基于单片机的交流电路功率因数自动测量技术

冯枫

（山西工程职业学院，山西太原，030000）

0 引言

伴随着科学技术的不断进步，运用在交流电路中的测量技术也越来越先进，特别是在计算机技术的飞速发展下，自动测量技术出现，并应用越来越广泛。在电力系统中，交流电路功率的变化和整个电力系统的供电质量有紧密关系。如果交流电路功率因数出现问题，电压、电流等都会发生变化，从而影响发电设备不能正常使用。因此，对交流电路功率因数的监控非常重要。自动测量技术作为重要技术，可以对交流电路功率因数变化起到一定作用。为此，文章对基于单片机的交流电路功率因数自动测量技术相关内容进行了介绍。

1 功率因数简介

在电力系统中，功率因数是一个重要指标。功率因数的大小反映了供电设备的利用率的高低。当电源电压U 和负载的有功功率P 一定时，功率因数越高，供电线路上的电流越小，那么在线路上的损耗也就越小。对稳压设备来说，热损耗越小，设备的效率和供电可靠比就越高。功率因数可包括以下几项内容：

（1）视在功率：单相交流电路端电压和电流有效值的乘积，记为, 单位伏安（VA）。

（2）功率因数：单相交流电路有功功率与视在功率的比值，记为 λ=P/S= cosφ（Φ 为单相交流电路端电压与电流间的相位差角，也称为功率因数角）。

（3）有功功率（也称平均功率）：单相交流电路瞬时功率在一个周期内的平均值，记为P=UIcosφ=URIR，单位瓦特（W）。

（4）无功功率：单相交流电路内储能元件与电源之间能量交换的最大值，记为Q=UIsin φ ，单位乏 (var)。

之所以需要用以上这些功率来表达单相交流电路，主要是因为在直流电路中，当电路处于稳态时，储能元件上功率为零（UL=0 或IC=0），电阻上消耗的功率即为电路总的功率；但是单相交流电路中既有电阻性元件消耗能量又有储能元件与交流电源时刻不停地进行能量交换，导致电源提供的功率被耗能和储能两种元件所利用，单一功率不能表达出各功率之间的关系，所以用三种上述功率和功率因数重点描述单相交流电路的功率。

2 基于单片机的交流电路功率因数自动测量技术分析

■2.1 测量原理

众所周知，功率因数是交流电路中有功功率和视在功率的比值，普通正弦交流电路的功率因数是电压和电流之间相位差的余弦， 因此，如果能精确测定相位差，就可以计算出功率因数。

实验电路如图1 中所示，uvui 取自电量隔离传感器，是负载电压和电流的同相跟踪电压，本实验使用西南自动化研究所生产的WB201M2 型电量隔离传感器，对于220V/0.5A的交流输入，其交流输出为3.5V的同相跟踪电压；R1 和R2 是限流电阻，二极管起到限幅作用，以保证比较器A1，A2 输入端的电压不超过0.7V；为确保相位检测精度，选用高灵敏度差分比较器LM339 做电压比较，其输出为TTL 电平，故比较器A3 的输出端可直接与AT 总线挂接。

图1 实验电路原理图

分析图1 电路可以得知，当uv 超前于ui 时，电路中相关点波形如图2 所示，可以看出，uv 与ui 的相位差越大，比较器A3 输出信号u3 的脉冲宽度t3 越宽；对uv 滞后于ui 的情形，亦有同样的结论，总之，t3 宽度反映了相位差φ 的大小，测定t3 便可计算相位差 φ= 2 π ×t3/T，T 为交流电周期。

图2 uv 超前于ui 时各点波形

本实验利用单片机系统时钟计时，中断方式测量脉冲宽度t3，由于单片机设置外部中断请求为上升沿触发，因此，当u3 脉冲上升沿到来时，能通过AT 总线的IRQ10 申请中断服务，由中断服务程序将系统时钟计时值清零；而当u3脉冲下降沿到来时，经反相之后，能通IRQ11 过申请中断服务，由对应的中断服务程序读取系统时钟计时值X，从而得知t3 =X·τ, 功率因数为：

式子中τ 是系统时钟的计时单位，其值由单片机系统中定时器通道0 的计数初值N 决定，有关系 τ=N/1193182秒，单片机系统启动时，ROM BIOS 设置N =65535，即τ ≈54.9ms，显然，这不能满足实验计时精度要求，本实验重新设置N =12, 即τ≈10μs，使测φ分辨力达 0.18°。

■2.2 软硬件设计

（1）系统硬件电路

基于单片机的交流电路功率因数自动测量系统主要由单片机最小系统模块、输入模块、指示模块组成，如图3所示。

图3 系统硬件电路组成图

模块采用两个过零电压比较器实现，由输入模块将采集的模拟交流信号转换成方波信号。采集到的信号周期不变，方波信号的正负值分别代表正弦信号的正半周和负半周，方波信号的上升沿和下降沿分别代表正弦信号的正负过零点。将转换得到的两个方波信号分别输入单片机的两个外部中断口。当电压信号下降沿到来时，计数器开始计时。当电流信号下降沿到来时，计数器停止计时。此时定时器的计数值T 就对应了电压信号和电流信号的相位差。通过单片机对计数值T 的处理，就可以得出功率因数。计算所得的功率因数由八段数码管显示输出。由两个发光二极管完成负载特性的指示。

本系统中断触发方式为脉冲下降沿触发方式，且外部中断0 优先级高于外部中断1。图4 为系统中断响应时序图，单片机开机后等待外部中断，当中断响应时，计数器T0 开始计数。当中断响应后，计数器T0 停止技术，T0 的计数值与相位差成正比，单片机处理T0 的计数值后即可得到交流电的功率因数。

图4 系统中断响应时序图

（2）系统程序设计

本设计交流电流和电压信号周期均为0.02s，方波信号周期同样为0.02s。单片机晶振频率采用12MHz。每一个机器周期为1μs。当外部中断1 有效时，计数器开始计数，当外部中断0 有效时，计数器停止计数。计数器计数时间在0～20ms 之间。由于输入信号的相位差与计数器的计数值成正比，因此可以根据计数器的计数值计算出输入信号的相位差，从而计算出功率因数。当计数值对应的计数时间在0～10ms 之间时，电压信号滞后于电流信号，负载呈容性。当计数值对应的计数时间在10～20ms 之间时，电压信号超前于电流信号，负载呈感性。最终数据测量结果如表1 中所示。

表1 功率因数测试数据

■2.3 误差分析

本方法适用于三相对称负载的场合。测量中利用单片机的内部特性，用一个定时/计数器对两个初相位相同的不同脉宽信号进行同步测量，从而获得实时的电网频率和相位差。与将电网周期固定为20ms 来计算功率因数相比，克服了由于电网频率波动而引起的误差，测量误差的主要来源有两个：一是定时/计数器的量化误差，由于单片机的定时器是以晶振频率的脉冲数来量化的，所能分辨的最小时间为一个脉冲间隔，对于50Hz 的交流电T 为20ms，计数速率为1MHz，量化误差为1μs，所以所测相差分辨率为0.001/20×360°=0.018°；二是中断服务从响应到返回的时间小于12μs，所以可以测量的最小相角为0.012/20×360°=0.22°。

3 实验范例

实验仪器：自耦调压器、电量隔离传感器（WB201M2），日光灯（40W），电容箱（(0 ～10μF 自制），接口板（自制），PC/AT 微机（主频20MHz）。

实验结果：在尽可能相同的实验条件下，采用传统方法和单片机分别进行测量。结果如表2 所示。

通过分析可以知道，采用单片机测量功率因数，速度快，精度高，理论分析符合相关要求。因此，该方法可以用于其他需要测定相位差的实验中，如互感相位差的实验研究。如果在实验电路中增加A/D 接口，采集电流、电压数据，则可以实现功率测量。在当前阶段，我们把单片机测量法和传统方法并用，可以使得实验结果相互印证，也有利于单片机自动测量技术的普及。

4 结语

基于单片机的交流电路功率因数自动测量技术，速度快，精度高，可以通过采集电流、电压数据，实现对交流电路功率因数的自动测量。在当前科学技术越来越高超和普及的情况下，自动测量技术的运用可以及时有效的了解交流电路中功率因数的变化情况，从而根据具体需求，对电力系统进行功率补偿，使得无功功率、畸变功率减小，电路的有效电流减小。进而使发、配电设备得到充分利用，同时减小线路及发、配设备的功率损失，实现电机运行参数的在线检测，有效保证电机的正常运行和性能稳定。