功率因数的测量1

功率因数的测量

1.引言

功率因数是供用电网络的一个重要参数，它是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，所以准确测量功率因数在电力系统中具有重要的意义。在正弦电路中，可以通过测量电压、电流间的相位差，计算出功率因数，并根据电流滞后或者超前电压，判断出负载是感性还是电容性的，但在波形严重失真的电力系统或非正弦电路中，由于电压、电流波形发生畸变，谐波电压、电流间也产生无功功率，因此用测量相位差的方法无法准确地测量功率因数。所以，功率因数的精确测量在电力系统的运行、调度中是非常重要的。2.功率因数的定义

在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S

3.测量原理

系统电路的功率因数测量主要有两种方式：一、通过搭建电路，采样获取负载的有功功率和无功功率，再用勾股定理或三角函数计算功率因数完成。二.对于某一正弦信号，

周期性地出现过零点，测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。通过变压器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为TTL方波脉冲。相位差的计算原理是利用输入两路信号过零点的时间差，以及信号的频率来计算2路信号的相位差。本实验介绍的是利用8051单片机进行电机功率因数测量的方法，具有硬件简单、测量快速、实现方便的特点。

4.系统硬件设计

下图是以STC-51单片机为核心的功率因数测量系统硬件结构图。该测量系统主要由电流互感器、变压器（电压互感器）、整形修正电路、单片机、LED显示器和通信接口等组成。

图1

电流互感器：在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用，电流互感器就是升压(降流)变压器. 它是电力系统中测量仪表、继

电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。1次侧只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。2次侧匝数多,导线细,与阻抗较小的仪表(电流表/功率表的电流线圈)构成闭路。

5.整体电路设计

输入整形电路如下图3所示，主要功能是完成信号的隔离、波形变换和相角修正。为了消除测量端电压、电流互感器结构上的差异而产生的输出电压、电流附加移相角，需要采用电压、电流活儿变送器隔离（其跟随电网电压或负载电流的变化时间仅为1us），以保证相角差的实时测量精度。在LM393或者UA741 的输入端加了两个IN4733（或者其他的5V稳压管）稳压二极管将输入信号控制在-0.7V—+0.7之间，经过零比较器将正弦信号转变成方波，通过74HC14将得到的方波整形成标准的；用C0除高频信号，滤除谐波干扰；通过74HC74施密特整形触发器，得到TTL 方波信号，。为单片机提取可采取的信号，及提取相位差，整个过程的波形变换如图2所示。

图2

图3

6.功率因数调整方法

（1）采用人工补偿无功功率的方法，在负载两端并联无功补偿电容器。

（2）采用适当的拓扑结构和控制手段,使输入的电流值跟随输入电压波形,并且相位相同,在交流电向直流电转换的过程当中,保证高功率因数和低的总谐波含量。

设计要求：（1）写出相应的单片机程序；

（2）记录过程中的波形变化；

（3）将单片机显示的功率因数记录下，并且和功率因数测试的结果相比较，并分析误差。