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基于電壓與電流中心測量功率因數(shù)方法的研究

2016-05-30 03:45梁偉鄯白云梁喜幸
教育界·下旬 2016年1期
關(guān)鍵詞:測量方法功率因數(shù)

梁偉鄯 白云 梁喜幸

【摘 要】在單相橋式整流濾波電路的功率因數(shù)測量中,使用電壓、電流的相位差來計(jì)算功率因數(shù),實(shí)際上電壓、電流的波形通過橋式整流濾波電路后并不是完整的正弦波,計(jì)算出來的功率因數(shù)存在誤差。本文介紹一種基于電壓與電流中心測量功率因數(shù)的測量方法,即使電壓、電流波形畸形,零點(diǎn)到電壓、電流中心的位置是始終不變的。

【關(guān)鍵詞】功率因數(shù) 電壓電流中心 測量方法 整流濾波

一、引言

隨著理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,人們對電氣設(shè)備使用交流電源的效果更加關(guān)注,為了表征交流電源的利用率,在電工學(xué)中引入了功率因數(shù)PF(Power Factor)這個術(shù)語。目前,眾多產(chǎn)品的電源模塊使用橋式整流濾波電路,雖然交流輸入電壓基本上未出現(xiàn)波形失真,但是隨著接入負(fù)載,電流的波形卻不能保持正弦波形,而是呈現(xiàn)不連續(xù)的峰值較高的脈沖。電壓、電流的波形再經(jīng)過零比較器轉(zhuǎn)成一定幅值的方波,但實(shí)際上電流方波在一個周期內(nèi)出現(xiàn)了多次的波形畸形,導(dǎo)致在測量電壓、電流的波形之間的相位差存在較大的誤差。所以本文著重介紹基于電壓、電流中心測量功率因數(shù)的方法。

二、傳統(tǒng)測量方法的缺點(diǎn)

橋式整流濾波電路,在實(shí)際應(yīng)用中電路圖如圖1所示。

圖1橋式整流濾波電路

在分析橋式整流濾波電路,由于二極管在正向?qū)▔航担妷旱恼胫艿臅r(shí)候,電流在電壓大于0.7V才形成波形。

橋式整流濾波電路在帶上負(fù)載的電壓、電流波形如圖2所示。

圖2電壓、電流波形

從上圖的波形圖可以看出,波形較為正弦波的為電壓通過橋式整流濾波電路后的波形,波形出現(xiàn)上下尖峰脈沖的為電流通過橋式整流濾波電路后的波形,其中電壓的波形幅值略小于電流波形幅值,通過調(diào)節(jié)后級波形整形電路可實(shí)現(xiàn)電壓、電流波形的幅值相等。

但是進(jìn)入單片機(jī)IO口的波形需要再經(jīng)過由運(yùn)放組成的整形電路,通過運(yùn)放構(gòu)成的電路不僅只實(shí)現(xiàn)波形的整形,而且還需電平匹配轉(zhuǎn)換。本文中使用到的單片機(jī)是STC12C5A60S2,工作電壓為+5V,則波形轉(zhuǎn)化輸出后波形的峰峰值為5V。電壓、電流波形整形后如圖3所示。

圖3 電壓、電流波形整形

從圖3可以看出:

占空比為50%的方波——電壓波形。

高電平期間多出一個小方波——電流波形。

使用測量電壓、電流的相位角,進(jìn)而通過相位角計(jì)算功率因數(shù)。測量電壓、電流的相位角,可以通過測量電壓、電流的上升沿或者下降沿之間的時(shí)間差值,從而計(jì)算出相位角度¥。因?yàn)殡娏鞯牟ㄐ卧诟唠娖狡陂g多出一個小方波,導(dǎo)致測量電壓、電流下降沿之間的時(shí)間存在很大的測量誤差,測量的誤差為小方波的周期時(shí)間。

所以這并不是我們都期望得到的測量值,實(shí)際上期望所得到的理想波形如圖4所示。

圖4 電壓、電流理想波形

對比圖3、圖4可知,圖4的理想波形通過微處理器計(jì)算電壓、電流的兩個下降沿的時(shí)間t,整個波形的周期為T=50ms,一個周期內(nèi)為2π,通過公式計(jì)算出相位差¥,在計(jì)算相位差的余弦函數(shù),即可得到功率因數(shù)。但實(shí)際上并不是這樣,從圖3分析可以得出電壓的一個正半周的時(shí)間電流波形出現(xiàn)了兩次下降沿的跳變,所以實(shí)際測量的功率因數(shù)存在較大的誤差。

三、電壓、電流中心測量方法

通過如上的分析可以得知,電流的波形不是完整的正弦波,所以導(dǎo)致測量的誤差。在通過波形的整形電路,將電壓、電流中心波形如圖5所示。

圖5 電壓、電流中心波形

從圖中可以得出,功率因數(shù)的變化直接最直觀的表現(xiàn)就是電流的低電平的寬度的變寬。將單個下降沿的波形進(jìn)行放大,詳情地分析電壓、電流測量方法。電壓、電流中心測量方法圖6所示。

圖6 電壓、電流中心測量方法

電壓、電流中心測量方法也是基于測量電壓、電流的相位角,電壓、電流相位時(shí)間差值,比上一種測量方式更加精準(zhǔn)。電壓、電流的中心是固定不變的,其從零點(diǎn)到電壓、電流中心的時(shí)間是電壓或者電流周期的四分之一,時(shí)間為5ms,從而只需要測量電流低電平的寬度,即可計(jì)算出電壓、電流的相位時(shí)間差值。如測量出電流的低電平寬度為t,相位時(shí)間差值為ΔT=T/4-t/2。

功率因數(shù)是交流電路中電壓與電流之間的相位差的余弦。由于已知交流電頻率f和周期T,因此功率因數(shù)可以根據(jù)電壓與電流之間相位差對應(yīng)的時(shí)間差t計(jì)算求得。其計(jì)算公式為:

周期 (1)

相位差 (2)

功率因數(shù) = (3)

四、結(jié)語

本文闡述了一種基于電壓與電流中心測量功率因數(shù)的檢測方法,從實(shí)際理論分析,根據(jù)實(shí)際的電路得出的波形圖,進(jìn)行詳細(xì)的分析、研究,最終得到完整理想的電壓、電流中心波形圖,證實(shí)基于電壓與電流中心測量功率因數(shù)的檢測方法是可行的,為嵌入系統(tǒng)計(jì)算提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

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