(tǒng)

單片機(jī)通過RS232串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊.本系統(tǒng)采用VB6.0編寫上位機(jī)軟件，通過MSComm控件與單片機(jī)串口建立連接[7].點(diǎn)擊“相位檢測(cè)”按鈕后，上位機(jī)以一定時(shí)間間隔向單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào).當(dāng)單片機(jī)查詢到相應(yīng)的控制信號(hào)后，將返回φz的值.同時(shí)判斷電機(jī)負(fù)載的性質(zhì).“功率因數(shù)”按鈕用于上位機(jī)將根據(jù)返回值計(jì)算cosφz.

圖7 上位機(jī)軟件界面

4 仿真結(jié)果分析

圖8 硬件電路仿真（顯示部分）

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Proteus仿真軟件中構(gòu)造實(shí)驗(yàn)原理圖.用Keilc編寫單片機(jī)程序，仿真實(shí)驗(yàn)中需要單片機(jī)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊，用虛擬串口軟件構(gòu)造一對(duì)邏輯上連接的串口，并為發(fā)電機(jī)設(shè)置三路不同的負(fù)載，切換負(fù)載時(shí)，示波器上電流與電壓的相位發(fā)生改變.同時(shí)，負(fù)載的改變?cè)斐上辔蛔兓男畔⑼ㄟ^單片機(jī)反映到上位機(jī)軟件并通過數(shù)碼管顯示出來.

通過仿真，發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接入純阻性負(fù)載時(shí)，依然會(huì)有一定的相位差出現(xiàn).造成這種情況的原因：一方面，由于單片機(jī)是按順序查詢電流、電壓信號(hào)再進(jìn)行處理，程序按照既定順序執(zhí)行時(shí)，會(huì)造成一定的時(shí)差.另一方面，電流、電壓從發(fā)電機(jī)中引出到產(chǎn)生信號(hào)的硬件電路是不同的，電路結(jié)構(gòu)的差異會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí).

仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，這一誤差是比較穩(wěn)定，不隨時(shí)間有大的變動(dòng).因此，消除這一誤差的方法，可以通過軟件系統(tǒng)的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn).在系統(tǒng)中加入補(bǔ)償時(shí)間，使得在純阻性負(fù)載時(shí)相位差基本為0，其他負(fù)載的情況下也加入相同的補(bǔ)償值即可.

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于AT89C52單片機(jī)的發(fā)電機(jī)功率因數(shù)測(cè)量方法.通過對(duì)發(fā)電機(jī)電壓、電流相位的測(cè)量反映出其功率因數(shù)值，并上傳至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).通過keilc軟件與Proteus硬件仿真與VB上位機(jī)通訊驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性.本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：具有數(shù)據(jù)通訊功能，在一定距離范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離功率因數(shù)測(cè)量.硬件電路較簡(jiǎn)單，沒有采用過多的抗干擾電路，主要通過軟件算法來減少干擾.本系統(tǒng)還需要通過實(shí)際應(yīng)用的進(jìn)一步檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題.

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