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功率因数表的结构与工作原理及示波图法测量功率因数 摘要:本文主要描述测量功率因数的方法，介绍相关仪表的结构及其工作原理，在测量功率因数时产生误差的因素。现在常见的是采用单片机测量功率因数，说明它的工作原理。阐述通过示波图测量功率因数的方法。 关键字:功率因数 机械式 电子式 功率因数的定义 在交流电路中，电压(U)与电流(I)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。 在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以cosΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。 功率因数也可以由电路中纯阻值与总阻抗的比值求得。在实际电路中由于有电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)等感性负载,使功率因数降低即产生了无功功率.无功功率使得电能没有全部转化为人们所用（即有功功率），而有一部分损耗（即无功功率）。也就是因为感性负载的存在，造成了系统里的一个KVAR值，视在功率、有功功率、无功功率三者是一个三角函数的关系： KVA2=KW2+KVAR2 功率因数一般用仪表测量，有机械式功率因数表，电子式功率因数表。也可以通过示波图测量，以下分别阐述他们的结构与工作原理。 机械式功率因数表的结构及工作原理 单项功率因数表一般用于单相交流电路或使用对称负载平衡的三相交流电路中。单相表在频率不同时会影响读数准确性。常见机械式功率因数表一般有电动式，铁磁电动式，电磁式和变换器式几种。 现在以单相功率因数表为例来介绍机械式功率因数表的原理： 见图一，其可动部分由两个互相垂直的动圈组成。动圈1与电阻器R串联后接以电压U,并与通以负载电流I的固定线圈（静圈）组合，相当于功率表，从而使可动部分受到一个与功率UI cosφ和偏转角正弦sinα的乘积成正比的力矩M1， M1=K1UIcosφsinα。K1为系数，cosφ为负载功率因数。动圈2与电感器L（或电容器C）串联后接以电源电压U，并与静圈组合，相当于无功功率表，从而是可动部分受到一个与无功功率UIsinφ和偏转角余弦cosα的乘积成正比的力矩M2,M2=K2UIsinφ; cosα ，K2为系数。 对纯电阻负载,φ＝0°,M2=0，电表可动部分在M1的作用下,指针转到φ＝0°即 cosφ＝1的标度处。对纯电容负载,φ=90°,M1=0,电表可动部分在M2的作用下,指针逆时针转到φ＝90°即cosφ＝0（容性）的标度处。对纯电感负载，由于静圈电流I及力矩 M2改变了方向，电表可动部分在M2的作用下，指针顺时针转到φ＝90°即cosφ＝0（感性）的标度处。对一般负载,在力矩M1和M2的作用下，指针转到相应的cosφ值的标度处。 应用 电动系单相功率因数表可用来测量单相电路的功率因数，也可用来测量中点可接的对称三相电路的功率因数，这时电表的电压端应接相电压。对中点不可接的对称三相电路，可采用三相功率因数表来测量。 机械式单相功率因数表分别有电流接线端和电压接线端。当测量功率因数时，需要把相电压接入功率因数表中，如果电压高于输入电压的最高量程，还需要采用分压电阻使采集的相电压满足输入的要求。同时电流端也要接入线路中，试验设备是通过电流互感器的二次侧接入功率因数表中的。和大多数机械表相同，测量精度较高的范围是在总量程的30%-80%范围内，同时为了准确测量功率因数，要使功率因数表指针稳定也需要线路通电较长时间。 而，在测量较低的功率因数时，机械表就不能满足要求了。 在电路设计中，若以电路的A相为例，测量A相的功率因数。首先要把A相相电流和相电压的采样信号放大后，再进行上升沿过零触发，即可得到反映相位的方波信号，从而得到如图2所示的一组波形。从上到下分别为相电压与相电流的正弦波、相电压与相电流的上升沿时间差。 从图2可以看出，Ф角的大小和IA与UA上升沿过零的时间差τ具有线性对应关系。设T为正弦波的周期，则τ和T满足下面的表达式： 纯阻性负载：τ=O 感性负载：τ=O-T/4 纯感性时：τ=T/4 容性负载：τ=-T/4～O 纯容性时：τ=-T/4 从以上分析可以得出，只要测得时间差T，便可得到相位差角 Ф=(τ/T)*360 在硬件方面电子式功率因数表和机械式仪表一样，也是通过电能转换元件(如变压器、线性电阻)将电压、电流互感器输出的高压交流信号转换成峰值为5V的低压交流信号，然后用过零比较电路（过零比较电路的作用是将交流信号转化为方波信号，可以把运算放大器当成简单的比较器来用，同相输入端接正弦波信号，反相端接地即可）,然后接到单片机的高速输入接口HSI