【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 刻的電壓值與 t時(shí)刻電流值乘積積分的平均值 【 7】 。 例如 :電壓、電流波形如圖 所示， 50Hz 交流電，每個(gè)周期為 20ms， 20ms 對(duì)應(yīng) ?2 。2? 相應(yīng) 5ms，共采樣 20 次。那么利用計(jì)算機(jī)的存貯功能，每次電壓采樣數(shù)值存起來，現(xiàn)在的電流采樣值與前 5ms 電壓采樣值相乘，即無功功率。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?19191100201 tItUtItUtItUP ???? ? (35) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?19141405201 tItUtItUtItUQ ???? ?? ? (36) 功率因數(shù) ?cos 可由 37式求得。 ?????? c o sc o sc o sc o sc o s 22T0)]t(2[T1T0T1P QPSUIdtUIu i d t ??????? ?? (37) 式中： I， i – 正弦電流的有效值和瞬時(shí)值 U， u– 正弦電壓的有效值和瞬時(shí)值 ω – 正弦電壓的角頻率 φ – 電壓、電流的相位差 即功率因數(shù) ?cos 為 22cos QPP??? (38) 10 圖 電流滯后于電壓為 ? 的波形圖 電路總體框圖 通過比較，方案一的硬件電路過于復(fù)雜，在波形嚴(yán)重失真的電力系統(tǒng)或非正弦電路中，由于電壓、電流波形發(fā)生畸變，諧波電壓、電流間也產(chǎn)生無功功率，因此用測(cè)量相位差的方法 無法準(zhǔn)確地測(cè)量功率因數(shù) 。方案二雖然設(shè)計(jì)和軟件處理都比較簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)成本較高。方案三軟件計(jì)算法大大的減少了硬件電路，軟件處理比較靈活，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠、精度高、頻率響應(yīng)快、擴(kuò)展能力強(qiáng)、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，故在本設(shè)計(jì)中選擇方案三軟件計(jì)算法。 本設(shè)計(jì)總體框圖如圖 所示： 11 圖 總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 TI 的高性能 MCU MSP430F149 在此硬件平臺(tái)上來搭建全電子式數(shù)顯 功率因數(shù) 表，電源部分采用的是 以 TOP243YN 為主的開關(guān)電源 ，顯示部分采用的是 LED。 正如 圖 所示，本設(shè)計(jì)通過由開關(guān)電源模塊來為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，單片機(jī)采集鍵盤的按鍵信息，并通過對(duì)相應(yīng)的按鍵進(jìn)行鍵值編碼，通過這些不同的碼可以判斷執(zhí)行什么行為，并經(jīng)過一系列的處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令。 單片機(jī)同時(shí)控制顯示模塊，以友好的方式顯示操作人員要讀取的信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換 。本設(shè)計(jì)的通信是采用的 RS485 通信標(biāo)準(zhǔn)，由于該標(biāo)準(zhǔn)有很好的抗共 模干擾的能力和高速的傳輸速度以及很遠(yuǎn)的傳輸距離。同時(shí)還有 電壓、電流的變送 輸出。 通過通信，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，以及人員對(duì)數(shù)據(jù)分析。 12 第四章 系統(tǒng)硬件電路 按照硬件的功能，本硬件設(shè)計(jì)包括三大模塊。第一個(gè)模塊： 線電壓、線電流的信號(hào)調(diào) 理電路，完成對(duì)三相電壓、電流的處理，便于單片機(jī)的采集，并實(shí)現(xiàn)電壓電流的變送。第二 個(gè) 模塊： 電源電路，完 成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電 。 第三 個(gè) 模塊：顯示電路，完成所需要的功率因數(shù)、線電壓、線電流、頻率等的顯示。 交流采樣的原理 交流 采樣法是按照一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量，它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。是否采用交流采樣法取決于兩個(gè)條件：測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量速度。交流采樣相當(dāng)于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦 曲線，如圖 所示。 圖 交流采樣的原理示意圖 交流采樣的原理誤差主要有兩項(xiàng)：一項(xiàng)是用時(shí)間上離散的數(shù)據(jù)近似代替 時(shí)間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要是由每個(gè)正弦信號(hào)周期中的采樣點(diǎn)數(shù)決定的，實(shí)際上它取決于 DA 轉(zhuǎn)換的速度和 CPU 的處理時(shí)間；另一項(xiàng)是將連續(xù)的電壓和電流進(jìn)行量化而產(chǎn)生的量子化誤差，這主要取決于 DA 轉(zhuǎn)換的位數(shù)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的微型機(jī)、單片機(jī)處理速度大大提高，同時(shí)也出現(xiàn)了種類繁多而且 性價(jià) 比 也 比較好的 高速 DA 轉(zhuǎn)換器，為交流采樣法奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。交流采樣法 包括同步采樣法 、準(zhǔn)同步采樣法 、非同步采樣法 等。 u(t) t 0 u(t) t 0 13 在本次設(shè)計(jì)中， 采用了 同步采樣法，下面對(duì)同步采樣法做以介紹。 同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔 sT 、被測(cè)交流信號(hào)周期 T 及一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) N 之間滿足關(guān)系式 sTNT ?? 。 N 選取越大，越接近理想波形，但實(shí)時(shí)性差，計(jì)算量大。如考慮 15 次諧波能夠再現(xiàn)，根據(jù)采樣定理 N 至少 30 以上，一般選取 32 或 64。同步采樣法又被稱作等間隔整周期采樣或 等周期均勻采樣。同步采樣法需要保證采樣截?cái)鄥^(qū)間正好等于被測(cè)連續(xù)信號(hào)周期的整周期倍。同步采樣法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一是硬件同步采樣法；二是軟件同步采樣法。 1. 硬件同步采樣 硬件同步采樣法在采樣法在采樣計(jì)算法發(fā)展的初期被普遍采用。理論上只能嚴(yán)格滿足 sTNT ?? 且 MN 2? （ M 為被測(cè)信號(hào)最高次諧波次數(shù)），用同步采樣法就不存在測(cè)量方法上的誤差，但實(shí)際上采樣周期與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步有一定的困難。從對(duì)周期信號(hào)的復(fù)原與頻譜分析角度考慮， 當(dāng)采樣頻率和信號(hào)基頻不同步時(shí)，模擬信號(hào)用離散信號(hào)代替會(huì)出現(xiàn)泄露誤差。在對(duì) 某 些 用電系統(tǒng)中包含有多次 諧波分量的電壓和電流周期信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，這是造成誤差的主要來源。因此，常采用鎖相環(huán)來構(gòu)成頻率跟蹤電路實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣。但是，當(dāng)電力系統(tǒng)諧波含量較大時(shí)，會(huì)造成鎖相跟蹤電路不穩(wěn)，甚至造成失步，產(chǎn)生很大測(cè)量誤差。特別是含有偶諧波時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)可能有二次過零。 2. 軟件同步采樣 軟件同步采樣法的一般實(shí)現(xiàn)方法是：首先測(cè)出被測(cè)量信號(hào)的周期 T ，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) N ， NTTs ? 得到采樣間隔，并確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值， 用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。該方法省去了硬件環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于信號(hào)的 頻率是在一定范圍內(nèi)變化，對(duì)其周期 T 不能準(zhǔn)確測(cè)量，按不準(zhǔn)確的周期 T 計(jì)算的采樣間隔進(jìn)行 N 次采樣后，不能與實(shí)際信號(hào)的周期同步，即存在同步誤差 。用軟件方法很難得到理論上的采樣間隔。這是因?yàn)椴?樣間隔由單片機(jī)定時(shí)器控制，受其時(shí)鐘周期 dT 有限的限制，由定時(shí)器給出的采樣間隔與理論計(jì)算所得采樣值比將存在著截?cái)嗾`差，該誤差積累 N 點(diǎn)后，必然引起周期誤差和方法誤差?？梢圆捎貌蓸舆^程中修改定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，動(dòng)態(tài)確定采樣周期，來減少周期誤差，提高準(zhǔn)確度。 綜上所述， 采樣測(cè)量方法幾乎都針對(duì) 的是 穩(wěn)定信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)正弦條件下檢 測(cè) 出的在負(fù)載波動(dòng)大且波形畸變較大時(shí) ，測(cè)量準(zhǔn)確度大大降低。采樣測(cè)量方法實(shí)際上硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，可用軟件完成所有測(cè)量，靈活方 便，準(zhǔn)確度較好，可滿足本次設(shè)計(jì)。 14 電壓、電流調(diào)理電路 電 壓 調(diào)理電路 電壓調(diào)理主要有兩種方法：第一種采用電壓互感器；第二種采用分壓的方法。 電壓互感器的原理如下圖所示： 圖 電壓互感器原理圖 其二次側(cè)的電壓與一次側(cè)的電壓的關(guān)系如下式： 1122 UNNU ? （ 41) 電阻分壓的原理如下圖所示： 圖 分壓原理圖 其中 Ut 是主回路電壓， Uv 是二次回路電壓。 比較這兩種處理電壓的方案，前者可以使二次側(cè)和主回路隔離，但是成本較高，且在 PCB 板上占用的面積較大；后者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單線性度好、成本低，但是不能實(shí)現(xiàn)主回路和二次回路的隔離。 考慮到電路板的面積和成本問題，在調(diào)理電壓時(shí)沒有使用電壓互感器，而是采用了分壓的原理將工頻電壓減小到符合 MSP430F149 可以處理的 信號(hào) 。其原理如 圖 所示： + Uv Ut N2 N1 U1 U2 15 CVA12 31雙二極U1VCCVA82KRA182KRA282KRA3430RVASAVCAVBCVC12 31雙二極U2VC82KRC182KRC282KRC3430RVCSAVAAVB VRVRGNDVCCGND510RVA510RCVF 圖 電阻分壓電路原理 電流調(diào)理電路 電流調(diào)理通常也由兩種方法：第一種采用電流 分流；第二種采用的是電流互感器。 電流分流器的原理如下圖 所示： 圖 電流分流器原理圖 如圖 所示的電流分流器的原理，分流電阻 Rs，當(dāng)大電流 I 流過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的成正比的微弱的電壓 u。該電壓信號(hào)輸入 功率因數(shù) 表的計(jì)量單元。 電流互感器的原理如圖 所示 ： Rs 1 2 3 I u 16 圖 電流互感器原理圖 電流互感器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本相同，其原理 如圖 所示，當(dāng)一次繞組中有電流流 1I 過時(shí)， 由一次繞組的磁勢(shì) 11NI 產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵芯而閉合， 從而在二次繞組中感應(yīng)出磁動(dòng)勢(shì) 2E 。如果二次繞組接有負(fù)載那么二次繞組中就有電流 11NI 流過，二次繞組的磁勢(shì) 22NI 也產(chǎn)生磁通，其絕大部分也通過鐵芯閉合，鐵芯中的磁通是一次、二次繞組磁通合成的，稱為主磁通 。 根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)的平衡原理可以得到 1102211 NININI ?? (42) 式中 110NI — 勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。 忽略鐵芯的損耗，可認(rèn)為 0110 ?NI ，則 2211 NINI ?? （ 43) 這個(gè)是理想電流互感器的一個(gè)重要關(guān)系，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化 得到 1221 // NNIIK ?? (44) 其中 K就是變比。 比較這兩中方案，前者具有較好的線性度和較小的溫度系數(shù)。但是，沒能使主回路和二次回路隔開。而電流互感器，能使主回路和二次回路隔開，實(shí)現(xiàn)互感器二次側(cè)不帶強(qiáng)電，同時(shí)還提高了 數(shù)字式功率因數(shù) 表的抗干擾能力。 綜合本設(shè)計(jì)的需求，為了提高抗干擾的能力，防止二次回路引入強(qiáng)電，本 設(shè)計(jì)中采用了 后一種方法，即采用電流互感器來對(duì)電流進(jìn)行采樣。 為了 保護(hù) 單片機(jī)的 I/O 口 ，采樣信號(hào)端加雙二極管 予以 雙向鉗位 保護(hù)。 其設(shè)計(jì)如圖 所示。 I2 I1 N2 N1 A 17 CIA12 31雙二極U4VCCIA270RIASAIB1AIB2CIC12 31雙二極U9IC270RICSAIA1AIA2 VRVRGNDVCCGND510RA510RBT1TransT2Trans 圖 電流采樣電路 電壓、電流變送電路 變送電路是將 被測(cè)的交流電流或電壓 變換成與之成正比例的適合儀表測(cè)量的直流電流或直流電壓的電路。 由于其輸出是直流模擬量，可以與計(jì)算機(jī)連接，組成自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。 變送電路如圖 所示： Q19013104C1104C5104C6102C3D1LM3851KR15KR71KR61KR2R1150R910KR410KR31KR5R8U1PC817100pFC45VPWMINVinGNDGNDGNDGNDVREFC124VCTRTPWMVREFGNDGNDVinFeedbackGNDCTRT24VQ28550100R14FeedbackC15KR12R10PWMVREF104C2IOE210VCC12DT CON4OUT CON13RT6 IN 215+IN 216+IN 11 IN 12FB3GND7C18E19C211REF OUT14CT5U2TL494CNVREF VREF1234P15V PWMIN12P2Header 2 圖 變送電路 18 在 此 電路中，電壓變送的輸出電壓為（ 0～ 5） V；輸出電流為（ 4～ 20） mA。 TL494 說明如下： TL494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。 TL494 有 SO16和 PDIP16 兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。 圖 TL494內(nèi)部框圖 其主要特性如下： ◆ 主要特征 ◆ 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 ◆ 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。 ◆ 內(nèi)置誤差放大器。 ◆ 內(nèi)止