功率因數(shù)監(jiān)測與補(bǔ)償實驗系統(tǒng)

在9月舉行的2006年湖北省大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，我校來自電信學(xué)院和計科學(xué)院的代表隊獲得兩個一等獎和一個二等獎。其中由來自03級自動化專業(yè)的葉柳軍、李勝利和04級電子信息工程專業(yè)的金鼎國組成的一隊?wèi){借功 . 在9月舉行的2006年湖北省大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，我校來自電信學(xué)院和計科學(xué)院的代表隊獲得兩個一等獎和一個二等獎。其中由來自03級自動化專業(yè)的葉柳軍、李勝利和04級電子信息工程專業(yè)的金鼎國組成的一隊?wèi){借功率因數(shù)監(jiān)測與補(bǔ)償實驗系統(tǒng)獲得一等獎。 功率因數(shù)監(jiān)測與補(bǔ)償實驗系統(tǒng)葉柳軍 李勝利 金鼎國指導(dǎo)教師：尹建新摘要: 本系統(tǒng)是以凌陽SPCE061A單片機(jī)為核心，通過對模擬電網(wǎng)中電壓、電流信號的測量及對功率因數(shù)的計算實現(xiàn)對模擬電網(wǎng)的實時監(jiān)控,并自動對模擬電網(wǎng)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償。本系統(tǒng)采用程序判斷方法,選取不同的電容組合，并監(jiān)測電網(wǎng)電壓過零點時對電網(wǎng)進(jìn)行容性補(bǔ)償,實現(xiàn)了在補(bǔ)償過程中無明顯電流沖擊。本系統(tǒng)可記錄在容性補(bǔ)償時的電流瞬態(tài)響應(yīng), 并可實現(xiàn)波形的回放.采用漢字液晶顯示，顯示界面清晰、直觀。系統(tǒng)的測量精度及其他指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞： 功率因數(shù) 過零固態(tài)繼電器 容性補(bǔ)償 凌陽單片機(jī)一 、題目分析 為充分發(fā)揮電力設(shè)備的潛在能力；減少線路上的電流，從而降低供電線路上的損失，特制作功率因數(shù)監(jiān)測與補(bǔ)償實驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)對電壓、電流信號分別測量，對電壓、電流信號采樣用可編程放大器，基準(zhǔn)電壓進(jìn)行預(yù)處理，方便校正。通過求電壓、電流信號的相位差值，計算得到功率因數(shù)，采用在原電路中投切電容的方式，進(jìn)行容性補(bǔ)償增強(qiáng)功率因數(shù)。 系統(tǒng)整體系統(tǒng)方框圖如下圖示：二、模塊電路設(shè)計與比較2.1 電壓、電流信號采集方案一 隔離采樣 采用電壓互感器、電流互感器分別實現(xiàn)對電壓、電流測量。通過電壓互感器對36V交流電壓得到相應(yīng)電壓值，采樣電壓V2I2RL。如圖2所示通過運(yùn)放跟隨送入A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計算得到有效值。互感器實質(zhì)為變壓器，一般變壓器都采用Y/Y0接，如果系統(tǒng)中瑩光燈之類的負(fù)載較大時，電流含有較大的3次諧波分量。方案二、電阻分壓 直接采用電阻分壓得到3V以下電壓值，電壓跟隨送入A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計算得到相應(yīng)的電壓值。 由于題目中給定的36V交流電壓是經(jīng)過互感得到的，可以不在考慮電網(wǎng)隔離問題，而且電壓互感存在產(chǎn)生不確定的相移，雖然可以程序修正，但帶來不必要的麻煩。因此我們采用方案二電阻直接分壓的方式。2.2 頻率測量方案一、將電壓信號經(jīng)電阻分壓、過零監(jiān)測，然后產(chǎn)生脈沖信號送入單片進(jìn)行計數(shù)T0口，定時一秒鐘，計數(shù)值即為電源頻率。方案二、將電壓信號接入單片機(jī)IN0口，作為計數(shù)器的門控信號，在脈沖的高電平期間單片機(jī)定時器計數(shù)，換算得到信號的半周期時間.F=1/T得到頻率。 由于工頻電網(wǎng)頻率較低約為50HZ，故采用測周期取倒數(shù)的方法得到頻率。用被測信號啟動/停止計數(shù)器T0計數(shù)測量正脈沖脈寬，2倍得到一個周期的脈寬，如圖3示。 題目要求精度0.2。直接采用單片機(jī)計數(shù)的辦法可能得到的誤差為1/50=2%不符合題目要求。采用方案二，首先測周期采用周期倒數(shù)的辦法求頻率， 這樣測量精度為1/N(N為單片機(jī)10ms計數(shù)值大概為10000)精度達(dá)到0.01%。2.3 功率因數(shù)測量方案一、采用測電壓、電流信號的相位差t，t/T = /360，計算 cos得功率因數(shù)。圖3 相位差圖 將電壓、電流信號轉(zhuǎn)換過的電壓信號分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生TTL方波脈沖。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號的正負(fù)過零點對應(yīng)，產(chǎn)生的兩個TTL方波脈沖作為單片機(jī)的兩個外部中斷源。當(dāng)INT0中斷有效時，定時器T0開始定時計數(shù),當(dāng)INT1中斷有效時關(guān)閉T0定時器。此時,T0中的值便是與相位差相對應(yīng)的計數(shù)值。 本系統(tǒng)中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式,且外部中斷0優(yōu)先級高于外部中斷1。單片機(jī)開機(jī)后等待外部中斷INT0及INT1,當(dāng)INT1中斷響應(yīng)時,定時器/計數(shù)器T0開始計數(shù)，當(dāng)INT0中斷響應(yīng)后,定時器/計數(shù)器T0停止計數(shù),T0的計數(shù)值與相位差U成正比,單片機(jī)處理T0的計數(shù)值后即可得到交流電的功率因數(shù)。2.4 功率因數(shù)補(bǔ)償方案一、采用可控硅，可以實現(xiàn)對功率因數(shù)的平滑補(bǔ)償，方案二、采用固態(tài)繼電器 過零觸發(fā)型大功率固態(tài)繼電器適用于電阻負(fù)載和感性負(fù)載。 通過A/D測量負(fù)載電流、電壓及電壓與電流的相位角，計算得到功率因數(shù)，在單片機(jī)里面監(jiān)測來實現(xiàn)自動的補(bǔ)償控制。圖4 自動補(bǔ)償圖 假設(shè)功率因數(shù)由原來的提高到,在有功功率P不變的情況下,無功功率Q和視在功率S將相應(yīng)減小為Q和S。要達(dá)到這一目的,就必須裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備,通常是裝設(shè)并聯(lián)電容器。由圖知,補(bǔ)償容量為: 其中 稱為無功補(bǔ)償率,單位為kvarkW,表示要使1kW的有功功率由提高到所需的無功補(bǔ)償容量之值,由計算式求出補(bǔ)償容量后,可據(jù)此確定單個電容器的容量和總的電容器個數(shù)?？紤]到變流裝置不僅使功率因數(shù)降低,而且存在高次諧波和瞬態(tài)電流脈沖,直接安裝補(bǔ)償用并聯(lián)電容器極不安全。因此,就地補(bǔ)償時,我們采取措監(jiān)測在電壓過零點時開通繼電器 低壓無功功率補(bǔ)償電容器的投切，一般都采用接觸器。由于投切時會出現(xiàn)巨大的浪涌電流，因此對接觸器有特別的要求。此外每次電容器組投入時，也會對電網(wǎng)造成干擾，因此如果做到電容器組投入時，沒有浪涌電流很有意義。2.5 鍵顯模塊2.51 鍵盤設(shè)定 采用CH452專用鍵盤顯示芯片的鍵盤顯示模塊.系統(tǒng)共設(shè)定三個按鍵 復(fù)位建：實現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位功能 電容切換鍵：程序中監(jiān)測，當(dāng)功率因數(shù)小于0.85,自動發(fā)出請求切換電容請求,當(dāng)按下該按鍵時實現(xiàn)電容切換補(bǔ)償. 電流回放按鍵:當(dāng)按下該鍵時,可實現(xiàn)記錄電流波形的回放.2.52 顯示部分 本設(shè)計用液晶12864實現(xiàn)漢字顯示,可以直觀顯示電壓,電流,頻率,功率因數(shù),有功功率,無功功率等參數(shù).三、具體電路的設(shè)計與參數(shù)計算3.1、電流測量 測量電流信號，我們采用把康銅絲串在負(fù)載中，直接測量康銅絲兩端的電壓信號。所以電壓信號的測量的誤差，會給以后的測量帶來較大的誤差。關(guān)于電壓測量我們討論了兩三種方案方案一：采集經(jīng)過處理后的電壓、電流信號的峰值電壓 ，則電源的電壓的有效值。多次采集求平均可減小誤差。但考慮內(nèi)部AD采集間隔會在很大程度上影響對峰峰值的檢測.方案二：采用專用有效值轉(zhuǎn)換芯片，直接計算電壓信號有效值。但考慮到該芯片較貴.方案三：有效值采用在一個周期內(nèi)進(jìn)行多次采集電壓值 。 方案三能較為真實反映電網(wǎng)功率因數(shù)情況,所以本設(shè)計采用方案二.3.2、功率因數(shù)計算 由過零比較所得電壓、電流信號的相位差，可得所求的功率因數(shù).3.3 整體方案框圖圖5 硬件電路圖 采用對經(jīng)過處理后的電壓、電流信號A/D，經(jīng)計算得到該時刻的電壓和電流的有效值、。當(dāng)過零檢測在電壓正向過零時刻產(chǎn)生下降沿去觸發(fā)INTO中斷，在中斷服務(wù)程序中測得上述有關(guān)參數(shù)，從而計算出電網(wǎng)無功功率的盈缺量，利用在ROM預(yù)先設(shè)置的表中查找與其對應(yīng)的電容值，如果 0，則投入電容C;若0則切除C，投入或者切除補(bǔ)償電容器由單片機(jī)控制SSR動作，從而達(dá)到自動補(bǔ)償無功功率的目的。四、系統(tǒng)軟件部分 系統(tǒng)程序完成的主要操作包括：對各部分的狀態(tài)控制、測量、數(shù)據(jù)處理、鍵盤操作及液晶顯示警等幾個功能模塊。系統(tǒng)程序包括：4.1監(jiān)控程序，負(fù)責(zé)對各部電路的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。4.2鍵盤掃描程序，反復(fù)判斷是否有按鍵按下。4.3數(shù)據(jù)處理子程序，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算電壓、電流、相位差及功率因數(shù)等有關(guān)參數(shù)。4.4液晶顯示子程序，利用液晶顯示驅(qū)動器將測量結(jié)果顯示出來4.5采集子程序、響應(yīng)通信中斷等。 主程序流程圖如圖示：圖6 主程序流程圖圖7 中斷子程序流程圖五、電路測試結(jié)果分析5.1調(diào)試方法和過程5.11電阻分壓模塊調(diào)試 用信號發(fā)生器模擬交流電加在負(fù)載兩端，調(diào)動電位器觀察分壓值是否改變，能改變說明分壓部分能正常工作。5.12過零檢測模塊調(diào)試 在過零比較模塊輸入端加入用信號發(fā)生器模擬的交流電，在分別在過零比較器LM311的輸入端及輸出端用雙通道示波器觀察，如由正弦波變?yōu)榉讲?，則比較模塊正常。5.13電壓、電流放大模塊調(diào)試 在放大器件輸入端加入用信號發(fā)生器模擬的交流電，同時觀察輸入及輸出波形，發(fā)現(xiàn)波形幅度有合適倍數(shù)變化。則說明放大模塊正常。5.14鍵盤顯示模塊調(diào)試 將顯示模塊與單片機(jī)相連，編制一簡單程序進(jìn)行調(diào)試，并觀察顯示數(shù)碼管的變化是否正確。通過這種方法可以看出顯示模塊能夠正常工作。5.15電壓、電流采樣模塊調(diào)試 從電壓、電流模塊的輸出端引入單片機(jī)I/O口，進(jìn)行實時采樣，將測的值同時顯示在數(shù)碼管上，如調(diào)動信號發(fā)生器的幅度，觀察到顯示值有相應(yīng)變化，則說明該模塊能正常工作。 各單元均調(diào)通后，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，其過程如下：將調(diào)試好的模塊連接在一起，加220V交流電在變壓器兩端，用單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，對每一模塊的功能進(jìn)行檢測。調(diào)試成功則證明整個系統(tǒng)能夠正常工作。5.2、測試儀器 PC機(jī)，256M內(nèi)存CA2015DDS型信號發(fā)生器GDM8145型數(shù)字萬用表TDS1002型雙通道示波器YB1731B雙線性直流穩(wěn)壓電源 5.3測量結(jié)果5.31 系統(tǒng)測試電壓值電阻值/變換器輸出/V本系統(tǒng)顯示值/V誤差/%2035.936.00.34036.136.51.06036.035.80.58036.035.90.310035.936.11.05.32 系統(tǒng)測試頻率值電阻值/變換器輸出/HZ本系統(tǒng)顯示值/HZ誤差/%2050.050.10.24050.149.81.06049.850.11.08049.950.10.410050.150.20.15.33 系統(tǒng)無補(bǔ)償時功率因數(shù)、有功功率、無功功率電阻值/標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)本系統(tǒng)測量值誤差/%200.0010.0010.0400.5000.4950.1600.7070.7050.2800.9390.9350.41001.0001.0000.05.34 有補(bǔ)償時功率因數(shù)、有功功率、無功功率電阻值/標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)本系統(tǒng)測量值誤差/%200.9670.9620.5400.9750.9730.2600.9650.9650.3800.9520.9510.11000.9510.9530.25.4結(jié)果分析 本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了題目所要求的各種指標(biāo)，能以較高精度及較為友好界面測量并顯示變壓器副邊電壓、電流、頻率、有無補(bǔ)償時的功率因數(shù)、有功功率、無功功率。但仍與真實值間存在偏差，現(xiàn)將誤差分析如下：4.41、讀數(shù)誤差由于人為原因，對數(shù)據(jù)的讀取存在讀數(shù)誤差。4.42、測試方法誤差功率因數(shù)的測量電壓、電流的測量值間接得到，由于誤差的累計效應(yīng)也會使有功功率計算值與理論值存在差異。4.43、測試環(huán)境誤差受測試電網(wǎng)及場地影響，實時誤差較大。4.44、電路工藝誤差受經(jīng)驗及制板水平的制約，所得電路會與理論值存在差距，布線無法避免線路之間以及外界的電磁干擾，從而導(dǎo)致一定誤差。4.45、元件參數(shù)誤差元件數(shù)量較多，尤其是補(bǔ)償電容可能會因某個器件影響系統(tǒng)的測量精度，導(dǎo)致誤差較大。六、結(jié)論 本系統(tǒng)以凌陽SPCE061A芯片為核心部件，利用軟件編程，實現(xiàn)了對交流電壓值、交流電流值、頻率以及功率因數(shù)、有功功率、無功功率的測量及液晶顯示。功率因數(shù)補(bǔ)償單元能根據(jù)負(fù)載變化自動進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，并且實現(xiàn)了投入時無明顯沖擊，最終使功率因數(shù)大于0.95。盡量做到線路簡單，減小電磁干擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足。由于水平有限，我們認(rèn)為系統(tǒng)還有需要改進(jìn)的地方，例如，采用高精度的元器件，測量算法進(jìn)一步完善等。參考文獻(xiàn)1 童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M 北京：高等教育出版社2 張義和Protel DXP電路設(shè)計大全M北京：中國鐵道出版社3 黃繼昌電子元器件應(yīng)用手冊 M北京：人民郵電出版社4 王兆安黃俊電力電子技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社5 馬明建、周長城，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)M西安：西安交通大學(xué)出版社1998圖6 主程序流程圖圖7 中斷子程序流程圖五、電路測試結(jié)果分析5.1調(diào)試方法和過程5.11電阻分壓模塊調(diào)試 用信號發(fā)生器模擬交流電加在負(fù)載兩端，調(diào)動電位器觀察分壓值是否改變，能改變說明分壓部分能正常工作。5.12過零檢測模塊調(diào)試 在過零比較模塊輸入端加入用信號發(fā)生器模擬的交流電，在分別在過零比較器LM311的輸入端及輸出端用雙通道示波器觀察，如由正弦波變?yōu)榉讲?，則比較模塊正常。5.13電壓、電流放大模塊調(diào)試 在放大器件輸入端加入用信號發(fā)生器模擬的交流電，同時觀察輸入及輸出波形，發(fā)現(xiàn)波形幅度有合適倍數(shù)變化。則說明放大模塊正常。5.14鍵盤顯示模塊調(diào)試 將顯示模塊與單片機(jī)相連，編制一簡單程序進(jìn)行調(diào)試，并觀察顯示數(shù)碼管的變化是否正確。通過這種方法可以看出顯示模塊能夠正常工作。5.15電壓、電流采樣模塊調(diào)試 從電壓、電流模塊的輸出端引入單片機(jī)I/O口，進(jìn)行實時采樣，將測的值同時顯示在數(shù)碼管上，如調(diào)動信號發(fā)生器的幅度，觀察到顯示值有相應(yīng)變化，則說明該模塊能正常工作。 各單元均調(diào)通后，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，其過程如下：將調(diào)試好的模塊連接在一起，加220V交流電在變壓器兩端，用單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，對每一模塊的功能進(jìn)行檢測。調(diào)試成功則證明整個系統(tǒng)能夠正常工作。5.2、測試儀器 PC機(jī)，256M內(nèi)存CA2015DDS型信號發(fā)生器GDM8145型數(shù)字萬用表TDS1002型雙通道示波器YB1731B雙線性直流穩(wěn)壓電源5.3 測量結(jié)果5.31 系統(tǒng)測試電壓值電阻值/變換器輸出/V本系統(tǒng)顯示值/V誤差/%2035.936.00.34036.136.51.06036.035.80.58036.035.90.310035.936.11.05.32 系統(tǒng)測試頻率值電阻值/變換器輸出/HZ本系統(tǒng)顯示值/HZ誤差/%2050.050.10.24050.149.81.06049.850.11.08049.950.10.410050.150.20.15.33 系統(tǒng)無補(bǔ)償時功率因數(shù)、有功功率、無功功率電阻值/標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)本系統(tǒng)測量值誤差/%200.0010.0010.0400.5000.4950.1600.7070.7050.2800.9390.9350.41001.0001.0000.05.34 有補(bǔ)償時功率因數(shù)、有功功率、無功功率電阻值/標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)本系統(tǒng)測量值誤差/%200.9670.9620.5400.9750.9730.2600.9650.9650.3800.9520.9510.11000.9510.9530.25.4結(jié)果分析 本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了題目所要求的各種指標(biāo)，能以較高精度及較為友好界面測量并顯示變壓