【正文】 ） 所示 222 QPS ?? (217) 即三 相總 視在 功 率 為 22 QPS ?? (218) 功率因數(shù)的計(jì)算原理 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差 ??? 的余弦 叫做 功率因數(shù) ,用符號(hào) ?cos 表示， 在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即 SP??cos (219) 由上式可以看出，功率因數(shù)最高值為 1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù) 指標(biāo) ，也是衡量電氣設(shè)備效率的一個(gè) 重要參 數(shù)。 線電壓 、線電流 的測(cè)量原理 信號(hào)的有 效值也叫均方根 值 （ RMS），是表示信號(hào)發(fā)送功率的能力，不管什么樣的波形，具有相同 均 方根 值 的信號(hào)發(fā)送到阻性負(fù)載上的功率 是相同的。但隨著電能營(yíng)銷對(duì) 功率因數(shù)測(cè)量 的要求不斷地提高，傳統(tǒng)的感應(yīng)式 功率因數(shù)表受自身結(jié)構(gòu)的限制很難 擴(kuò)展。 方案比較 功率因數(shù) 表的設(shè)計(jì)方案一共有 三種 ： 硬件過(guò)零檢測(cè)法；電能芯片測(cè)量法；軟件計(jì)算法。通過(guò)電壓互感器和電流互感器得到低壓交流信號(hào)，然后通過(guò)整形電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為 TTL 方波脈沖。 兩路信號(hào)的相位差為： ?? 360T kFN360T t ?????? /? 其中，Δ N 為兩路信號(hào)的上升沿分別觸發(fā)計(jì)數(shù)器的差值， Fk 為單片機(jī)時(shí)鐘頻率， T為輸入信號(hào)的周期 。 如圖 所示： M SP 4 3 0 F 1 4 9 單片機(jī) 最小系統(tǒng) 電壓 互感器 電流 互感器 LED 顯示 串口 通訊 信號(hào) 處理 電路 圖 硬件檢測(cè)法 框圖 方案二： 電能測(cè)量芯片型 功率因數(shù) 表 采用 ADE7758 和 TI 的高性能 MCU MSP430F149 在此硬件平臺(tái)上來(lái)搭建全電子式數(shù)顯電測(cè)儀表， 電源部分采用的是正激式變壓器隔離的設(shè)計(jì)方案，顯示部分采用的是 LED 顯 8 示。同時(shí)還有兩路電能脈沖輸出分別為有功電能脈沖輸出和無(wú)功電能脈沖輸出。電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器調(diào)理，直接送入電能測(cè)量芯片，然后由單片機(jī)和電能測(cè)量芯片通信獲得電能信號(hào)、包括有功功率、無(wú)功功率、電壓有效值、電流有效值、頻率等，單片機(jī)通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的計(jì)算可以得到功率因數(shù)，同時(shí)單片機(jī)負(fù)責(zé)顯示各個(gè)電能參數(shù)和電能脈沖的輸出以及與外部的通信。 現(xiàn)在假設(shè)一個(gè)函數(shù) Q(t)，使 ? ? )s in ()2s in ( ???? ??? tItUtQ mm ?????? ????? )22c os ()2c os ( ????? tUI )22c os (s in ???? ????? tUIUI (31) MPS430F149單片機(jī) 顯示模塊 鍵盤(pán) ADE7758 電壓電流調(diào)理電路 電源模塊 Ua Ub Uc Ia Ib Ic 電能脈沖輸出 通信 FM25640 9 用 Q 表示一個(gè)周期積分的平均值，則 dttItUTdttQTQ T T mm? ? ???? 0 0 )s in ()2s in (1)(1 ????=UIsinφ (32) 式 (32)說(shuō)明 Q 就是電壓有效值為 U、電流有效值為 I，兩者相位差為 φ 時(shí)，一個(gè)周期無(wú)功平均功率。 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 。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(lái)，現(xiàn)在的電流采樣值與前 5ms 電壓采樣值相乘，即無(wú)功功率。 ?????? 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(guò)比較，方案一的硬件電路過(guò)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(wú)功功率，因此用測(cè)量相位差的方法 無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量功率因數(shù) 。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。 正如 圖 所示，本設(shè)計(jì)通過(guò)由開(kāi)關(guān)電源模塊來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，單片機(jī)采集鍵盤(pán)的按鍵信息，并通過(guò)對(duì)相應(yīng)的按鍵進(jìn)行鍵值編碼，通過(guò)這些不同的碼可以判斷執(zhí)行什么行為，并經(jīng)過(guò)一系列的處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令。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。 通過(guò)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。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。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。 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)。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。 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 ?? 。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。 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。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。因此，常采用鎖相環(huán)來(lái)構(gòu)成頻率跟蹤電路實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣。特別是含有偶諧波時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)可能有二次過(guò)零。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 。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。 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。 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。 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。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。該電壓信號(hào)輸入 功率因數(shù) 表的計(jì)量單元。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(guò)，二次繞組的磁勢(shì) 22NI 也產(chǎn)生磁通，其絕大部分也通過(guò)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 。 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。但是，沒(méi)能使主回路和二次回路隔開(kāi)。 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(lái)對(duì)電流進(jìn)行采樣。 其設(shè)計(jì)如圖 所示。 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)。 TL494 說(shuō)明如下： TL494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)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(kāi)關(guān)電源。 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。 ◆ 內(nèi)置誤差放大器。 ◆ 可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。 ◆ 推或拉兩種輸出方式。功率輸出管受控于或非門(mén)。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小 。死區(qū)時(shí)間比較器具有 120mV 的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間 （ 約等于鋸 齒波周期的 4%） ，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為 96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為 48%。 圖 TL494工作圖 脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從 變化到 ，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸 入端進(jìn)行 “ 或 ” 運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需 最小 的輸出即可支配控制回路。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。 輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。5% 的精確度?？紤]到系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性， 采用市電進(jìn)行整流 、穩(wěn)壓后得到直流高壓，送入高頻變壓器一次側(cè)，則二次側(cè)輸出低壓，對(duì)其進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、濾波后可得到直流輸出 【 8】 。該電源的電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，成本低。 輸 入 濾波 電 路整 流 濾波 電 路D C D C變 換 器輸 出電 路誤 差 電 壓檢 測(cè) 電 路P W M控 制 器光 電耦 合 器開(kāi) 關(guān) 變 壓 器O U TI N 圖 電源總電路圖 電源模塊的基本原理 基本原理如下： 21 P6KE200AD1Vin VoutGND781892VR1A4C1K3C2DB107U11N4007D244331122扼流 24mHT1HER104D41KV103C3100uFC7100uFC9HER104D5100uFC10100uFC12HER104D6470uFC13470uFC15電感 33uHL1100R410uFC6Vin VoutGND780592VR2A1K2C4E3IC1817b10uFC2NL14K681RK+5VHGND231TL431U2104C14104C11104C8104C16510R110KR3HER104D3HGND100uFC5V1100uFC4510R5V2GNDSGNDLGNDGNDR2V1V2+18VD7S4X3F5L2C1 U3104C5564 512378910T2 圖 電路總原理圖 交流電源經(jīng)過(guò)整流橋 DB107 和電容 C2 整流和濾波后，產(chǎn)生直流高壓 U1 給高頻變壓器一次繞組供電。 D1 采用反向擊穿電壓為 200V的瞬態(tài)電壓抑制器 P6KE200， D2 選用 1A/1000V的超快恢復(fù)二極管 IN4007。 另一路 5V 電壓值是由 TL431 提供穩(wěn)定電壓， R2 和