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。

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。

余弦值的计算采用查表和小数补偿算法。首先对计算出的相位整数度查表，求得当前值和下一整数值的余弦值；然后，计算小数部分余弦值的增量值为两整数余弦值之差乘以小数部分，最后，将当前值的整数相位余弦值加上小数值进行校正补偿。这样就可得到精度较高的功率因数。

3 系统硬件结构及其工作原理

图3为基于P89V51RD2单片机的功率因数测量仪电路原理图，该测量仪由信号预处理电路、相位检测电路、电源、显示和单片机小系统等模块组成。图3中的Ui、Ii、Uo、Io和φo各节点与图1中的各点相对应。

3．1 信号预处理电路

电压预处理电路由电压转换电路和过零比较器组成。实验发现，采用隔离变压器进行电压信号转换会造成相位偏移，且相位偏移不够稳定。因此，电压转换电路采用光电隔离器构成，由于发光管发光具有一定的滞后特性，因此由光电隔离器构成的电压转换电路除具有无相位偏移的特点外，还具有很高的过零点检测的稳定性和可靠性。

电流预处理电路由低通滤波器和过零比较器组成。电力系统中通常有电力设备开关和控制造成的突发脉冲、高次谐波和噪声等因素的干扰，这些干扰频率通常高于工频，且主要体现在电流中。为了滤除或降低干扰，在电流预处理电路中设置由U21构成的二阶Butterworth低通滤波器。其传递函数为：

式中，ωo为电路固有角频率，即低通滤波器的截止频率；ζ为电路阻尼系数。

当R21=R22=R，C11=C21=C时，为电路最佳阻尼系数，此时，低通滤波器的截止频率为：

电流门限检测电路由VD31和C31构成的半桥滤波器和比较器U31构成，只有当电流达到一定值时，比较器输出为高电平。单片机通过检测到P3．7引脚的状态为1，才开始功率因数检测。图3中U13和U22分别构成两个过零比较器，由于比较器采用单5 V供电，满足TTL电平要求。过零比较器输出端的是与输入信号频率相同的方波。

3．2 相位检测电路

由于电力系统中电压与电流的相位差大于-90°，且小于90°。因此，可直接对电压信号预处理输出的方波信号和电流信号预处理的方波信号进行异或运算。得到一串脉宽与相位成正比的脉冲波。

3．3 显示及单片机小系统电路