功率因數(shù)表的結(jié)構(gòu)與工作原理及示波圖法測(cè)量功率因數(shù)

1、 功率因數(shù)表的結(jié)構(gòu)與工作原理及示波圖法測(cè)量功率因數(shù)摘要:本文主要描述測(cè)量功率因數(shù)的方式，介紹相關(guān)儀表的結(jié)構(gòu)及其工作原理，在測(cè)量功率因數(shù)時(shí)產(chǎn)生誤差的因素。此刻常見(jiàn)的是采用單片機(jī)測(cè)量功率因數(shù)，說(shuō)明它的工作原理。論述通過(guò)示波圖測(cè)量功率因數(shù)的方式。關(guān)鍵字:功率因數(shù)機(jī)械式電子式功率因數(shù)的概念在交流電路中，（U）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)是有功功率和的比值，即cos二P/S。在里，電壓乘電流就是有功功率。但在里，電壓乘電流是，而能起到作功的一部份功率（即有功功率）將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數(shù)，以cos表示，其實(shí)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式就是測(cè)

2、量電壓與電流之間的相位差，得出的結(jié)果就是功率因數(shù)。功率因數(shù)也能夠由電路中純阻值與總阻抗的比值求得。在實(shí)際電路中由于有電機(jī)設(shè)備中（如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、緊縮機(jī)等）等感性負(fù)載,使功率因數(shù)降低即產(chǎn)生了無(wú)功功率.無(wú)功功率使得電能沒(méi)有全數(shù)轉(zhuǎn)化為人們所用（即有功功率），而有一部份損耗（即無(wú)功功率）。也就是因?yàn)楦行载?fù)載的存在，造成了系統(tǒng)里的一個(gè)KVAR值，視在功率、有功功率、無(wú)功功率三者是一個(gè)的關(guān)系：KVA2=KW2+KVAR2功率因數(shù)一般用儀表測(cè)量，有機(jī)械式功率因數(shù)表，電子式功率因數(shù)表。也能夠通過(guò)示波圖測(cè)量，以下別離論述他們的結(jié)構(gòu)與工作原理。機(jī)械式功率因數(shù)表的結(jié)構(gòu)及工作原理單項(xiàng)功率因數(shù)表一般用于單相交流電路或

3、利用對(duì)稱負(fù)載平衡的三相交流電路中。單相表在頻率不同時(shí)會(huì)影響讀數(shù)準(zhǔn)確性。常見(jiàn)機(jī)械式功率因數(shù)表一般有電動(dòng)式，鐵磁電動(dòng)式，電磁式和變換器式幾種。此刻以單相因數(shù)表為例來(lái)介紹機(jī)械式功率因數(shù)表的原理：9*圖一電動(dòng)莠功率因數(shù)表示意圖見(jiàn)圖一，其可動(dòng)部份由兩個(gè)彼此垂直的動(dòng)圈組成。動(dòng)圈1與電阻器R串聯(lián)后接以電壓U,并與通以負(fù)載電流I的固定線圈（靜圈）組合，相當(dāng)于功率表，從而使可動(dòng)部份受到一個(gè)與功率UIcos和偏轉(zhuǎn)角正弦sina的乘積成正比的力矩Ml,M1=K1UIcossina。K1為系數(shù)，cos為負(fù)載功率因數(shù)。動(dòng)圈2與電感器L（或電容器C）串聯(lián)后接以電源電壓U,并與靜圈組合，相當(dāng)于無(wú)功功率表，從而是可動(dòng)部份受到

4、一個(gè)與無(wú)功功率Ulsin和偏轉(zhuǎn)角余弦cosa的乘積成正比的力矩M2,M2=K2UIsin;cosa，K2為系數(shù)。對(duì)純電阻負(fù)載，=0,M2=0，電表可動(dòng)部份在M1的作用下，指針轉(zhuǎn)到=0即cos=1的標(biāo)度處。對(duì)純電容負(fù)載，=90,M1=0,電表可動(dòng)部份在M2的作用下，指針逆時(shí)針轉(zhuǎn)到=90即cos=0（容性）的標(biāo)度處。對(duì)純電感負(fù)載，由于靜圈電流I及力矩M2改變了方向，電表可動(dòng)部份在M2的作用下，指針順時(shí)針轉(zhuǎn)到=90。即cos=0（感性）的標(biāo)度處。對(duì)一般負(fù)載，在力矩M1和M2的作用下，指針轉(zhuǎn)到相應(yīng)的cos值的標(biāo)度處。應(yīng)用電動(dòng)系單相功率因數(shù)表可用來(lái)測(cè)量單相電路的功率因數(shù)，也可用來(lái)測(cè)量中點(diǎn)可接的對(duì)稱三相電

5、路的功率因數(shù)，這時(shí)電表的電壓端應(yīng)接相電壓。對(duì)中點(diǎn)不可接的對(duì)稱三相電路，可采用三相功率因數(shù)表來(lái)測(cè)量。機(jī)械式單相功率因數(shù)表別離有電流接線端和電壓接線端。當(dāng)測(cè)量功率因數(shù)時(shí)，需要把相電壓接入功率因數(shù)表中，若是電壓高于輸入電壓的最高量程，還需要采用分壓電阻使收集的相電壓知足輸入的要求。同時(shí)電流端也要接入線路中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備是通過(guò)電流互感器的二次側(cè)接入功率因數(shù)表中的。和大多數(shù)機(jī)械表相同，測(cè)量精度較高的范圍是在總量程的30%-80%范圍內(nèi)，同時(shí)為了準(zhǔn)確測(cè)量功率因數(shù)，要使功率因數(shù)表指針?lè)€(wěn)固也需要線路通電較長(zhǎng)時(shí)刻。而在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩很小、功率因數(shù)低的情形下，儀表本身的損耗、角誤差（電壓線圈中電流滯后其端電壓的相位差所引發(fā)

6、的誤差）和軸承和軸尖之間的磨擦等，都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不允許的誤差。所以，在測(cè)量較低的功率因數(shù)時(shí)，機(jī)械表就不能知足要求了。電子式功率因數(shù)表的結(jié)構(gòu)及工作原理隨著社會(huì)的進(jìn)展與工廠的更新，傳統(tǒng)的機(jī)械式功率功率因數(shù)表已經(jīng)不能知足用戶的要求了，同時(shí)伴隨著PLC的進(jìn)展，自動(dòng)化的進(jìn)程，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)功率因數(shù),現(xiàn)在基于單片機(jī)的測(cè)量?jī)x表應(yīng)運(yùn)而生，下面簡(jiǎn)述一下電子式功率因數(shù)表的工作原理。在電路設(shè)計(jì)中，若以電路的A相為例，測(cè)量A相的功率因數(shù)。第一要把A相相電流和相電壓的采樣信號(hào)放大后，再進(jìn)行上升沿過(guò)零觸發(fā)，即可取得反映相位的方波信號(hào)，從而取得如圖2所示的一組波形。從上到下別離為相電壓與相電流的正弦波、相電壓與相電流的上

7、升沿時(shí)刻差。從圖2能夠看出，角的大小和IA與UA上升沿過(guò)零的時(shí)刻差t具有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)T為正弦波的周期，貝阮和T知足下面的表達(dá)式：純阻性負(fù)載：T=O感性負(fù)載：t=0-T/4純感性時(shí)：t=T/4容性負(fù)載：t=-T/4O純?nèi)菪詴r(shí)：t=-T/4從以上分析能夠得出，只要測(cè)得時(shí)刻差T，即可取得相位差角=（t/T）*360在硬件方面電子式功率因數(shù)表和機(jī)械式儀表一樣，也是通過(guò)電能轉(zhuǎn)換元件（如變壓器、線性電阻）將電壓、電流互感器輸出的高壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成峰值為5V的低壓交流信號(hào)，然后用過(guò)零比較電路（過(guò)零比較電路的作用是將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，能夠把運(yùn)算放大器當(dāng)做簡(jiǎn)單的比較器來(lái)用，同相輸入端接正弦波信號(hào)，反相

8、端接地即可），然后接到單片機(jī)的高速輸入接口HSI（High-speedinputinterface,HSI的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)的周期，頻率，占空比）然后再通過(guò)公式計(jì)算即能夠取得實(shí)時(shí)的功率因數(shù)。電子式功率因數(shù)表的另一種工作原理是通過(guò)測(cè)量電壓與電流的峰值，通過(guò)公式轉(zhuǎn)化從而計(jì)算出功率因數(shù)，具體方式此處不論述了。固然電子功率因數(shù)表也有不足的地方。工業(yè)生產(chǎn)中電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的波動(dòng)專門大，加上半導(dǎo)體器件的非線性因素，因此對(duì)儀表的檢測(cè)誤差仍是有影響的，但與傳統(tǒng)的電動(dòng)式相位表比較。結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，消耗功率極小。只要采用相應(yīng)辦法，會(huì)使誤差大為減少，大體能檢測(cè)出不同性質(zhì)負(fù)載下的功率因數(shù)。示波圖法測(cè)量功率因數(shù)由于實(shí)

9、驗(yàn)線路的轉(zhuǎn)變，機(jī)械式與電子式功率因數(shù)表已不能知足測(cè)量需要。實(shí)驗(yàn)站一般是通過(guò)示波圖來(lái)測(cè)量實(shí)驗(yàn)線路的功率因數(shù)。歸納一下有5種方式來(lái)肯定交流通斷能力實(shí)驗(yàn)回路的功率因數(shù)，包括直流分量法，沖擊系數(shù)法，相角差法，低壓推算法，直讀法。低壓推算法和直讀法與測(cè)試系統(tǒng)無(wú)關(guān)，所以只有以上三種方式利用。第一，對(duì)大電流通斷實(shí)驗(yàn)專門是預(yù)期波實(shí)驗(yàn)由于在低壓側(cè)合閘幾乎不可行，實(shí)驗(yàn)站多采用高合高分，因此無(wú)法采用相角差法。第二，沖擊系數(shù)法需要在電壓零角度周圍合閘，若實(shí)驗(yàn)站無(wú)選相開(kāi)關(guān)，亦無(wú)法采樣，即便有選相開(kāi)關(guān)，一個(gè)預(yù)期波也要三次實(shí)驗(yàn)方可測(cè)出三相功率因數(shù)，只適合于功率因數(shù)不小于的回路。第三，直流分量法雖然不要求選項(xiàng)合閘，可是要求波

10、形含直流分量。這是一比較可行的方式，可是遺憾的是和上邊的方式一樣只適于功率因數(shù)不小于的回路。第四，當(dāng)回路功率因數(shù)大于時(shí)，如安在示波圖上肯定回路功率因數(shù)，以目前的IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均無(wú)法解決，或是只得利用低壓法肯定回路功率因數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，別離調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)收集器的隔離放大器，積分器，使之量程知足實(shí)驗(yàn)電流的大小。觸發(fā)收集按鈕，收集三相電流波形，通過(guò)擬合法別離能夠測(cè)量出三相電路的功率因數(shù)。三相電路的每相功率因數(shù)可能略有不同，但通過(guò)微調(diào)阻抗使的地方于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)。CY2007中提出的擬合法能夠解決較大范圍回路功率因數(shù)讀數(shù)問(wèn)題，通過(guò)實(shí)踐表明此擬合法能夠解決cos=到cos=范圍回路功率因數(shù)讀數(shù)問(wèn)題，而且

11、不需要同時(shí)測(cè)量電流和電壓波形，僅不適于在電壓90度周圍合閘的波形，現(xiàn)在可利用直流分量法（cos和相角差法（cos。在實(shí)踐中通過(guò)功率因數(shù)表與數(shù)據(jù)收集器比對(duì)表明，為了能加倍準(zhǔn)確地測(cè)量出功率因數(shù),要使收集的波形占到總量程的60%及以上。在利用數(shù)據(jù)收集測(cè)量時(shí)，無(wú)論利用何種方式，為了準(zhǔn)確測(cè)試功率因數(shù)，都必需保證零線準(zhǔn)確，因此預(yù)期波實(shí)驗(yàn)前應(yīng)利用軟件提供的檔位校零功能校證零線，必要時(shí)還需修正零線，以保證第一個(gè)光標(biāo)準(zhǔn)確。結(jié)束語(yǔ)在實(shí)驗(yàn)中，每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)電壓，電流，功率因數(shù)都有相應(yīng)要求，同時(shí)功率因數(shù)的要求值是按如實(shí)驗(yàn)電流的大小來(lái)規(guī)定的。收集系統(tǒng)的軟件在計(jì)算功率因數(shù)的時(shí)候一般采用以上前三種方式。又由于實(shí)驗(yàn)電路的形式多樣，電路電壓和電流品級(jí)都比較高，機(jī)械式的功率因數(shù)表已經(jīng)不能知足所有的需求，目前采用的方式是用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)收集實(shí)驗(yàn)線路的電流和電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，再用擬合法測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路的功率因數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，尤其在工廠企業(yè)中，一般多采用電子式功率因數(shù)表。當(dāng)功率因數(shù)降