功率因数角的测量

利用硬件进行功率因数角的测量在工程上多采用先将正弦信号整形为方波，再利用方波的边沿作为中断源触发中断来实现。图4．40为将两路正弦波整形为方波的原理图。

图4．40 单片机实现相位采集的原理图

具体实现过程为：交流电压和电流信号经过运放分别整形为方波，经过光电隔离加以整理并去掉负半波，再经过施密特触发器整形为TTL电平的波形。获得了电压和电流信号转换来的TTL信号，则可用多种方法求得功率因数角。

目前，应用较多的方法是将获得的TTL信号通过一个与非门，其输入与输出关系见表4．5。

表4．5 与非门输入与输出关系

其相位测量的原理图如图4．41所示。通过输出波形Y的占空比，可求得功率因数角。当输出Y恒为高电平时，电压与电流之间的功率因数角为π；当输出波形Y的占空比为0．5时，功率因数角为零。但是，通过该方法只能判断出功率因数角的大小，不能判断出电压和电流之间超前或滞后的关系。如图4．42所示，当电流滞后或超前电压的角度相同时，与非门的输出相同。

由于相同的占空比对应电流滞后电压或超前电压两个不同的功率因数角，因此，使用该方法功率因数角与占空比的关系应由图4．42表示。

图4．41 相位测量原理图

图4．42 功率因数角与占空比的关系图

在静止无功功率补偿装置中，功率因数角的方向直接关系到投切电容的判断，因此，必须获得功率因数角的方向。有多种方法可以获取功率因数角的方向。例如，可以通过单片机在电压信号的某个边沿判断电流信号电平的高低来获取功率因数角的方向。当电压信号为上升沿，而电流信号为低电平时，系统处于电流滞后电压的状态。反之，当电流信号为高电平时，系统处于相位超前的状态。或者，可以将电流TTL信号通过一个微分电路后与电压的TTL信号一起通过一个与门，通过判断其输出信号中是否有正脉冲，可以判断出电压和电流的超前滞后关系，其原理图如图4．43所示。

但无论是哪种方法，都将增加外部器件并多占用单片机的I／O资源或中断资源。增加了硬件的复杂性与出错概率，并且在软件的处理上也较为烦琐。因此，这里将利用单片机的硬件特性来进行功率因数角的采集。利用单片机的硬件特性，通过一次采集获得电网频率及功率因数角，并可判断电压和电流在时间上的关系，仅占用单片机的一个外部中断和一个定时器／计数器，实现起来较为方便。

图4．43 功率因数角方向的判断

在该采集方法中，关键部分是利用单片机的输入捕获引脚ICP。该引脚的功能为捕捉边沿信号。其特点为能记录当前定时器／计数器1的值。当该引脚边沿触发时，可以将当时的定时器／计数器1的值放入寄存器。

整形后的电压信号输入单片机的外部中断引脚，上升沿触发中断。单片机接收到上升沿触发中断后，将定时器／计数器1清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期。其倒数即为频率。

整形后的电流信号输入单片机的输入捕获引脚ICP，通过单片机内部的ICP寄存器读取。由其值与周期值的比值，可计算出功率因数角，并推断出电压和电流之间的时间关系，其过程可如图4．44所示。

图4．44 使用AVR单片机进行功率因数角采集及判断

如图4．44所示，使用本方法可以在一个周期内采集到电网的频率、功率因数角，并判断出电压和电流在时间上的关系。较之第一种方法，不仅减小了硬件的开销（仅使用一个外部中断和一个ICP引脚），同时避免了对单片机引入过多中断，降低了第一种方法中由于引入额外中断而造成的程序设计上的难度，使程序的跳转更加清晰。