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作者：青岛大学 李安祥 郭东苗

功率因数监测与补偿实验系统

摘要: 本系统是以ARM3S8962单片机为核心，通过对模拟电网中电压、电流信号的测量及对功率因数的计算实现对模拟电网的实时监控,并自动对模拟电网进行功率因数补偿。本系统采用程序判断方法,选取不同的电容组合，并监测电网电压过零点时对电网进行容性补偿,实现了在补偿过程中无明显电流冲击。本系统可记录在容性补偿时的电流瞬态响应, 并可实现波形的回放.采用汉字液晶显示，显示界面清晰、直观。系统的测量精度及其他指标均达到了设计要求。

关键词： 功率因数 过零固态继电器 容性补偿 单片机

Abstract: this system is ARM3S8962 single-chip microcomputer as the core, through the simulation of the power of voltage, current signal measurement and calculation of the power factor to realize real-time monitoring for simulation grid, and automatically to the analog power grid for power factor compensation. The system USES the program judgment method, the selection of different capacitance combination, and monitoring of power grid voltage zero on the grid for capacitive compensation, realize the compensation process no significant current impact. This system can be recorded in capacitive compensation when the current transient response, and can realize waveform of playback. The liquid crystal display (LCD), Chinese characters display interface is clear and direct. The measure precision of the systems and other indicators have reached the design requirements.

Keywords: power factor zero solid state relay capacity compensation single-chip microcomputer

一、模块电路的设计与比较

1.1电压、电流信号采集

方案一：隔离采样 采用电压互感器、电流互感器分别实现对电压、电流测量。通过电压互感器对36V交流电压得到相应电压值，采样电压V2＝I2RL。如图2所示通过运放跟随送入A/D转换，单片机计算得到有效值。互感器实质为变压器，一般变压器都采用Y/Y0接，如果系统中莹光灯之类的负载较大时，电流含有较大的3次谐波分量。

方案二：电阻分压 直接采用电阻分压得到3V以下电压值，电压跟随送入A/D转换，单片机计算得到相应的电压值。

     由于题目中给定的36V交流电压是经过互感得到的，可以不在考虑电网隔离问题，而且电压互感存在产生不确定的相移，虽然可以程序修正，但带来不必要的麻烦。因此我们采用方案二电阻直接分压的方式。

1.2 频率测量

方案一：将电压信号经电阻分压、过零监测，然后产生脉冲信号送入单片进行计数T0口，定时一秒钟，计数值即为电源频率。

方案二：将电压信号接入单片机IN0口，作为计数器的门控信号，在脉冲的高电平期间单片机定时器计数，换算得到信号的半周期时间.F=1/T得到频率。

     由于工频电网频率较低约为50HZ，故采用测周期取倒数的方法得到频率。用被测信号启动/停止计数器T0计数测量正脉冲脉宽，2倍得到一个周期的脉宽，如图1示。

     题目要求精度2％。直接采用单片机计数的办法可能得到的误差为1/50=2%不符合题目要求。采用方案二，首先测周期采用周期倒数的办法求频率，精度高。

1.3  功率因数测量

方案一：采用测电压电流信号的相位差t，t/T = θ/360，计算 cosθ得功率因数。 

图1相位差图

     将电压、电流信号转换过的电压信号分别经过过零比较器，产生TTL方波脉冲。方波的上升沿和下降沿分别与振荡正弦波信号的正负过零点对应，产生的两个TTL方波脉冲作为单片机的两个外部中断源。当INT0中断有效时，定时器T0开始定时计数,当INT1中断有效时关闭T0定时器。此时,T0中的值便是与相位差相对应的计数值。

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。单片机开机后等待外部中断INT0及INT1,当INT1中断响应时,定时器/计数器T0开始计数，当INT0中断响应后,定时器/计数器T0停止计数,T0的计数值与相位差U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。

1.4功率因数补偿

   方案一、采用可控硅，可以实现对功率因数的平滑补偿，

方案二、采用固态继电器 过零触发型大功率固态继电器适用于电阻负载和感性负载。通过A/D测量负载电流、电压及电压与电流的相位角，计算得到功率因数，在单片机里面监测来实现自动的补偿控制。

图2   自动补偿图

     假设功率因数由原来的提高到,在有功功率P不变的情况下,无功功率Q和视在功率S将相应减小为Q'和S’。要达到这一目的,就必须装设无功补偿设备,通常是装设并联电容器。由图知,补偿容量为:

     其中 称为无功补偿率,单位为kvarkW,表示要使1kW的有功功率由提高到所需的无功补偿容量之值,由计算式求出补偿容量后,可据此确定单个电容器的容量和总的电容器个数。考虑到变流装置不仅使功率因数降低,而且存在高次谐波和瞬态电流脉冲,直接安装补偿用并联电容器极不安全。因此,就地补偿时,我们采取措监测在电压过零点时开通继电器

     低压无功功率补偿电容器的投切，一般都采用接触器。由于投切时会出现巨大的浪涌电流，因此对接触器有特别的要求。此外每次电容器组投入时，也会对电网造成干扰，因此如果做到电容器组投入时，没有浪涌电流很有意义。

1.5键显模块

1.51 键盘设定，系统共设定三个按键如下：

     复位建：实现单片机复位功能

     电容切换键：程序中监测，当功率因数小于0.85,自动发出请求切换电容请求,当按下该按键时实现电容切换补偿.

     电流回放按键:当按下该键时,可实现记录电流波形的回放.

1.52 显示部分

     本设计用液晶12864实现汉字显示,可以直观显示电压,电流,频率,功率因数,有功功率,无功功率等参数.

二、具体电路的设计与参数计算

2.1电流测量

测量电流信号，我们采用把康铜丝串在负载中，直接测量康铜丝两端的电压信号。所以电压信号的测量的误差，会给以后的测量带来较大的误差。关于电压测量我们讨论了两三种方案

方案一：采集经过处理后的电压、电流信号的峰值电压 ，则电源的电压的有效值。多次采集求平均可减小误差。但考虑内部AD采集间隔会在很大程度上影响对峰峰值的检测.

方案二：采用专用有效值转换芯片，直接计算电压信号有效值。但考虑到该芯片较贵，在这里不采用.

方案三：有效值采用在一个周期内进行多次采集电压值 。

     方案三能较为真实反映电网功率因数情况,所以本设计采用方案三.

2.2功率因数计算

由过零比较所得电压、电流信号的相位差，可得所求的功率因数

.三、系统方案设计

3.1总体系统框图

图3 总体系统框图

3.2系统硬件设计

图4 硬件设计图

硬件说明：采用对经过处理后的电压、电流信号A/D，经计算得到该时刻的电压和电流的有效值、。当过零检测在电压正向过零时刻产生下降沿去触发INTO中断，在中断服务程序中测得上述有关参数，从而计算出电网无功功率的盈缺量，利用 在ROM预先设置的表中查找与其对应的电容值，如果 >0，则投入电容C;若 <0则切除C，投入或者切除补偿电容器由单片机控制SSR动作，从而达到自动补偿无功功率的目的。

3.2系统软件设计

图5  主程序流程图

四、系统功能测试

4.1测试方案

4.11　电阻分压模块调试

     用信号发生器模拟交流电加在负载两端，调动电位器观察分压值是否改变，能改变说明分压部分能正常工作。

4.12　过零检测模块调试

     在过零比较模块输入端加入用信号发生器模拟的交流电，在分别在过零比较器LM311的输入端及输出端用双通道示波器观察，如由正弦波变为方波，则比较模块正常。

4.13　电压、电流放大模块调试

     在放大器件输入端加入用信号发生器模拟的交流电，同时观察输入及输出波形，发现波形幅度有合适倍数变化。则说明放大模块正常。

4.14　键盘显示模块调试

     将显示模块与单片机相连，编制一简单程序进行调试，并观察显示数码管的变化是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。

4.15　电压、电流采样模块调试

     从电压、电流模块的输出端引入单片机I/O口，进行实时采样，将测的值同时显示在数码管上，如调动信号发生器的幅度，观察到显示值有相应变化，则说明该模块能正常工作

4.2测试仪器

       数字万用表、函数信号发生器，双线性直流稳压电源，双通道示波器。

4.3测试结果

4.31 系统测试电压值

电阻值/Ω	变换器输出/V	本系统显示值/V	误差/%
20	35.9	36.0	0.3
40	36.1	36.5	1.0
60	36.0	35.8	0.5
80	36.0	35.9	0.3
100	35.9	36.1	1.0

4.32 系统测试频率值

电阻值/Ω	变换器输出/HZ	本系统显示值/HZ	误差/%
20	50.0	50.1	0.2
40	50.1	49.8	1.0
60	49.8	50.1	1.0
80	49.9	50.1	0.4
100	50.1	50.2	0.1

4.33 系统无补偿时功率因数、有功功率、无功功率

电阻值/Ω	标准功率因数	本系统测量值	误差/%
20	0.001	0.001	0.0
80	0.500	0.495	0.1
120	0.707	0.705	0.2
240	0.893	0.889	0.4
300	1.000	1.000	0.0

5.34 有补偿时功率因数、有功功率、无功功率

电阻值/Ω	标准功率因数	本系统测量值	误差/%
20	0.967	0.962	0.5
80	0.975	0.973	0.2
120	0.965	0.965	0.3
240	0.952	0.951	0.1
300	0.951	0.953	0.2

4.4测试结论：

本系统基本实现了题目所要求的各种指标，能以较高精度及较为友好界面测量并显示变压器副边电压、电流、频率、有无补偿时的功率因数、有功功率、无功功率。但仍与真实值间存在偏差，现将误差分析如下：

4.41、读数误差　由于人为原因，对数据的读取存在读数误差。
4.42、测试方法误差　功率因数的测量电压、电流的测量值间接得到，由于误差的累计效应也会使有功功率计算值与理论值存在差异。
4.43、测试环境误差　受测试电网及场地影响，实时误差较大。
4.44、电路工艺误差　受经验及制板水平的制约，所得电路会与理论值存在差距，布线无法避免线路之间以及外界的电磁干扰，从而导致一定误差。
4.45、元件参数误差　元件数量较多，尤其是补偿电容可能会因某个器件影响系统的测量精度，导致误差较大。

五、总结

本系统以凌阳ARM3S8962芯片为核心部件，利用软件编程，实现了对交流电压值、交流电流值、频率以及功率因数、有功功率、无功功率的测量及液晶显示。功率因数补偿单元能根据负载变化自动进行功率因数补偿，并且实现了投入时无明显冲击，最终使功率因数大于0.95。尽量做到线路简单，减小电磁干扰，充分利用软件编程，弥补元器件的精度不足。由于水平有限，我们认为系统还有需要改进的地方，例如，采用高精度的元器件，测量算法进一步完善等。