楊狄賽，童向亞

（福建農林大學 機電工程學院，福建 福州 350002）

隨著能源技術的發(fā)展，可通過發(fā)電機轉化為電能的一次能源種類不斷豐富.從火力發(fā)電、水力發(fā)電及至風能發(fā)電、光能發(fā)電與生物能源發(fā)電技術發(fā)展.在不同能源的發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機的工作環(huán)境都有顯著差異，利用傳統(tǒng)的儀器儀表方法對發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)測量已不能滿足要求，也難以應用于復雜的工作環(huán)境中.微控制器的發(fā)展為新的測量手段提供了可能.應用單片機與上位機組成測量核心的功率因數(shù)測量系統(tǒng)，可用于各種電力應用場合的功率因數(shù)測量，具有廣泛的發(fā)展前景.

1 功率因數(shù)測量系統(tǒng)原理

1.1 功率因數(shù)測量原理

在實際的用電系統(tǒng)中，由于接入的負載類型不同，在一定的視在功率S=UI下，電路的有功功率P=Scosφz存在差異.其中 Scosφz定義為功率因數(shù).當功率因數(shù)Scosφz=1時，系統(tǒng)的用電效率最高.根據(jù)系統(tǒng)中負載的三種主要類型所對應的功率因數(shù)角的不同，可以分為如下三種情況：

表1 三種負載情形下功率因數(shù)角與功率因數(shù)

其中φz可以通過計算交流電電壓、電流的相位差得到[1].在三相系統(tǒng)平衡的情形下，三相交流電機可以輸出3個同頻的、相位依次滯后120°的等幅值正弦電源.對于其中任意的單相電源的功率因數(shù)測量，多采用測量其電流與電壓的相位差φz后，通過公式計算得到功率因數(shù)的值.

依據(jù)上述原理可進行功率因數(shù)測量系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計.

1.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)中，發(fā)電機電路的電壓、電流通過互感器轉變?yōu)橄辔?、頻率不變且幅值較低的電壓信號并分別送入輸出限幅的電壓比較器，從而得到單片機能夠檢測的方波信號.單片機通過對輸入信號相位的分析，得到相位差值φz后，一方面通過RS232串口通訊與PC上位機建立連接，并將數(shù)據(jù)傳送至上位機，另外通過顯示電路將測量到的數(shù)值顯示出來，使觀測者能夠更加直觀的對系統(tǒng)功率因數(shù)進行監(jiān)測.整個系統(tǒng)的工作過程[2]如圖2所示.

圖2 測量系統(tǒng)硬件結構框圖

2 硬件設計

硬件部分主要實現(xiàn)電壓、電流信號的轉換及整形，即由物理信號到數(shù)字信號的變換.經互感器、采樣電阻得到的電信號，雖然電壓幅值被降低至基本滿足測量系統(tǒng)的輸入要求，但本質上仍然是正弦信號.本系統(tǒng)采用由運算放大器、穩(wěn)壓管組成的輸出限幅比較器，將正弦信號經過一定處理轉化為能夠被單片機識別的方波信號[3].信號由正向輸入端輸入，由于放大器工作于開環(huán)，其輸出電壓為：

式中，A為放大器開環(huán)電壓增益，Vi-為負向輸入電壓.

當信號為正電壓時，高增益使得輸出端輸出正向飽和電壓，并由穩(wěn)壓管將電壓限制于3.3V附近.當信號由負電壓接近0V并逐漸升高至正電壓時，此時輸出端會產生躍變并輸出-3.3V.

圖3 過零比較電路

圖4 整形電路

將得到的方波信號送入電壓加法器，用一定值的偏置電壓將方波變?yōu)?～5V的方波信號.方波信號通過對三極管基極的控制可以在靠近集電極的輸出端輸出邊沿相對陡峭的方波.原理圖中串聯(lián)的兩個非門一方面可以提高電路的驅動能力，另一方面也起到了整形電路的作用.本硬件系統(tǒng)中，三極管電路部分也可以用光電耦合器代替，減少電路之間的干擾.

3 軟件設計

3.1 測量方法的選擇

測量系統(tǒng)中，單片機作為發(fā)電機與上位機的過渡單元，需同時完成對信號相位的比較及通訊功能.單片機響應外部信息的方式主要有兩種：中斷方式與查詢方式[4].

在中斷方式中，電壓、電流方波信號分別接在單片機的外部中斷INT0、INT1引腳.當選擇下降沿觸發(fā)中斷的方式時，單片機在INT0引腳檢測到某一時刻的方波下降沿將自動轉入中斷打開定時器T2開始計時，INT1引腳下降沿到來后立刻記錄T2的值，即為相位差的時間tφ，當INT0引腳再次檢測到下降沿時所記錄的時間即為正弦波的周期時間T.即可由公式

得到功率因數(shù)角.

在查詢方式中，單片機按照一定的時間間隔反復查詢輸入信號引腳，若發(fā)現(xiàn)信號躍變則按上述順序分別記錄相位差的時間tφ及正弦波的周期時間T.

3.2 測量方法的誤差分析

兩種測量方式在相位差時間記錄上都存在一定誤差.中斷方式中，單片機檢測到下降沿到轉入中斷子程序前需要等待當前執(zhí)行的指令結束，由于中斷發(fā)生的時間相對于主程序而言不是固定的，因此當前指令的執(zhí)行時間也不確定，由此會產生最多約3個機器周期的時間延遲.

圖5 查詢法誤差

查詢方式中，若前一次檢測過后，單片機引腳立刻發(fā)生了躍變，則需要再等待te≤Tp方可檢測信號的跳變.一般而言，采用中斷方式時，單片機要求方波信號的變化沿至多在1個機器周期內完成才能被單片機的外部中斷引腳接受，這就要在電路中加設觸發(fā)器及整形電路才能滿足要求.而查詢方式對變化沿的要求并不嚴格，只需將Tp設置為接近或大于變化沿的時間即可.在本系統(tǒng)中，方波變化沿的時間約為0.1ms，采用查詢方式.誤差約是中斷方式的30倍，在硬件系統(tǒng)中簡化了硬件，一定程度上減少了硬件的不可靠性對系統(tǒng)的影響，可用于非精密測量場合.

3.3 程序設計

圖6 控制系統(tǒng)流程框圖

測試系統(tǒng)為多任務系統(tǒng)，通過計時器T0，設置一系列時間標志位，當?shù)竭_給定時間時通過定時器中斷將標志位置1，主程序輪詢每一個標志位，當查到標志位為1時執(zhí)行相應任務[5].

系統(tǒng)中并未采用查表[6]的方式來計算功率因數(shù)cosφz的值，而是將計算任務分配給上位計算機處理.這樣做可以避免因查表算法帶來的誤差，也可以避免單片機由于分配任務過多而造成的系統(tǒng)誤差.

3.4 功率因數(shù)角的計算

通過分析，已知所測系統(tǒng)的功率因數(shù)狀態(tài)只可能有三種情況：純阻性、感性、容性.通過以上算法算出的φz在容性電路時將測得270°≤φz<360°因此需要進行φz-360°換算.為了使測量更加準確，將多次測量的相位差、周期取平均值后再得出φz的值.

3.5 上位機通訊系統(tǒng)

單片機通過RS232串口與計算機進行數(shù)據(jù)通訊.本系統(tǒng)采用VB6.0編寫上位機軟件，通過MSComm控件與單片機串口建立連接[7].點擊“相位檢測”按鈕后，上位機以一定時間間隔向單片機發(fā)送控制信號.當單片機查詢到相應的控制信號后，將返回φz的值.同時判斷電機負載的性質.“功率因數(shù)”按鈕用于上位機將根據(jù)返回值計算cosφz.

圖7 上位機軟件界面

4 仿真結果分析

圖8 硬件電路仿真（顯示部分）

根據(jù)上述系統(tǒng)結構，在Proteus仿真軟件中構造實驗原理圖.用Keilc編寫單片機程序，仿真實驗中需要單片機與上位機實現(xiàn)串口通訊，用虛擬串口軟件構造一對邏輯上連接的串口，并為發(fā)電機設置三路不同的負載，切換負載時，示波器上電流與電壓的相位發(fā)生改變.同時，負載的改變造成相位變化的信息通過單片機反映到上位機軟件并通過數(shù)碼管顯示出來.

通過仿真，發(fā)現(xiàn)在發(fā)電機系統(tǒng)接入純阻性負載時，依然會有一定的相位差出現(xiàn).造成這種情況的原因：一方面，由于單片機是按順序查詢電流、電壓信號再進行處理，程序按照既定順序執(zhí)行時，會造成一定的時差.另一方面，電流、電壓從發(fā)電機中引出到產生信號的硬件電路是不同的，電路結構的差異會產生不同的延時.

仿真模擬實驗中，這一誤差是比較穩(wěn)定，不隨時間有大的變動.因此，消除這一誤差的方法，可以通過軟件系統(tǒng)的改進來實現(xiàn).在系統(tǒng)中加入補償時間，使得在純阻性負載時相位差基本為0，其他負載的情況下也加入相同的補償值即可.

5 結束語

本文提出了一種基于AT89C52單片機的發(fā)電機功率因數(shù)測量方法.通過對發(fā)電機電壓、電流相位的測量反映出其功率因數(shù)值，并上傳至上位機，從而實現(xiàn)發(fā)電機功率因數(shù)的實時監(jiān)測.通過keilc軟件與Proteus硬件仿真與VB上位機通訊驗證了本系統(tǒng)的可行性.本系統(tǒng)有以下特點：具有數(shù)據(jù)通訊功能，在一定距離范圍內可實現(xiàn)遠距離功率因數(shù)測量.硬件電路較簡單，沒有采用過多的抗干擾電路，主要通過軟件算法來減少干擾.本系統(tǒng)還需要通過實際應用的進一步檢驗發(fā)現(xiàn)問題.

〔1〕馮文仙.基于單片機的功率因數(shù)檢測裝置的開發(fā)[J].通信電源技術,2011,28(6):64-65.

〔2〕汪建,代仕勇,章育群.發(fā)電機功角的微機測量系統(tǒng)[J].儀器與儀表,2001（4）:17-18.

〔3〕邱昌軍.單片機在功率因數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].煤炭技術,2009（8）:31-32.

〔4〕劉孝國,袁航.用中斷方式實現(xiàn)監(jiān)控機串口通信[J].微計算機應用,2003（5）：273.

〔5〕吳錘紅.MCS-51微機原理與接口技術 [M].廈門：廈門大學出版社,2009.151-154.

〔6〕劉新平,李軍.單片機在電機功率因數(shù)測量中的應用[J].計算機工程與設計,2007,28(2):400-401.

〔7〕姜敏夫.用VB6.0實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)自動接收的2種方法[J].北華大學學報(自然科學版),2004,5(4):377-378.