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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。
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。
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