基于單片機的交流電路功率因數(shù)自動測量技術

馮楓

（山西工程職業(yè)學院，山西太原，030000）

0 引言

伴隨著科學技術的不斷進步，運用在交流電路中的測量技術也越來越先進，特別是在計算機技術的飛速發(fā)展下，自動測量技術出現(xiàn)，并應用越來越廣泛。在電力系統(tǒng)中，交流電路功率的變化和整個電力系統(tǒng)的供電質量有緊密關系。如果交流電路功率因數(shù)出現(xiàn)問題，電壓、電流等都會發(fā)生變化，從而影響發(fā)電設備不能正常使用。因此，對交流電路功率因數(shù)的監(jiān)控非常重要。自動測量技術作為重要技術，可以對交流電路功率因數(shù)變化起到一定作用。為此，文章對基于單片機的交流電路功率因數(shù)自動測量技術相關內容進行了介紹。

1 功率因數(shù)簡介

在電力系統(tǒng)中，功率因數(shù)是一個重要指標。功率因數(shù)的大小反映了供電設備的利用率的高低。當電源電壓U 和負載的有功功率P 一定時，功率因數(shù)越高，供電線路上的電流越小，那么在線路上的損耗也就越小。對穩(wěn)壓設備來說，熱損耗越小，設備的效率和供電可靠比就越高。功率因數(shù)可包括以下幾項內容：

（1）視在功率：單相交流電路端電壓和電流有效值的乘積，記為, 單位伏安（VA）。

（2）功率因數(shù)：單相交流電路有功功率與視在功率的比值，記為 λ=P/S= cosφ（Φ 為單相交流電路端電壓與電流間的相位差角，也稱為功率因數(shù)角）。

（3）有功功率（也稱平均功率）：單相交流電路瞬時功率在一個周期內的平均值，記為P=UIcosφ=URIR，單位瓦特（W）。

（4）無功功率：單相交流電路內儲能元件與電源之間能量交換的最大值，記為Q=UIsin φ ，單位乏 (var)。

之所以需要用以上這些功率來表達單相交流電路，主要是因為在直流電路中，當電路處于穩(wěn)態(tài)時，儲能元件上功率為零（UL=0 或IC=0），電阻上消耗的功率即為電路總的功率；但是單相交流電路中既有電阻性元件消耗能量又有儲能元件與交流電源時刻不停地進行能量交換，導致電源提供的功率被耗能和儲能兩種元件所利用，單一功率不能表達出各功率之間的關系，所以用三種上述功率和功率因數(shù)重點描述單相交流電路的功率。

2 基于單片機的交流電路功率因數(shù)自動測量技術分析

■2.1 測量原理

眾所周知，功率因數(shù)是交流電路中有功功率和視在功率的比值，普通正弦交流電路的功率因數(shù)是電壓和電流之間相位差的余弦， 因此，如果能精確測定相位差，就可以計算出功率因數(shù)。

實驗電路如圖1 中所示，uvui 取自電量隔離傳感器，是負載電壓和電流的同相跟蹤電壓，本實驗使用西南自動化研究所生產(chǎn)的WB201M2 型電量隔離傳感器，對于220V/0.5A的交流輸入，其交流輸出為3.5V的同相跟蹤電壓；R1 和R2 是限流電阻，二極管起到限幅作用，以保證比較器A1，A2 輸入端的電壓不超過0.7V；為確保相位檢測精度，選用高靈敏度差分比較器LM339 做電壓比較，其輸出為TTL 電平，故比較器A3 的輸出端可直接與AT 總線掛接。

圖1 實驗電路原理圖

分析圖1 電路可以得知，當uv 超前于ui 時，電路中相關點波形如圖2 所示，可以看出，uv 與ui 的相位差越大，比較器A3 輸出信號u3 的脈沖寬度t3 越寬；對uv 滯后于ui 的情形，亦有同樣的結論，總之，t3 寬度反映了相位差φ 的大小，測定t3 便可計算相位差 φ= 2 π ×t3/T，T 為交流電周期。

圖2 uv 超前于ui 時各點波形

本實驗利用單片機系統(tǒng)時鐘計時，中斷方式測量脈沖寬度t3，由于單片機設置外部中斷請求為上升沿觸發(fā)，因此，當u3 脈沖上升沿到來時，能通過AT 總線的IRQ10 申請中斷服務，由中斷服務程序將系統(tǒng)時鐘計時值清零；而當u3脈沖下降沿到來時，經(jīng)反相之后，能通IRQ11 過申請中斷服務，由對應的中斷服務程序讀取系統(tǒng)時鐘計時值X，從而得知t3 =X·τ, 功率因數(shù)為：

式子中τ 是系統(tǒng)時鐘的計時單位，其值由單片機系統(tǒng)中定時器通道0 的計數(shù)初值N 決定，有關系 τ=N/1193182秒，單片機系統(tǒng)啟動時，ROM BIOS 設置N =65535，即τ ≈54.9ms，顯然，這不能滿足實驗計時精度要求，本實驗重新設置N =12, 即τ≈10μs，使測φ分辨力達 0.18°。

■2.2 軟硬件設計

（1）系統(tǒng)硬件電路

基于單片機的交流電路功率因數(shù)自動測量系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、輸入模塊、指示模塊組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路組成圖

模塊采用兩個過零電壓比較器實現(xiàn)，由輸入模塊將采集的模擬交流信號轉換成方波信號。采集到的信號周期不變，方波信號的正負值分別代表正弦信號的正半周和負半周，方波信號的上升沿和下降沿分別代表正弦信號的正負過零點。將轉換得到的兩個方波信號分別輸入單片機的兩個外部中斷口。當電壓信號下降沿到來時，計數(shù)器開始計時。當電流信號下降沿到來時，計數(shù)器停止計時。此時定時器的計數(shù)值T 就對應了電壓信號和電流信號的相位差。通過單片機對計數(shù)值T 的處理，就可以得出功率因數(shù)。計算所得的功率因數(shù)由八段數(shù)碼管顯示輸出。由兩個發(fā)光二極管完成負載特性的指示。

本系統(tǒng)中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式，且外部中斷0 優(yōu)先級高于外部中斷1。圖4 為系統(tǒng)中斷響應時序圖，單片機開機后等待外部中斷，當中斷響應時，計數(shù)器T0 開始計數(shù)。當中斷響應后，計數(shù)器T0 停止技術，T0 的計數(shù)值與相位差成正比，單片機處理T0 的計數(shù)值后即可得到交流電的功率因數(shù)。

圖4 系統(tǒng)中斷響應時序圖

（2）系統(tǒng)程序設計

本設計交流電流和電壓信號周期均為0.02s，方波信號周期同樣為0.02s。單片機晶振頻率采用12MHz。每一個機器周期為1μs。當外部中斷1 有效時，計數(shù)器開始計數(shù)，當外部中斷0 有效時，計數(shù)器停止計數(shù)。計數(shù)器計數(shù)時間在0～20ms 之間。由于輸入信號的相位差與計數(shù)器的計數(shù)值成正比，因此可以根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)值計算出輸入信號的相位差，從而計算出功率因數(shù)。當計數(shù)值對應的計數(shù)時間在0～10ms 之間時，電壓信號滯后于電流信號，負載呈容性。當計數(shù)值對應的計數(shù)時間在10～20ms 之間時，電壓信號超前于電流信號，負載呈感性。最終數(shù)據(jù)測量結果如表1 中所示。

表1 功率因數(shù)測試數(shù)據(jù)

■2.3 誤差分析

本方法適用于三相對稱負載的場合。測量中利用單片機的內部特性，用一個定時/計數(shù)器對兩個初相位相同的不同脈寬信號進行同步測量，從而獲得實時的電網(wǎng)頻率和相位差。與將電網(wǎng)周期固定為20ms 來計算功率因數(shù)相比，克服了由于電網(wǎng)頻率波動而引起的誤差，測量誤差的主要來源有兩個：一是定時/計數(shù)器的量化誤差，由于單片機的定時器是以晶振頻率的脈沖數(shù)來量化的，所能分辨的最小時間為一個脈沖間隔，對于50Hz 的交流電T 為20ms，計數(shù)速率為1MHz，量化誤差為1μs，所以所測相差分辨率為0.001/20×360°=0.018°；二是中斷服務從響應到返回的時間小于12μs，所以可以測量的最小相角為0.012/20×360°=0.22°。

3 實驗范例

實驗儀器：自耦調壓器、電量隔離傳感器（WB201M2），日光燈（40W），電容箱（(0 ～10μF 自制），接口板（自制），PC/AT 微機（主頻20MHz）。

實驗結果：在盡可能相同的實驗條件下，采用傳統(tǒng)方法和單片機分別進行測量。結果如表2 所示。

通過分析可以知道，采用單片機測量功率因數(shù)，速度快，精度高，理論分析符合相關要求。因此，該方法可以用于其他需要測定相位差的實驗中，如互感相位差的實驗研究。如果在實驗電路中增加A/D 接口，采集電流、電壓數(shù)據(jù)，則可以實現(xiàn)功率測量。在當前階段，我們把單片機測量法和傳統(tǒng)方法并用，可以使得實驗結果相互印證，也有利于單片機自動測量技術的普及。

4 結語

基于單片機的交流電路功率因數(shù)自動測量技術，速度快，精度高，可以通過采集電流、電壓數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對交流電路功率因數(shù)的自動測量。在當前科學技術越來越高超和普及的情況下，自動測量技術的運用可以及時有效的了解交流電路中功率因數(shù)的變化情況，從而根據(jù)具體需求，對電力系統(tǒng)進行功率補償，使得無功功率、畸變功率減小，電路的有效電流減小。進而使發(fā)、配電設備得到充分利用，同時減小線路及發(fā)、配設備的功率損失，實現(xiàn)電機運行參數(shù)的在線檢測，有效保證電機的正常運行和性能穩(wěn)定。