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1 引言
功率因數(shù)是電力供電系統(tǒng)重要參數(shù)之一，將直接影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力開(kāi)關(guān)器件在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中得到廣泛使用．使得電網(wǎng)高次諧波污染十分嚴(yán)重．甚至影響到功率因數(shù)的測(cè)量。
這里介紹一種以P89V51RD2型單片機(jī)為控制核心的功率因數(shù)測(cè)量?jī)x，采用電流和電壓信號(hào)的門(mén)限電壓值的“過(guò)零檢測(cè)”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率因數(shù)的測(cè)量。該測(cè)量?jī)x具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、測(cè)量精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于各種電力應(yīng)用場(chǎng)合的功率因數(shù)測(cè)量。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)
功率因數(shù)是交流電路中電壓與電流之間的相位差φ的余弦。功率因數(shù)測(cè)量包括交流電壓與電流相位測(cè)量和余弦值計(jì)算兩部分，前者主要有直接相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法和間接采樣計(jì)算法；而后者則采用查表法和小數(shù)補(bǔ)償算法。
對(duì)于相位測(cè)量而言，間接采樣計(jì)算法是一種基于軟件的相位差測(cè)量方法，采樣保持放大器和A／D轉(zhuǎn)換器作為模擬前端，在微處理器控制下，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行快速采樣，按照一定的數(shù)據(jù)計(jì)算方法，計(jì)算隱含在離散的采樣數(shù)據(jù)中的相位關(guān)系。但這種計(jì)算方法對(duì)微處理器和A／D轉(zhuǎn)換器性能要求較高，軟件設(shè)計(jì)較復(fù)雜，僅適用于精度要求較低的應(yīng)用場(chǎng)合中。而直接相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法是一種基于硬件的相位差測(cè)量方法，把兩個(gè)具有一定相位差的正弦信號(hào)正向(或負(fù)向)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻相比較，兩者的時(shí)間間隔(或脈沖寬度)表示其相位差。相位的直接相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法原理經(jīng)典，硬件實(shí)現(xiàn)容易，且電路抗干擾能力和穩(wěn)定性更高，故選用直接相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法測(cè)量相位。
2．2 工作原理
圖1為功率因數(shù)測(cè)量中的相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法的結(jié)構(gòu)框圖。
由于電力系統(tǒng)中工頻周期為20 ms，因此，電壓與電流的相位差測(cè)量精度取決于相位差信號(hào)的高電平寬度的測(cè)量。相位差為φ的電壓和電流信號(hào)Ui和Ii分別經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。再經(jīng)相應(yīng)過(guò)零比較器變成方波，最后經(jīng)相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路得到與相位成比例的高電平方波。圖2給出圖1中各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形。
相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法所得φo與實(shí)際相位有一定的相位差，這是由低通濾波器引起的，可通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。
由于P89V51RD2單片機(jī)振蕩頻率采用24 MHz，因此△t的測(cè)量分辨率可達(dá)0.5μs，因此相位精度可達(dá)0.018°，具有較高的相位測(cè)量精度。
余弦值的計(jì)算采用查表和小數(shù)補(bǔ)償算法。首先對(duì)計(jì)算出的相位整數(shù)度查表，求得當(dāng)前值和下一整數(shù)值的余弦值；然后，計(jì)算小數(shù)部分余弦值的增量值為兩整數(shù)余弦值之差乘以小數(shù)部分，最后，將當(dāng)前值的整數(shù)相位余弦值加上小數(shù)值進(jìn)行校正補(bǔ)償。這樣就可得到精度較高的功率因數(shù)。
3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及其工作原理
圖3為基于P89V51RD2單片機(jī)的功率因數(shù)測(cè)量?jī)x電路原理圖，該測(cè)量?jī)x由信號(hào)預(yù)處理電路、相位檢測(cè)電路、電源、顯示和單片機(jī)小系統(tǒng)等模塊組成。圖3中的Ui、Ii、Uo、Io和φo各節(jié)點(diǎn)與圖1中的各點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。
3．1 信號(hào)預(yù)處理電路
電壓預(yù)處理電路由電壓轉(zhuǎn)換電路和過(guò)零比較器組成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用隔離變壓器進(jìn)行電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換會(huì)造成相位偏移，且相位偏移不夠穩(wěn)定。因此，電壓轉(zhuǎn)換電路采用光電隔離器構(gòu)成，由于發(fā)光管發(fā)光具有一定的滯后特性，因此由光電隔離器構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路除具有無(wú)相位偏移的特點(diǎn)外，還具有很高的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性。
電流預(yù)處理電路由低通濾波器和過(guò)零比較器組成。電力系統(tǒng)中通常有電力設(shè)備開(kāi)關(guān)和控制造成的突發(fā)脈沖、高次諧波和噪聲等因素的干擾，這些干擾頻率通常高于工頻，且主要體現(xiàn)在電流中。為了濾除或降低干擾，在電流預(yù)處理電路中設(shè)置由U21構(gòu)成的二階Butterworth低通濾波器。其傳遞函數(shù)為：
式中，ωo為電路固有角頻率，即低通濾波器的截止頻率；ζ為電路阻尼系數(shù)。
當(dāng)R21=R22=R，C11=C21=C時(shí)，為電路最佳阻尼系數(shù)，此時(shí)，低通濾波器的截止頻率為：
電流門(mén)限檢測(cè)電路由VD31和C31構(gòu)成的半橋?yàn)V波器和比較器U31構(gòu)成，只有當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí)，比較器輸出為高電平。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)到P3．7引腳的狀態(tài)為1，才開(kāi)始功率因數(shù)檢測(cè)。圖3中U13和U22分別構(gòu)成兩個(gè)過(guò)零比較器，由于比較器采用單5 V供電，滿足TTL電平要求。過(guò)零比較器輸出端的是與輸入信號(hào)頻率相同的方波。
3．2 相位檢測(cè)電路
由于電力系統(tǒng)中電壓與電流的相位差大于-90°，且小于90°。因此，可直接對(duì)電壓信號(hào)預(yù)處理輸出的方波信號(hào)和電流信號(hào)預(yù)處理的方波信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算。得到一串脈寬與相位成正比的脈沖波。
