單相功率因數(shù)補償系統(tǒng)方法論文

1、功率因數(shù)監(jiān)測與補償實驗系統(tǒng)鐘柏 趙陽 王淑娟（ 大連理工大學(xué)） 輔導(dǎo)教師：莊海 張穎杰功率因數(shù)監(jiān)測與補償實驗系統(tǒng)論文摘要: 本系統(tǒng)以AT89S52單片機作為功率因數(shù)補償?shù)目刂坪诵模ㄟ^對模擬電網(wǎng)中電壓、電流信號的測量及對功率因數(shù)的檢測實現(xiàn)對模擬電網(wǎng)的實時監(jiān)控，并自動對模擬電網(wǎng)進行功率因數(shù)補償。本系統(tǒng)采用程序判斷方法，選取不同的電容組合，檢測電網(wǎng)電壓過零點時對電網(wǎng)進行容性補償，實現(xiàn)了補償過程中無明顯電流沖擊。并且采用漢字液晶顯示，顯示界面清晰、直觀。系統(tǒng)的測量精度及其他指標(biāo)都達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞:功率補償 固態(tài)繼電器 單片機Abstract: This system by AT89S52mon

2、olithic integrated circuit as power factor compensation control core， through to simulates in the electrical network the voltage, the electric current signal survey and to simulates the electrical network to the power factor examination realization the real-time monitoring，and automatically to simul

3、ates the electrical network to carry on power factor compensation. This system uses the procedure judgement method, selects the different electric capacity combination, detects network at zero voltage power grid to compensate for capacitive, realize the compensation process no current impact. And th

4、e system uses the Chinese character liquid crystal display, displays interface clear and intuitive. The system measuring accuracy and other targets has all met the design requirements.Key words: The reactive power compensates Solid state relay MCU一系統(tǒng)總體方框圖 圖1二.核心模塊方案論證和比較1.電流信號采集 圖2方案一：Rogowski線圈測量 其

5、工作原理如圖二所示。E(t)=Mdi(t)/dtRogowski線圈不含鐵磁性材料，無磁滯效應(yīng)，幾乎為零的相位誤差；無磁飽和現(xiàn)象，測量范圍可從數(shù)安培到數(shù)百千安的電流；結(jié)構(gòu)簡單，并且和被測電流之間沒有直接的電路聯(lián)系；響應(yīng)頻帶寬0.1Hz-1MHz。與帶鐵芯的傳統(tǒng)互感器相比，洛氏線圈具有測量范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠，響應(yīng)頻帶寬，同時具有測量和繼電保護功能，體積小、重量輕、安全且符合環(huán)保要求。方案二：小電阻采樣通過小電阻在主電路中采樣，得電壓信號，經(jīng)過放大電路后送入A/D轉(zhuǎn)換，進而進入單片機測算出電流值。Rogowski線圈雖然測量精度高，但在電路中使用不方便，且與電阻采樣相比，造價高，并且我們也用

6、不到如此寬的響應(yīng)頻帶，因此，考慮到我們的實際應(yīng)用，我們選擇小電阻采樣的方案。電阻采樣得小電壓后需要放大，測量并通過單片機計算，在液晶上顯示出電流的有效值。電流的采集對放大電路的要求很高，必須精確度好，線性度高，才能保證其測量正確，誤差小，滿足要求。因此，在選擇放大電路時，我們也考慮了如下兩個方案。方案一：采用uA741作為放大電路。如圖3所式，uA741是運放電路中最常被使用的一種， 只要外部電阻在適用范圍內(nèi)（1k100k）,741都能發(fā)揮出不錯的效果，并且可以通過調(diào)零得到較高的精確度：把I+、I-接地，通過調(diào)節(jié)電阻R3使輸出為零，這時放大電路具有較精確的放大倍數(shù)：Au=Rg/R13+1。此放

7、大電路結(jié)構(gòu)簡單，能滿足一般的放大要求方案二：儀表放大器用三個普通運放組成的儀表放大器，原理如圖4所式 圖3 其放大器的放大倍數(shù)為：方案一雖然結(jié)構(gòu)簡單，但精度沒有儀表放大器高，考慮到經(jīng)過后級電路的層層累計會對電流信號的測量造成較大的誤差，方案一不能滿足題目的要求，會對電流的測量造成較大的誤差，因此我們在多次測量比較后摒棄這個方案，選擇方案二。儀表放大器一致性較好，漂移低，性能更勝一籌，可以滿足我們對精度的要求，并且可以采用普通運放組成，造價低，性能比方案一好。 圖42.電壓信號采集方案一：隔離采樣采用電壓互感器實現(xiàn)對電壓的測量。通過電壓互感器對36V交流電壓得到相應(yīng)電壓值，通過運放跟隨送入A/D

8、轉(zhuǎn)換，單片機計算得到有效值?；ジ衅鲗嵸|(zhì)上為變壓器，一般變壓器都采用Y/Y0連接，當(dāng)系統(tǒng)中有較大的負載時，電流中含有較大的三次諧波分量。方案二：電阻分壓直接采用電阻分壓得到5V以下電壓，從模擬負載電源兩端并聯(lián)大電阻分得有效值小于5V的電壓，考慮到電網(wǎng)電壓有波動，會對后級電路造成一定的影響，我們在電壓分壓以后加入一個電壓跟隨器，將電阻分壓電路與后級電路隔離開，將分壓得到的電壓再經(jīng)過一個加法電路，將電壓信號抬成直流信號，范圍為0-5V,通過A/D轉(zhuǎn)換芯片送入單片機，然后通過程序?qū)崿F(xiàn)對電壓有效值的測量。電壓互感可能產(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

9、方式?？紤]到使用簡單及方便購買，我們選用uA741做電壓跟隨器，如圖3所示，調(diào)節(jié)RG使放大電路放大倍數(shù)為一，就構(gòu)成了電壓跟隨器。為了使輸入信號滿足單片機的幅度要求，分壓電阻采用滑動變阻器，調(diào)節(jié)變阻器使輸出電壓的峰峰值小于5V。用電阻分壓采集電壓信號，避免了不必要的干擾，簡單方便。3.頻率測量 圖5 圖6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機進行計算因為電網(wǎng)有波動，電源在過零的的波動會導(dǎo)致過零比較器產(chǎn)生的方波信號有干擾，如圖5所示：產(chǎn)生高頻干擾，使頻率測量誤差較大。因此經(jīng)過充分考慮，我們想到了兩種方案：方案一：將過零比較器改成遲滯比較器，濾去高頻干擾，將其上、下限分別設(shè)為+2

10、V和-2V，用上升沿觸發(fā)。遲滯比較器的靈敏度低一些，但抗干擾能力大大提高，能濾去電壓在過零點的波動。其工作波形如圖6所示： 方案二：在過零比較器后加上單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC221，分壓得到的電壓信號經(jīng)過過零比較器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器送入單片機，測量電壓的相位角及頻率。其測量波形見圖7。在外加觸發(fā)信號的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)依靠定時電容的充放電維持一定時間后，由暫穩(wěn)態(tài)自動回到穩(wěn)態(tài)。74HC221是非重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在觸發(fā)信號作用下進入暫穩(wěn)態(tài)后，不再接受新的觸發(fā)信號的影響，最大限度的減少了干擾，使測量精度滿足要求。 圖7方案一電路簡單，并且可以實現(xiàn)對電壓電流過零點有干擾的

11、屏蔽要求，但考慮到在測量相位角時，電壓和電流的幅值是不相等的，且遲滯比較器的遲滯環(huán)是不能根據(jù)電壓和電流幅值的變化成比例變化的，所以在測得電壓和電流下降沿相差時間是根據(jù)電壓和電流的幅值變化的，這樣測得的功率因數(shù)角與真實值有誤差，影響功率因數(shù)的測量（如圖8所示）。而方案二采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，第一個電壓和電流跳變點觸發(fā)使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)可以實現(xiàn)對電壓電流過零點有干擾的屏蔽要求的同時，考慮到第一個電壓和電流跳變點和真實的零點的誤差只有微秒級所以忽略，這樣足以達到題目要求的精度，因此我們采用第二個方案。圖84功率因數(shù)的測量將電壓及電流信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生TTL方波。方波的上升

12、沿與下降沿分別與振蕩正弦信號的正負過零點相對應(yīng)，產(chǎn)生的兩個方波脈沖作為單片機的兩個輸入量。但考慮到當(dāng)功率因數(shù)接近為1時，電壓、電流信號的下降沿非常接近，單片機很可能檢測不到，對測量產(chǎn)生了誤差。因此，我們把電流信號通過儀表放大器時翻轉(zhuǎn)，這樣電流信號就產(chǎn)生個180度的滯后，這時再采集兩個下降沿，當(dāng)功率因數(shù)為1時，單片機都可以很容易的識別出來。首先判斷電壓方波的下降沿，當(dāng)檢測到下降沿時，計數(shù)器T0開始定時計數(shù)，當(dāng)檢測到電流下降沿時關(guān)閉T0計數(shù)器。此時，T0中的值便是與頻率對應(yīng)的計數(shù)值。檢測電壓、電流方波下降沿時，有兩種方案。方案一：采取的中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式，且外部中斷1高于外部中斷0。

13、單片機開機后等待外部中斷INTO及INT1,當(dāng)INT1中斷響應(yīng)時，計數(shù)器T0開始計數(shù)，當(dāng)INT0中斷響應(yīng)后，計數(shù)器T0停止計數(shù)，T0的計數(shù)值與相位差U成正比，單片機處理T0的計數(shù)值后即可得到交流電的功率因數(shù)。方案二： 用查詢方式相應(yīng)外部獲取的兩個方波信號，其中電壓信號開計數(shù)器T0,電流信號關(guān)計數(shù)器T0，從而得到電網(wǎng)的頻率。由于中斷開關(guān)過于頻繁，而對于功率因數(shù)測量的時時性要求也不是很高，所以我們將兩個中斷用來測量時時性更高的量，而改用查詢方式用兩個普通的管腳來對功率因數(shù)進行測量，對測量的結(jié)果進行分析符合精度符合要求。5. 功率因數(shù)補償方案一：采用可控硅，可以實現(xiàn)對功率因數(shù)的平滑補償，考慮到可控硅

14、的控制復(fù)雜，且為半控器件對其的關(guān)斷不能控制，所以放棄了這個方案。 方案二：采用電容對電路進行功率因數(shù)補償，使用固態(tài)繼電器，利用其過零觸發(fā)性可以實現(xiàn)電容的投入和切除達到較小的沖擊。大功率固態(tài)繼電器適用于電阻負載和感性負載。6. 程序算法實現(xiàn)方案一：將電壓信號經(jīng)電阻分壓、過零檢測，然后產(chǎn)生的脈沖信號送入單片進行計數(shù)T0口，定時一秒鐘，計數(shù)值即為電源頻率。方案二：將脈沖信號接入單片機的輸入口，作為計數(shù)器的控制信號，在脈沖的高電平期間單片機定時器計數(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，故采用測周期求倒數(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

15、量正脈沖脈寬，2倍得到一個周期的脈寬。直接采用單片機計數(shù)的方法可能得到的誤差為1/50=2%不符合題目要求。故采用方案二，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單片機10ms計數(shù)值大該為10000）精度達到0.01%。三.主要電路設(shè)計1.模擬電路理論分析計算電阻分壓：將一個22K電阻和一個最大值為2K的滑動變阻器串聯(lián)，調(diào)解滑動變阻器使36V交流電經(jīng)電阻分壓后在電壓跟隨器的輸出產(chǎn)生峰峰值為4V的電壓,使之適合單片機的輸入。通過示波器兩個通道輸入觀察分壓系數(shù)，確定電壓的比例系數(shù)V0/Vi=0.111,為軟件實現(xiàn)提供理論根據(jù)。電流放大電路：采用儀表放大器(見圖2)。電流信號是用

16、小電阻采樣得到的，主電路中的電流 ,電壓范圍為：36 1.6364V，所以電壓峰峰值范圍為48.653.226V，電流峰值。由此可得：當(dāng)電阻為20 時，電流峰值為：1.3051.4292A；當(dāng)電阻為100時，電流峰值為：0.46370.5087A；即電流范圍為：0.46371.4292A，經(jīng)0.22電阻采樣后，電壓范圍為：0.1020.3144V；當(dāng)投切電容后，電網(wǎng)呈阻性，此時電流峰值范圍為： 0.343641.8818A，電壓峰值為：0.07560.414V，因此選擇放大電路的放大倍數(shù)為6。由 得我們選擇R3為100K,R5為100K,R1為 100K,VR最大值為100K. 調(diào)節(jié)VR，這時

17、電壓信號的范圍是-2.484+2.484V。加法電路：我們采用集成運放組成的反饋電路來構(gòu)成同向加法電路，如圖所示，其中其中Vs1是我們要測量的交流電壓信號，Vs2為直流電壓信號。我們只要求Vo=Vs1+Vs2,因此，選擇電阻R1=R2=R3=Rf=10K，考慮到單片機在邊緣處的信號采集精度不高，我們要把電壓信號抬到1-4V之間，因此Vs2上加一個2.5V左右的直流電壓。此直流電壓由+5V電壓分壓而成。綜合考慮經(jīng)濟 圖9性和實用性，且與整體電路配合使用，我們選擇LM324運放。此時Vo的范圍為0.54.5V，單片機可以識別。2.直流電源模塊的設(shè)計 采用集成穩(wěn)壓模塊78、79系列產(chǎn)生+5V、+15

18、V、-15V電壓。電路如圖9,10所示。 圖10電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器得+18和-18交流電，在經(jīng)過整流橋，接入7815和7915用來產(chǎn)生+15V、-15V直流穩(wěn)壓電源，用+15V電源產(chǎn)生+5V直流穩(wěn)壓電源。電路中Ci的作用是改善輸入電壓的紋波，抑制輸入電壓的瞬時變化；C1的作用是抑制輸入電壓的低頻干擾；Co的作用是減小負載電流變化導(dǎo)致的高頻干擾；C2的作用是減少輸出紋波，減小低頻干擾。我們選取Ci=0.1uF， 圖11C1=1000uF， Co=0.1uF，C2=100uF。用18V交流電產(chǎn)生15V電源，再用+15V 電源產(chǎn)生5V電源，使得集成穩(wěn)壓塊輸入和輸出電壓相差不是很大，避免片子過熱，減小

19、功率損耗。3.功率因數(shù)補償本設(shè)計采用固態(tài)繼電器控制電容投切。根據(jù)測量到的功率因數(shù)，在單片機里檢測實現(xiàn)自動的容性補償。 如要讓功率因數(shù)從cos1提高到cos2，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)的減小為Q和S。要達到這一目的，就必須要裝設(shè)無功補償設(shè)備，通常是并圖12聯(lián)電容器。由圖知，補償容量為： Q = Q - Q = P（tan1-tan2）=q*P Error! No bookmark name given.令補償后的功率因數(shù)為1，即補償?shù)碾娙菪詿o功功率與原有的電感性無功功率相等，得Q=0， 令 得 當(dāng)R=20時，需要投切電容最大，為72uF；當(dāng)R=100 時，投切電容應(yīng)

20、最小，為9uF；即投切電容范圍為972uF。我們選取一組電容值大小分別為：1uF、2uF、2uF、5uF、10uF、20uF、20uF、20uF八個電容，可以構(gòu)造出080uF之間的所有電容值，這樣可滿足所有的電容投切要求。本系統(tǒng)程序上采用循環(huán)投切的方式：摁投切按鍵后，開始自動投切，檢測系統(tǒng)的功率因數(shù)，當(dāng)檢測到功率因數(shù)cos小于0.95時，投入電容40uF，監(jiān)測功率因數(shù)角 ，如0，則系統(tǒng)呈感性，繼續(xù)增大電容投入，投入（40+80）/2=60uF的電容，即取中間值，如果0，系統(tǒng)呈容性，減小電容投入，投入（40+0）/2=20uF電容，以此類推，每次都取中間值，直到檢測出cos大于0.95，這時投切

21、結(jié)束?？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，直接安裝補償用并聯(lián)電容器及不安全，因此，功率補償時，我們采取監(jiān)測在電壓過零點時開通繼電器，投切電容，消除瞬態(tài)電流脈沖，實現(xiàn)電容投入時無明顯沖擊，滿足題目要求。 4顯示 采用128*64液晶顯示測量數(shù)據(jù) 5.系統(tǒng)原理圖一、 軟件設(shè)計1系統(tǒng)流程2電壓與電流檢測 3頻率與相位檢測4根據(jù)電流電壓和相位計算有功功率和無功功率并顯示5中斷功率因數(shù)補償二、 測試儀器與測試方法1測試儀器 Tektronix示波器TDS1002；低頻信號發(fā)生器XD22；直流穩(wěn)壓電源WY-301-4B；萬用表DT9204A；電流表DT9205N；哈儀T51

22、N100701。2. 測試方法 電阻分壓模塊調(diào)試 用信號發(fā)生器模擬交流電加在負載兩端，調(diào)動電位器觀察電壓值是否改變，能改變說明分壓部分能正常工作。 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，分別在過零比較器LM339的輸入端和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC221的輸出端用雙通道示波器觀察，如有正弦波變成矩形波，且同時上升，則比較模塊正常。 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，如波形幅度有合適倍數(shù)的變化，則說明放大模塊正常。 加法電路調(diào)試 用信號發(fā)生器模擬的交流電接在加法器的一個輸入端，直流穩(wěn)壓電源輸出的直流電接在加法器的

23、另一個輸入端，同時觀察加法器的交流輸入和輸出，如波形一致，且輸出正弦波被抬升固定的幅值，則加法電路正常。 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的I/O口，進行實時采樣，將測得值顯示在液晶屏上，調(diào)動信號發(fā)生器的幅度和頻率，觀察到顯示值有相應(yīng)變化，則說明該模塊能正常工作。因為本次調(diào)試儀器中信號發(fā)生器輸出有一定的誤差，所以分別用示波器觀察電壓模塊和電流模塊的波形，然后同液晶屏上的顯示進行比較。如幅度和頻率滿足要求，則該模塊能正常工作。測試結(jié)果（如下表）系統(tǒng)測試電壓、電流值項目數(shù)值電阻R電流（A）電壓（V）實測值顯示值誤差（%）實測值顯示值誤差（%）20.80.840.8360.

24、048%36.5236.680.438%40.20.6710.6781.040%36.6136.690.219%58.50.5150.5251.000%37.0737.080.027%79.50.4110.4140.730%37.3837.570.508%99.50.3350.3370.597%37.1437.170.081%系統(tǒng)測試頻率值項目電阻變壓器輸出（）系統(tǒng)顯示（）誤差（）50.0149.990.040%49.9850.010.060%49.9950.000.020%50.0050.010.020%50.0349.990.080%由于暫時沒有找到測量功率的儀器，以下數(shù)據(jù)有待于進一步測量

25、系統(tǒng)無補償時的有功功率、功率因數(shù)測量項目數(shù)值電阻R有功功率（）功率因數(shù)實測值顯示值誤差（%）實測值顯示值誤差（%）20406080100系統(tǒng)有補償時有功功率、功率因數(shù)測量項目數(shù)值電阻R有功功率（）功率因數(shù)實測值顯示值誤差（%）實測值顯示值誤差（%）20406080100六. 結(jié)果分析本系統(tǒng)實現(xiàn)了題目所要求的各種指標(biāo)，對發(fā)揮部分的(1) 補償后功率因數(shù)大于0.95；(2) 測量實驗系統(tǒng)的有功功率、無功功率和功率因數(shù)，在我們模擬測量時，誤差絕對值也小于2%，但有待于進一步驗證；(3) 補償電容在投入時無明顯沖擊；(4) 測量、記錄并顯示補償電容變化時電流的瞬態(tài)響應(yīng)，要求采樣頻率大于3kHz，記錄長度不小于0.3秒；也都較好的完成，能以較高的精度及較為友好的精面測量并顯示變壓器副邊電壓、電流、頻率、