单片机在功率因数监控系统中的应用.pdf

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1、单片机在功率因数监控系统中的应用邱昌军(新汶矿业集团职工大学，山东莱芜2 7 1 1 0 0)摘要：较为详细地介绍功率因数监控系统的基本原理，通过检测电流、电压信号的相位差判断系统的功率因数角来控制补偿系统。系统由信号采集电路、模数转换电路、输出控制电路、显示电路及软件程序构成。实践证明，该监控系统在工程上具有较高的实用价值。关键词：功率因数；单片机；补偿电路中图分类号：T D 6 1 l文献标识码：A文章编号：1 0 0 8 8 7 2 5(2 0 0 9 0 8-0 0 3 1-0 2A p p l i c a t i o nM i c r o-c h i pC o n t r o l l

2、 e ri nP o w e rF a c t o rS u p e r v i s o r yS y s t e mQ I UC h a n g-j u n(s t a f fa n dW o r k e r sU n i v e r c i t y，X i n w e nM i n i n gI n d u s t r yG r o u p，I _ a i w u2 711 0 0，C h i a n)A b s t r a c t：T h i sp a p e rg i v eam o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ep o

3、w e rf a c t o ro ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fm o n i t o r i n g s y s t e m，b yd e t e c t i n gt h ec u r r e n t，v o l t a g es i g n a lp h a s et od e t e r m i n et h es y s t e mt oc o n t r o lt h ea n g l eo fp o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o ns y s t e m S y s t e mc o n

4、s i s t so fs i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t，a n a l o g-d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t r y，t h eo u t p u tc o n t r o lc i r c u i t，d i s p l a yc i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a m s I tp r o v e st h a tt h em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ee n g i n e

5、 e r i n go fh i S hp r a c t i c a lv a l u eb yp r a c t i c e K e yw o r d s：p o w e rf a c t o r；m i c r o-c h i pc o n t r o l l e r；c o m p e n s a t i o nc i r c u i t4 9 埘9 诤9 埘9 埘i 9 尊堪i，诤g 埘9 争球9 埘9 埘9 螬9 埘9 增啦i 鼬喈i 坩9 螬哆诤9 坩9 埘9 螬哆谆9 埘埘9 增9 喈9 增9 堪哆诤眺乒哆粤蛾煳9 h”墨扣l 蹿曲守篮淖姻诤鲫诤辨水曲谆路(3)发电机的灭磁开关

6、等设备是1 9 7 5 年的产品。动作不可靠。已多次发生合不上、跳不开等情况，影响发电机并网时间。且设备陈旧老化，属于淘汰产品目前市场已买不到该型号产品及替代产品更换况且热电厂没有修复技术能力。始终就是发电机正常运行的隐患。(4)发电成本高，浪费大，热电厂3。，矿发电机励磁机的原动电机容量分别是5 6 0 k W，5 7 0 k W，每日耗电量总计2 71 2 0 k W h。而2 台励磁机容量均是3 9 0 k W(按强励设计)，2 台日发电量最大才1 87 2 0 k W h、，正常实际运行中，每台也只有1l O k W 左右2 台日耗电量总计52 8 0 k W h 左右。由此可见很大一

7、部分电能浪费了没有作功如果改朋静态励磁。大约能节省6 0 0 o 的电能，既经济环保，又不用投入大量人力来检修了，因此很有必要进行改造。4改造方案目前随着大功率半导体整流元件的大量生产许多大型发电机采用了静止半导体整流的励磁方式。常用的静止半导体励磁系统有交流发电机式、整流变压器式等。根据热电厂现在的设备情况，采用整流变压器式，是比较经济合理的，而且施工改造简单方便。它是采用整流变压器作为电源而整流变压器直接接在发电机的出线端子上。整流线路采用可控硅元件组成的三相桥式整流整流后的直流电流经电刷、滑环送入发电机转子，配用一套电子调节装置就可以对发电机的励磁电流进行连续的自动调节。当发电机起动时，

8、整流电源由厂用电系统供给，而当发电机运行正常后再切回到发电机端。这种系统全部采用静止元件，维护工作量小。励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试，极大的提高了装置的可靠性和稳定性。随着科技的进步和在实际工作中的不断完善目前此技术已经能实现：按发电机端电压偏差的恒压调节；以励磁电流为反馈量的恒流调节；以功率因数为反馈量的恒C O S Q 调节；并能实现恒压调节、恒流调节、恒C O S Q 调节，三通道可任意无扰切换。在实际工作中已得到广泛的应用。5结束语从长远利益出发，从科技进步出发，从企业可持续发展来看，二期发电机励磁系统有必要进行改造。一方面可以提高发电

9、机组运行的稳定性，另一方面能够节省大量能源，减少运行维护工作量。是一个长期项目，功在当代，利在千秋。(责任鳊辑王秀丽)收稿日期：2 0 0 9-0 1 1 3：修订日期：2 0 0 9-0 5 0 4作者简介：邱昌军(1 9 7 0 一)，男，山东莱芜人，讲师。1 9 9 3 年毕业于辽宁工程技术大学电气工程系，现在新汶矿业集团职工大学从事自动化理论教学及研究工作T e l：1 3 9 6 3 4 6 8 1 1 6。万方数据3 2 煤炭技术第2 8 卷0前言当前。大多数中小型变电所因负荷变化较大，引起功率因数的波动较大，既影响供电系统供电质量，也提高了供电成本。同时，供电部门还将根据国家的有

10、关规定加收一定的电费。这样。长此以往会给用电单位带来很大的经济损失。所以，为更加合理、有效利用电能，研制了功率因数监控系统。1功率因数检测基本原理供电电网中功率因数一般处于两种状态。一种为功率因数角在0 9 0 0 之间。功率因数大于零小于1，此时电网中电压信号相位超前电流信号；另一种为功率因数大于9 0 0，功率因数为负值，此时电压信号相位滞后于电流信号，是过补偿状态。由以上可以看出：若检测到电压、电流信号过零时的时间差，也就检测到了电压、电流信号的相位差，即功率因数角值。这样可推导出功率因数值与电压、电流信号过零时间差的关系。如果时间小于交变信号1，4 周期值，即为欠补偿；如果时间差大于1

11、 4 周期值。即为过补偿状态。依据这个原理可进行硬件设计和软件设计。2功率因数监控系统硬件设计2 1 硬件系统基本工作原理该系统主要是根据来自电网的电压、电流互感器所反映的电压、电流交变信号，通过过零脉冲发生电路获得交变信号过零时刻的脉冲信号。使用8 0 3 1 单片机的定时计数器哟。T l 检测电网电压、电流两交变信号的相位差，依据该电位差与功率因数的关系来决定补偿用静电电容器是增加还是减少。利用单片机的P 1 口发出相应的控制信号差采用指示灯来指示功率因数的大小。图1 为该装置的电气原理图。圈1 电气原理图一一柚虬n图2 模拟输入接口电路2 2模拟输入接口电路如图2 所示在接1 2 1 电

12、路中利用5 1 变比的电流互感器及分压电阻把来自电网电流互感器的O 一5 A 电流信号转换成电压信号。利用1 0 0 5 变比的电压互感器把来自电网电压互感器的1 0 0 V 电压转换成5 V 的交变信号两信号分别送给各自的零交控制电路。以获得两信号在过零时刻的脉冲信号。然后将这两个过零脉冲信号分别送给8 0 31 单片机的定时，计数器的T D，T 1 端，完成对模拟信号过零时间的采集与转换处理。2 3 监控系统输出驱动控制及指示如图1 中右半部分监控系统驱动控制电路所示，电路由D 触发器、驱动管及继电器组成。图中D 1 D 2触发器设置成上电复位方式。并具有状态记忆功能。所采用的继电器为双触

13、点微型继电器，驱动为中等功率管。微型继电器J 3 用来在过补偿状态下控制全部补偿电容的切换，J l，J 2 用来在欠补偿状态下通过控制补偿回路接触器的通断而使补偿电容分段投入，达到合理投入补偿电容的目的。显示回路指示灯由继电器J 1，J 2，J 3 的一组触点控制。用来显示电网功率因数是处于过补偿、还是处于欠补偿。以及功率因数是在1 0 9 还是在0 8 9 0 8 之间。该回路接线如图3 所示。补偿电容切换控制线路如图4 所示。图3 显示电路图4 补偿控制电路3功率因数监控系统软件设计系统软件所要完成的功能包括：初始化，P 1口设成位控方式。定时肼数器T D 设置成定时方式，T l 设置成计

14、数方式。启动循环定时软件开始计时，当定时时间到电压信号过零脉冲到来时，r o开始计时，T 1 开始计数；若电流信号过零脉冲到来时。T 1 计数回零并停止哟计时。利用相位时间差与功率因数的关系。判断系统的运行状态是欠补偿还是过补偿，并依此决定P l 切换信号的发出。一次检测切换完成后，重新定时开始，循环工作。4结论利用变电所已有的互感器、补偿电容、接触器或开关柜，配以功率因数监控系统。实现功率因数的自动补偿，投资少，见效快，既提高供电质量又节能。本系统可同时控制多个补偿电路，进而实现更平稳的补偿，同时还可作为功率因数的指示装置使用。(责任缟辑王秀丽)万方数据单片机在功率因数监控系统中的应用单片机

15、在功率因数监控系统中的应用作者：邱昌军，QIU Chang-jun作者单位：新汶矿业集团,职工大学,山东,莱芜,271100刊名：煤炭技术英文刊名：COAL TECHNOLOGY年，卷(期)：2009，28(8)被引用次数：0次 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 刘新平.李军.LIU Xin-ping.LI Jun 单片机在电机功率因数测量中的应用-计算机工程与设计2007,28(2)在电力系统管理过程中,有必要对功率因数进行实时、准确的测量.介绍了通过测量单相电流及电压之间的相位差来得到三相系统的功率因数的检测方法,并对该方法的测量原理做了详细说明.由于使用80C196KC单

16、片机的外部事件高速输入HSI记录电流、电压过零比较器先后发生正跳变的时刻,从而能够稳定、高速地计算出三相系统的功率因数.实验结果表明,该方法具有很好的实时性和稳定性.2.学位论文 甘本鑫 电工、电子与单片机实验平台研究与开发 2009 目前，在中国许多高等院校中使用的电子单片机实验实训设备平台非常的多，但大多处在对所学知识独立应用的层面，并不能融会贯通。随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新，着力开发适合高职院电子类专业学生综合专业技能训练的实验、实训、研究平台势在必行。为了进一步提高高校职业技能的教学质量和水平，开发了适合学生学习的基于工作过程导向的项目化教学的电子单片

17、机实验平台。本设计主要在原单片机实训装置平台上研究开发了一个能够对电子信息专业学生进行电子单片机综合项目化教学的实验实训平台。从实验平台硬件电路设计和单片机软件系统设计两个主要方面对课题进行了深入的分析。先介绍了实验平台如何由220V市电转换成被测电压电流信号的整个过程及电路，在此基础上信号通过转换电路接入单片机，实现与单片机接口，并详细阐述了单片机控制系统相关电路。论文还详细阐述了测量电压、频率、相位差、功率因数、功率等相关参数的设计和分析。重点对如何先对频率、相位差测量再通过单片机编程的算法求功率因数进行了详细的分析。并介绍了软件平台，WAVE编程软件和SUPERPRO编程器的应用。最后对

18、整个实验平台设计系统进行了测试和分析，并重点分析了系统测量的误差原因。本设计最后通过对各个综合测量模块的软硬件调试，该系统可以测量提供的电压、频率、相位差、功率因数、功率等相关参数，通过分析还存在一定的测量误差。但作为项目化教学实验平台，已经达到设计的目标和要求可以应用于高职院电子类专业的教学、实验、实训等，亦可用于本专业的老师进行学习和探讨。3.期刊论文 刘燕 基于单片机的电机转速及功率因数测量电路设计-兰州交通大学学报2004,23(3)讨论了基于单片机的电机转速及功率因数的测量问题,给出了实用的电机转速和功率因数测量电路,并就采用一片8031同时测量电机转速及功率因数时存在的多中断源问题

19、进行了分析,提出了在8031周围扩展两片定时计数芯片8253的解决方案.4.学位论文 杨凡 一种基于80C196KC单片机的新型电子负载的设计 2004 本文设计了一种以80C196KC单片机为核心处理器对电子负载升压和逆变过程进行控制的方案。该方案能够使UPS在放电实验时输出的电能以近似于1的功率因数回馈到交流电网里，极大的节约了电能并且降低了对电网的谐波污染。本文分析了BOOST型DC/DC变换电路的工作原理，根据此原理设计了DC/DC升压电路，该电路采用PWM双环控制，实现了对输入电流和母线电压的控制。建立了电压环控制的仿真模型。本文分析了电压型逆变器的工作原理及电流控制方法，设计了单相

20、全桥式逆变器，并且对市电电压检测信号采用软件锁相的方式，以实现输出电流与电网电压保持同频同相。并且对逆变器的输出电流谐波和死区效应的影响进行了分析。本文详细分析了以单片机为核心的系统控制硬件设计，介绍了系统软件的设计方法，在模型仿真分析的基础上，给出了数字控制PI调节器参数的选取方法。给出了部分硬件原理图及软件流程图。本文给出了系统实验波形，实验结果表明：系统实现了较好的输出电流跟踪性能，输出功率因数接近1，而且在实验过程中，电流与电压不发生漂移，相位锁定过程平稳，速度快。基本上实现了UPS放电通过电子负载向电网馈电的功能。5.期刊论文 李炜彬 单片机在功率因数自动补偿上的应用-南方金属200

21、3,(4)单片机功率因数自动补偿控制器的软、硬件设计,使该系统在应用中实现了对电网功率因数的及时补偿和实时监测,它同时具有性能稳定、抗干扰能力强、操作简单等优点.6.学位论文 戴富坤 同步电动机功率因数调节的模糊控制 2004 在同步电动机稳定运行的前提下改变励磁电流,可以改变电网的功率因数.针对同步电动机功率因数调节的重要性,该文提出了一种以模糊控制策略为主的功率因数调节方法.在这个控制系统中,励磁电流调节为内环,主要作用是保持励磁电流的稳定性和励磁电流调节的快速性.外环为功率因数调节环,采用模糊-I的复合控制.利用模糊控制不依赖于对象模型和鲁棒性强的优点来克服同步电动机的非线性、参数实变及

22、数学模型的复杂特性和运行过程中由于发热引起的电动机参数漂移的影响;利用积分I的控制克服模糊控制消除稳态误差比较差的缺点,达到较高的控制精度.实验结果证明,采用该方法的同步电动机功率因数调节可以获得比较理想的动态和静态特性,优越性明显.7.期刊论文 张帆.马智远.刘永礼.ZHANG Fan.Ma Zhiyuan.Liu Yongli 基于单片机的低压电网功率因数监测与自动补偿系统-中国水运（学术版）2007,7(7)本文介绍了一种基于单片机的低压电网功率因数监测与自动补偿系统.其设计采用AT89S52单片机作为测控核心,通过电压和电流互感器采集电压和电流信号,采用数字检测电路来获取电压电流的相位

23、差,利用单片机对功率因素的实时监测来控制电容器投切,投切控制开关采用过零型固态继电器,使投切控制实现等电压投入,零电流切除.该装置具有对电网冲击小,响应快,抗干扰能力强,精度高等优点.8.期刊论文 白炳良.施养智.BAI Bing-liang.SHI Yang-zhi 基于相敏检波电路的功率因数测量-漳州师范学院学报（自然科学版）2010,23(2)电网通过电流及电压互感器后,利用相敏检波及相位补偿电路,实现功率因数实时、准确的测量.为电力管理系统提高电网功率因数提供借鉴.9.期刊论文 栗文洗.牛俊邦.LI Wen-xi.NIU Jun-bang 单片机测量抽油机电机功率因数-石油矿场机械20

24、07,36(7)论述了用单片机直接在线测量抽油机用电机功率因数的方法.此方法通过任意2根线的线电压和第3根线的线电流的相位差可得到电机的功率因数,并给出了硬件电路框图和软件设计原理框图.实验结果表明,该方法能较好地应用于现场的数据采集.10.期刊论文 岳卉.曹慧芹.岳连德 以单片机为核心的新一代智能功率因数自动补偿器-仪器仪表学报2003,24(6)介绍了一种以单片机和全波相敏整流放大电路组成的功率因数自动补偿器装置.该系统适用于工矿企业的动力系统及变电所电力负荷的自动监控等场合,为新一代的智能功率因数自动补偿器装置.详细论述了该装置的工作原理,给出了硬件电路框图和主要软件流程.本文链接：http:/