一种基于单片机电压采样的功率因数在线检测

　　1.引言

　　功率因数是交流电路中的重要参数，是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，也是供电线路在线监测系统的重要检测量，在功率因数补偿系统中需对其进行实时测量 [1]。因此设计出结构简单、检测精度高的功率因数在线检测电路十分必要。而功率因数的测量一般都要对被测电路的电压、电流进行采样，然后进行处理提取功率因数信号，通常由电压、电流取样电路、整形电路、同步周期测量、相位测量等组成，其缺点是结构较复杂，检修困难，有时会出现功率因数的测量精度不高的问题 [2]。为此，作者基于电压采样，经单片机软件进行分析、计算可得出被测电路的功率因数，通过显示电路显示出功率因数的大小，并由通信接口电路将被测功率因数进行远距离传输。这样既简化功率因数测量电路的结构，提高功率因数的测量精度，又增强了功率因数检测电路的功能。

　　2.原理分析

　　通过对电压的提取来检测功率因数的原理如图 1 (a)所示，首先采用 3个高精度的 WB系列数字式交流电压真有效值传感器分别对被测电路的电源电压 U1、附加可调电阻 RP两端电压 U2及负载电压 U3进行检测。可调电阻 RP的作用是使附加电阻尽可能小，以减小对被测负载的影响，又可得到数值适当的电压U2满足功率因数计算的要求。由电路理论 [3]，可画出电压 U_1 、U_2 和U_3 的相量图如图 1(b)所示，则 COSφ即是被测负载的功率因数。

图 1 电压测量原理示意图与电压相量图

　　根据几何学中的余弦定理可得，

　　由式( 2)可知，只要将电压 U1、U2、U3经过运算后就可求出负载的功率因数 COS?。为减小测量电路的硬件开销，数据的处理与计算由单片机软件完成。

　　3.单片机输入输出电路设计

　　单片机输入输出电路主要是对传感器检测的电压信号需要进行处理，主要包括信号转换、计算、存储及功率因数的显示和数据传输。为此，我们设计出了以单片机及有关部件组成的电路如图2所示。

　　电压传感器完成对电压的检测，其中 1-3端用于检测电源电压 U1、1-2端用于检测附加电阻电压 U2、2-3端用于检测负载电压 U3。

　　单片机选用 PIC16F877单片机，该芯片是目前集成外围设备模块最多、功能最强的单片机系列之一。该单片机芯片带有 8通道、10位分辨率的数模转换器 ADC模块，并具有 4K的 FLASH程序存储器。RA端口是一个只有 6个引脚的双向 I/O端口，它在基本输入/输出功能的基础上复合了 A/D转换器功能，通过端口方向控制器可定义端口引脚为输入或输出。RB、RC分别为具有 8个引脚的输入/输出可编程接口，每个I/O口能提供或吸收 20mA的电流，能直接驱动发光二极管和固态继电器，并有看门狗电路。具有外部电路结构简单，使用方便，性能可靠的特点。功率因数由单片机直接输出通过 4位红色高亮度数码管，对功率因数进行显示，显示精度达到0.001。