基于P89V51RD2的功率因数测量仪设计

　　1 引言

　　功率因数是电力供电系统重要参数之一，将直接影响电网供电质量。随着电力电子技术的发展，各种电力开关器件在工业现场中得到广泛使用.使得电网高次谐波污染十分严重.甚至影响到功率因数的测量。

　　这里介绍一种以P89V51RD2型单片机为控制核心的功率因数测量仪，采用电流和电压信号的门限电压值的“过零检测”技术，实现信号功率因数的测量。该测量仪具有硬件电路结构简单、实用、测量精确度高、抗干扰能力强等特点，可用于各种电力应用场合的功率因数测量。

　　2 系统设计方案

　　2.1 系统设计技术

　　功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差φ的余弦。功率因数测量包括交流电压与电流相位测量和余弦值计算两部分，前者主要有直接相位-时间转换法和间接采样计算法;而后者则采用查表法和小数补偿算法。

　　对于相位测量而言，间接采样计算法是一种基于软件的相位差测量方法，采样保持放大器和A/D转换器作为模拟前端，在微处理器控制下，对模拟信号进行快速采样，按照一定的数据计算方法，计算隐含在离散的采样数据中的相位关系。但这种计算方法对微处理器和A/D转换器性能要求较高，软件设计较复杂，仅适用于精度要求较低的应用场合中。而直接相位-时间转换法是一种基于硬件的相位差测量方法，把两个具有一定相位差的正弦信号正向(或负向)过零点时刻相比较，两者的时间间隔(或脉冲宽度)表示其相位差。相位的直接相位-时间转换法原理经典，硬件实现容易，且电路抗干扰能力和稳定性更高，故选用直接相位-时间转换法测量相位。

　　2.2 工作原理

　　图1为功率因数测量中的相位-时间转换法的结构框图。

　　由于电力系统中工频周期为20 ms，因此，电压与电流的相位差测量精度取决于相位差信号的高电平宽度的测量。相位差为Φ的电压和电流信号Ui和Ii分别经电压转换器和低通滤波器。再经相应过零比较器变成方波，最后经相位-时间转换电路得到与相位成比例的高电平方波。图2给出图1中各节点的信号波形。

　　相位-时间转换法所得Φo与实际相位有一定的相位差，这是由低通滤波器引起的，可通过软件进行补偿。Φo信号是由单片机定时器定时计数高电平而测量的，其相位差Φ为：

　　式中，△t为高电平宽度。

　　由于P89V51RD2单片机振荡频率采用24 MHz，因此△t的测量分辨率可达0.5μs，因此相位精度可达0.018°，具有较高的相位测量精度。