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[導(dǎo)讀]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,各種電力開關(guān)器件在工業(yè)現(xiàn)場中得到廣泛使用.使得電網(wǎng)高次諧波污染十分嚴(yán)重.甚至影響到功率因


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,各種電力開關(guān)器件在工業(yè)現(xiàn)場中得到廣泛使用.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)測量儀,采用電流和電壓信號(hào)的門限電壓值的“過零檢測”技術(shù),實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率因數(shù)的測量。該測量儀具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、測量精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),可用于各種電力應(yīng)用場合的功率因數(shù)測量。

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)測量包括交流電壓與電流相位測量和余弦值計(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)于相位測量而言,間接采樣計(jì)算法是一種基于軟件的相位差測量方法,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)換法測量相位。
2.2 工作原理
  圖1為功率因數(shù)測量中的相位-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量精度取決于相位差信號(hào)的高電平寬度的測量。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,可通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償。φo信號(hào)是由單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)計(jì)數(shù)高電平而測量的,其相位差φ為:


式中,△t為高電平寬度。
    由于P89V51RD2單片機(jī)振蕩頻率采用24 MHz,因此△t的測量分辨率可達(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)測量儀電路原理圖,該測量儀由信號(hào)預(yù)處理電路、相位檢測電路、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)換電路除具有無相位偏移的特點(diǎn)外,還具有很高的過零點(diǎn)檢測的穩(wěn)定性和可靠性。
    電流預(yù)處理電路由低通濾波器和過零比較器組成。電力系統(tǒng)中通常有電力設(shè)備開關(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:

 

    電流門限檢測電路由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)通過檢測到P3.7引腳的狀態(tài)為1,才開始功率因數(shù)檢測。圖3中U13和U22分別構(gòu)成兩個(gè)過零比較器,由于比較器采用單5 V供電,滿足TTL電平要求。過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。
3.3 顯示及單片機(jī)小系統(tǒng)電路
  為實(shí)現(xiàn)高精度相位檢測和顯示,采用具有SoftICE和ISP功能的高集成度增強(qiáng)型P89V51RD2單片機(jī)。其電路原理圖如圖4所示。顯示電路由七段碼集成電路74LS47、3-8譯碼器74LS138和6位共陽極七段碼組成。其中:1位(D31)顯示±,1位(D32)顯示0或1和小數(shù)點(diǎn),其余4位(D33)顯示小數(shù)點(diǎn)后的4位有效數(shù)據(jù)。

 

  單片機(jī)小系統(tǒng)除振蕩電路和復(fù)位電路外。還有RS-232通信接口,這是因?yàn)镻89V51RD2單片機(jī)具有SoftICE功能和ISP功能。
  通過FlashMagic軟件可激活P89V51RD2的SoftICE功能,則該單片機(jī)就具有本系統(tǒng)的自調(diào)試功能。通過串口通信電纜將本系統(tǒng)硬件連接到PC,在Vision單片機(jī)軟件集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行程序在線調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)程序調(diào)試完成后,可通過FlashMagic軟件將調(diào)試通過的程序下載到單片機(jī)中,然后,按復(fù)位按鈕或重新上電,系統(tǒng)正常工作。因此,采用P89V51RD2單片機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),無需仿真器和編程器就可完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
  硬件電路為檢測相位角提供高精度脈沖信號(hào)。利用P89V51RD2內(nèi)部的T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器,可精確求出△t值。將定時(shí)器T1設(shè)置成定時(shí)器方式,工作在工作方式1狀態(tài)(即16位計(jì)數(shù)器)。
  選用24 MHz的晶體振蕩器,因此,時(shí)標(biāo)脈沖周期為0.5μs。設(shè)定TR1和GATE1=1,則T1是否計(jì)數(shù)取決于信號(hào):當(dāng)由0→1時(shí),T1開始計(jì)數(shù);當(dāng)由1→0時(shí),T1停止計(jì)數(shù)。
  設(shè)定IE=81H,IT0=1,當(dāng)由1→0時(shí),觸發(fā)中斷,在中斷程序中,首先,關(guān)總中斷,置TR1=0停止計(jì)數(shù),讀取定時(shí)器1的16位計(jì)數(shù)值,其中:高8位在TH1中,低8位在TL1中;然后,置定時(shí)器1的16位計(jì)數(shù)值為O;最后,開總中斷,置TR1=1定時(shí)器1準(zhǔn)備計(jì)數(shù)。因此,只要將△t信號(hào)施加至和上,就可求出以μs為單位△t的數(shù)值,即:



  采用這種方法測量△t,分辨力和最大絕對(duì)誤差均為0.5μs。系統(tǒng)軟件程序流程如圖5所示。電流信號(hào)預(yù)處理電路具有一定時(shí)間延遲,雖然其在被測相位上造成誤差,但由于延遲時(shí)間固定,因此,只需由單片機(jī)讀出相位值放入內(nèi)存,采用軟件修正測量結(jié)果,就可消除由此造成的通道相位誤差,提高相位差的測量精度。

 


  為避免隨機(jī)干擾和測量結(jié)果的不穩(wěn)定,提高相位測量精度,采用相位差中值濾波測量法:首先,采用排序技術(shù)對(duì)N個(gè)測量值進(jìn)行冒泡排序排序,然后,取中間(N-2)個(gè)測量值,求平均值作為相位差值。
  采用這種方法能夠很好地提高測量儀的抗干擾能力問題。

5 測試結(jié)果
  功率因數(shù)測量儀的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)相位的精確測量。在完成硬件電路設(shè)計(jì)后.采用數(shù)字示波表測試相位檢測電路中的電壓和電流信號(hào),測試結(jié)果如圖6所示。

 

  通過對(duì)測試電壓和電流波形的分析可知:當(dāng)電流信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重畸變時(shí),系統(tǒng)硬件能夠很好地進(jìn)行濾波整形,進(jìn)而保證相位檢測的精確度和準(zhǔn)確度。由于在系統(tǒng)軟件中采用中值濾波技術(shù),因此,在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際測試時(shí),測量結(jié)果具有很高的穩(wěn)定性和測量精度。

6 結(jié)束語
  基于P89V51RD2單片機(jī)的高性能功率因數(shù)測量儀,采用了改進(jìn)的電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)和具有SoftICE和ISP功能的高集成度增強(qiáng)型P89V51RD2單片機(jī).降低了系統(tǒng)開發(fā)成本,加速開發(fā)進(jìn)程。整個(gè)系統(tǒng)除具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、測量穩(wěn)定和可靠外,還具有在系統(tǒng)調(diào)試和在線軟件升級(jí)功能。本功率因數(shù)測量儀既可廣泛應(yīng)用于電力供、配電系統(tǒng)中要求實(shí)時(shí)檢測功率因數(shù)的部門,又可應(yīng)用于生產(chǎn)、科研等需要對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的場合。



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