韓忠杰 王玲芝 陳欣 魯曼君 / .陜西省計量科學研究院；.西安郵電大學

0 引言

功率因數(shù)是電力系統(tǒng)中的重要參數(shù)，是衡量電力系統(tǒng)是否經(jīng)濟運行的一個重要指標，也是供電系統(tǒng)檢測電力系統(tǒng)高質(zhì)量運作的重要參考量。在電力系統(tǒng)管理、運行過程中，對功率因數(shù)進行實時、準確的測量是非常必要的，從而為電網(wǎng)電能質(zhì)量的治理和改善提供了依據(jù)，對進一步確保電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟及穩(wěn)定運行有著重大意義。本文介紹了通過采集交流電流電壓波形之間的相位差來得到電路功率因數(shù)的檢測方法，并對該測量原理作了具體的說明。該方法易于實現(xiàn)，具有測量誤差小、速度快、操作簡便等優(yōu)點。

本設計包含了電壓電流采集整流模塊，相位差檢測模塊、功率因數(shù)計算模塊以及液晶顯示模塊。其中，功率因數(shù)計算模塊為中央處理模塊。

1 系統(tǒng)的設計

由于主要通過測量電壓電流的相位差從而得到功率因數(shù)，所以首先利用電壓互感器和電流互感器獲得電壓較低的交流電流信號，經(jīng)過由OP07、運算放大器LM358 以及74LS04 構成的整形電路，把正弦波信號變換為TTL 方波脈沖。再將兩路TTL 脈沖送入74LS74 雙D 觸發(fā)器，整合得到新的方波，通過計算整合方波的占空比，進而通過單片機換算出相位差。

得到相位差后，功率因數(shù)即為：

式中：Fk—— 單片機時鐘頻率；

N—— 兩路信號整合后方波在一個周期內(nèi)高電平時計數(shù)器的值；

T—— 整合信號的周期

該方案原理容易理解，便于實現(xiàn)，且與已掌握的知識相關度高，結(jié)合緊密。

系統(tǒng)整體模塊如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)模塊

2 硬件設計

為實現(xiàn)相位差的檢測，需要將從電網(wǎng)采集過來的正弦波信號轉(zhuǎn)換成方波信號。電壓電流波形整形模塊主要實現(xiàn)電壓電流采集以及波形轉(zhuǎn)換。通過電壓、電流互感器將來自電網(wǎng)的電壓成比例地減小到適用于OP07 和LM358 的工作電壓范圍內(nèi)，再通過該芯片將正弦波轉(zhuǎn)換成同頻同相的兩路方波信號U，I。二極管IN4018 對電壓電流幅值進行限制。原理圖如圖2 所示。

圖2 電壓電流整形電路

得到方波信號之后，根據(jù)設計方案，使用74LS74 雙D 觸發(fā)器將由LM358 整流的電壓與電流的方波形合并成一個方波，然后經(jīng)過單片機計算。將合成方波在一個周期內(nèi)高電平持續(xù)的時間換算成相位即為相位差。進而得到功率因數(shù)，顯示在液晶1602 上。具體接線圖如圖3 所示。

圖3 整體電路

3 軟件設計

軟件部分設計時采用了模塊化設計的思想，將整體程序化簡為主程序部分、子程序部分，子程序內(nèi)又分為各個功能模塊。由于計算相差是通過合成方波在一個周期內(nèi)高電平時所用時間占整個周期所用時間的比例進行相角換算，所以系統(tǒng)開始初始化，當定時計數(shù)器檢測到第一個上升沿時，開始計時，到下一個下降沿時停止計數(shù)，具體流程圖如圖4 所示。

4 調(diào)試結(jié)果

根據(jù)仿真圖，將實物進行焊接、調(diào)試，被測電路由電阻和電感組成，把該測量裝置加到被測電路中，得到被測電路的頻率為50 Hz，功率因數(shù)為0.99，最終結(jié)果為圖5 所示。

圖4 主程序流程

圖5 調(diào)試結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于AT89C51 單片機，設計了一款簡易方便的功率因數(shù)模擬監(jiān)測裝置。裝置的設計包括四個模塊，分別為電壓電流整流模塊、相位采集模塊、功率因數(shù)測量模塊、液晶顯示模塊。首先通過Protues 和Protel 仿真軟件進行了電路仿真，然后通過調(diào)試，效果良好，說明所設計的模擬裝置可以用來監(jiān)測電網(wǎng)的功率因數(shù)，達到了設計的目的。