专利名称：一种功率因数采样及补偿设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力设备制造领域，更具体的说，本实用新型是关于改善电网品 质的一种功率因数采样及补偿设备。
背景技术：
目前电网功率因数控制器中的功率因素采样技术经历了两个阶段，在电力电子技 术尚未成熟阶段，电网谐波问题不明显，电能质量较好，电流电压的波形畸变普遍较小，功 率因数的采样技术也较为单纯，即检测电压和电流信号的过零相位差直接计算得到；随着 电力电子技术的发展，电网中大功率电力电子设备大量应用，谐波问题也日益严重，电压和 电流信号的过零点受谐波干扰也日益明显，导致传统的检测方法不能准确采样到真实的功 率因数，在此阶段发展出另一种检测手段，即分别对电压和电流信号进行离散A/D转换，在 一个周波内同步采集电压和电流信号，分为N点，分别计算电压和电流的真有效值，通过 C0S=P/S计算得到准确的功率因数；但这里仍然存在一些问题，一是N点采样基于电压同步 信号的频率采样，但受谐波干扰，频率采样受影响，间接影响装置稳定性，二是在判断超前 滞后上存在一定的复杂性，因为需要将电压和电流信号进行低通滤波处理，分别滤除其中 的谐波成分，再判断信号间的相位关系，而低通处理后必然导致信号相位差的偏离，反过来 影响功率因数计算的误差。中国专利局于2009年6月17日公开了一份CN101459339A号文献，名称为功率因 数补偿控制器，该控制器包括电源电路、电压电流采样电路、CPU处理电路、LED显示电路、 补偿控制输出电路、开关量输入输出电路、RS485通讯电路；电压电流采样电路取样的电压 信号和电流信号经A/D数模转换后，输出的量化值与开关量输入输出电路输入的开关量信 号以及屏内温度信号一起送入到CPU处理电路进行处理，处理后输出电压、电流、频率、有 功功率、无功功率、有功谐波百分量、功率因数、温度信号通过RS485通讯电路传送到其它 外部设备，CPU处理电路还通过开关量输入输出电路输出外部电容柜内风机控制信号及通 过补偿控制输出电路进行外部补偿电容投切。该控制器的缺点是当电网存在较大高次谐波 成分时，检测的功率因数值会有较大的偏差，从而造成功率因数补偿的较大偏差，同时设备 也比较复杂，成本较高。
发明内容本实用新型为了解决当电网存在较大高次谐波成分时使功率因数参数检测有较 大偏差的问题，提供了一种功率因数采样及补偿设备，能用简单的硬件设备克服功率因数 检测的偏差。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是本实用新型的一种功率因数采 样方法，包括如下步骤A. 从电网取得电流信号I，电压信号U;B. 用幅值为1的正弦波信号M分别与I、U信号相乘得到II、Ul信号；[0008] U2信号
C.将II、Ul信号两阶低通滤波后再2倍放大增益得到IPl、UPl信号；
D.将IPl、UPl信号分别再与M相乘得到IP、UP信号；
E.用幅值为1、与M相位差90度的正弦波信号N分别与I、U信号相乘得到12、
F.将12、U2信号两阶低通滤波后再2倍放大增益得到IQ1、UQl信号；
G.将IQl、UQl信号分别再与N相乘得到IQ、UQ信号；
H.将IP与IQ相加得到IJB信号，将UP与UQ相加得到UJB信号； ι. 计算 Φ =&ι·(^β(ιοι/ Ρ )，Φυ=&ι·(^β(υοι/υρι) ；Φυ-ΦΙ 即为电网电流 I、
电压U两个信号间基波的相位差；J. 计算 IC= (I2-IJB2) 1/2, UC= (U2-UJB2) 1/2 ;IC、UC 即为电网电流 I、电压 U 两 个信号的谐波分量。一般的采样技术是基于电压过零的同步信号，当电压过零时启动A/D转换，这个 方法是以电压信号为基准X轴(即Φιι=0 )，如前所述，由于谐波的存在使得电压过零信号 受到干扰；为了解决这个问题，应寻求一种方法可允许在任意时刻启动A/D转换，而不需要 过零信号的支持，这个方法是以任意角度为基准X轴，电压和电流信号在X-Y平面上也以任 意角度旋转，与通常的C0S=P/S的计算方法不同，该方法是提取电压和电流基波成分的相 位差(Φιι-Φ )为基础，除了得到功率因数和电压电流的真有效值外，还可额外得到电压和 电流的谐波分量值，而无需在CPU内部进行复杂的傅立叶计算；分析如下以任意角度为基准X轴(即任意时刻启动A/D采样)，电网电压u可以分解为
u=up+uq+uh -------------------( 1)式中up为基波电压在X轴上的分量；uq为基波
电压在Y轴上的分量；Uh为谐波电压。式(1)用傅立叶级数展开可表示为
mu=2 ^n cos (滅坟 + ^n)~
s-l
IS
UPlcos (ω t+Φυ) +UQlsin (ω t+Φυ)+ Σ汤°_勰 + ·)------------------⑵式中
UPl和UQl分别为电压基波在X、Y轴上的分量的幅值；式(2)两边同乘以cos GJt，可得
γ ΤΤ 了 j/~y\c^ucoscot=——(l + cos2 ω t) + -M- sin2 ω t+{cos [ (n+1)
2Χ·· J
ω +Φη]+οο8[(η-1) ω +Φη]} ----------------(3)从式(3)我们可得到基波电压在X轴上的分量up幅值UPl的一半。用低通滤波 器滤除式(3)中的交流成分，将增益扩大一倍，便得到UPl，再乘以标准余弦信号cos ω t，可 得到up up=UPlcos ω t-------------------(4)式(2)两边同乘以sin cot，可得
Γ UPlUQl ,\usincot=——(l_cos2cot) +
2 2
"UnΣ— {sin[(n+l) ω t+Φη]-sin [ (η-1) ω +Φη]} ----------------(5)从式(5)我们可得到基波电压在Y轴上的分量uq幅值UQl的一半。用低通滤波器滤除式(5) 中的交流成分，将增益扩大一倍，便得到UQ1，再乘以标准正弦信号sincot，可得到uq Uq=UQlsin ω t-------------------(6)进而可得到谐波电压uh=u- (up+uq) --------------------(7)用同样的方法处理电流信号i=ip+iq+ih -------------------(8)式中ip为基波电流在X轴上的分
量；iq为基波电流在Y轴上的分量；ih为谐波电流。式(8)用傅立叶级数展开可表示
为:
式中ΙΡ1和IQl分别为电流基波在X、Y轴上的分量的幅值；式(9)
两边同乘以cos cot，可得 从式(10)我们可得到基波电流在X轴上的分量ip幅值IPl的一半。用低通滤波 器滤除式(10)中的交流成分，将增益扩大一倍，便得到IP1，再乘以标准余弦信号cos t， 可得到ip ip=IPlcoscot-------------------(11)式(9)两边同乘以sin cot，可得
式(12)我们可得到基波电流在Y轴上的分量iq幅值IQl的一半。用低通滤波器滤除式 (12)中的交流成分，将增益扩大一倍，便得到IQ1，再乘以标准正弦信号sin t，可得到iq:iq=IQlsincot-------------------(13)进而可得到谐波电流ih=i-(ip+iq) --------------------(14)由此从电压互感器、电流互感器二次侧可分别得到电压信号U、电流信号I，M、 N为90°相位差、幅值为1的正交正弦波信号，无需要求与电压或电流同相位；电压和电流信 号处理流程一样，以电流为例进行说明电流信号I与M相乘，经过二阶低通滤波和2倍放大增益后得到与I的基波X轴 分量峰值相同的直流信号IP1，其与M信号再次相乘得到I在X轴的分量波形IP ；同理可得 I在Y轴的分量波形IQ和其对应的IQl，IP和IQ相加即得I的基波波形IJB ；同理可得电压信号U的UP1、UQ1和基波波形UJB。由于IJB和UJB均为不含谐波 成分的工频信号，计算处理的方法就简便许多，通过IPl和IQl的反正切计算可以得到IjB 在X-Y平面上的相位角ΦΙ，即◎ParctgdQl/IPl)，同理可以得到UJB在X-Y平面上的相位角Φυ，cDU=arctg(UQl/UPl) ； Φυ_Φ I即为两个信号间基波的相位差，也就得到了准确 的功率因数值；向量图如图1所示。其次，用(7)和(14)式很容易得到电流和电压的谐波分量，无需经过傅立叶计算。本实用新型提供了用本方法实现的一种功率因数采样及补偿设备，包括微处理器 及与微处理器相连的信号采样电路、显示电路、驱动电路。采样电路负责从电网获取电压、 电流信号，并进行信号预处理；微处理器将采样电路处理完成的信号按照本发明所提供的 方法作进一步的计算，可获得电网功率因数、电压、电流的谐波分量等参数值；显示电路将 采样、计算结果进行显示；微处理器根据采样、计算结果控制驱动电路进行补偿电容器的投 入或切除。作为优选，微处理器是C8051F410型微处理器。C8051F410型微处理器具有性能稳 定、价格低廉的优点。作为优选，采样电路包括运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C;运算放大器A 的输入+端通过电阻Rl与电网电流采样信号I相连，运算放大器A的输入-端与运算放大 器A的输出端相连，运算放大器A的输出端与C8051F410型微处理器Pl. 0端相连；运算放 大器B的输入+端通过电阻R2与电网电压采样信号U相连，运算放大器B的输入-端与运 算放大器B的输出端相连，运算放大器B的输出端与C8051F410型微处理器Pl. 1端相连； 运算放大器C的输入+端与C8051F410型微处理器REF端相连，运算放大器C的输入-端 与运算放大器C的输出端相连，运算放大器C的输出端通过电容器Cl、电阻R3的并联电路 与运算放大器A的输入+端相连，运算放大器C的输出端通过电容器C2、电阻R4的并联电 路与运算放大器B的输入+端相连，运算放大器C的输出端通过电容器C3与地相连。采样 电路从电网取得的是交流信号，而微处理器只能接收直流信号，为此从微处理器的REF脚 引出基准源电压信号作为直流偏置信号；运算放大器A、B、C作为信号跟随器，电容器Cl、电 阻R3的并联电路及电容器C2、电阻R4的并联电路作为低通滤波电路可以去掉信号中的毛 刺。作为优选，运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C是LM324A型运算放大器。 LM324A型运算放大器可以方便地从市场采购到，价格低廉。作为优选，显示电路包括CH452型八段码显示驱动芯片及与CH452型八段码显示 驱动芯片相连的八段码显示器，CH452型八段码显示驱动芯片的DCLK、DIN、LOAD脚分别与 C8051F410型微处理器的P2. 4、P2. 5、P2. 6脚相连。作为优选，驱动电路是继电器，继电器的线圈与C8051F410型微处理器的数字输 出端相连，继电器的触点与投切补偿电容的接触器相连。作为优选，继电器有12个，各继电器的线圈分别与C8051F410型微处理器的数字 输出端P0. 0-P0. 7及Pl. 4-P1. 7相连，各继电器的触点与各投切补偿电容的接触器相连。本实用新型的有益效果是功率因数计算及超前滞后的判断由电压和电流基波分 量进行，不受谐波干扰；不需要电压同步信号的支持，工作稳定；附加可得到电压和电流的 谐波分量，而不需要经过复杂的傅立叶计算；硬件电路极为简化，成本低廉。
图1是本实用新型的一种向量图；[0052]图2是本实用新型功率因数采样及补偿设备的一种电气原理图。图中1. C8051F410型微处理器，2.采样电路，3.显示电路，4.驱动电路，5. CH452 型八段码显示驱动芯片，6.八段码显示器。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图对本实用新型的技术方案作进一步具体的说 明。实施例本实施例的一种功率因数采样方法，包括以下步骤K. 从电网取得电流信号I，电压信号U;L. 用幅值为1的正弦波信号M分别与I、U信号相乘得到II、Ul信号；M. 将II、Ul信号两阶低通滤波后再2倍放大增益得到IPl、UPl信号；N. 将IPl、UPl信号分别再与M相乘得到IP、UP信号；0. 用幅值为1、与M相位差90度的正弦波信号N分别与I、U信号相乘得到12、 U2信号；P. 将12、U2信号两阶低通滤波后再2倍放大增益得到IQ1、UQl信号；Q. 将IQl、UQl信号分别再与N相乘得到IQ、UQ信号；R. 将IP与IQ相加得到IJB信号，将UP与UQ相加得到UJB信号；S. 计算◎ParctgdQl/IPl)，◎UsarctgCUQl/UPl) ； Φυ_Φ I 即为电网电流 I、 电压U两个信号间基波的相位差；Τ. 计算 IC= (I2-IJB2) 1/2, UC= (U2-UJB2) 1/2 ;IC、UC 即为电网电流 I、电压 U 两 个信号的谐波分量。用本方法实现的一种功率因数采样及补偿设备，参见图2，包括C8051F410型微处 理器1、与C8051F410型微处理器1相连的采样电路2、显示电路3、驱动电路4 ；采样电路2 包括LM324A型运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C，运算放大器A的输入+端通过 电阻Rl与电网电流采样信号I相连，运算放大器A的输入-端与运算放大器A的输出端相 连，运算放大器A的输出端与C8051F410型微处理器1的Pl. 0端相连；运算放大器B的输 入+端通过电阻R2与电网电压采样信号U相连，运算放大器B的输入-端与运算放大器B 的输出端相连，运算放大器B的输出端与C8051F410型微处理器1的Pl. 1端相连；运算放 大器C的输入+端与C8051F410型微处理器1的REF端相连，运算放大器C的输入-端与 运算放大器C的输出端相连，运算放大器C的输出端通过电容器Cl、电阻R3的并联电路与 运算放大器A的输入+端相连，运算放大器C的输出端通过电容器C2、电阻R4的并联电路 与运算放大器B的输入+端相连，运算放大器C的输出端通过电容器C3与地相连。显示电路3包括CH452型八段码显示驱动芯片5和八段码显示器6，CH452型八 段码显示驱动芯片5的DCLK、DIN、LOAD脚分别与C8051F410型微处理器1的P2. 4、P2. 5、 P2. 6脚相连；CH452型八段码显示驱动芯片5的SG0-SG7脚分别与八段码显示器6的A-H 脚相连，CH452型八段码显示驱动芯片5的DIG0-DIG2脚分别与八段码显示器6的DG0-DG2 脚相连。驱动电路4包括12个中间继电器，各中间继电器的线圈的一端分别与C8051F410型微处理器1的Po. 0-P1. 4脚相连，各中间继电器的线圈的另一端接地，各中间继电器的触 点分别控制各投切补偿电容的接触器。 以上的实施例只是本实用新型的最佳方案之一，并非对本实用新型作任何形式上 的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
权利要求一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于包括微处理器及与微处理器相连的信号采样电路、显示电路、驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于所述微处理器 是C8051F410型微处理器。
3.根据权利要求1或2所述的一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于所述采样 电路包括运算放大器(A)、运算放大器(B)、运算放大器(C)；所述运算放大器(A)的输入+ 端通过电阻(Rl)与电网电流采样信号I相连，所述运算放大器(A)的输入_端与运算放大 器㈧的输出端相连，运算放大器㈧的输出端与C8051F410型微处理器P1.0端相连；所 述运算放大器(B)的输入+端通过电阻(R2)与电网电压采样信号U相连，所述运算放大器(B)的输入-端与运算放大器(B)的输出端相连，运算放大器(B)的输出端与C8051F410型 微处理器Pl. 1端相连；所述运算放大器(C)的输入+端与C8051F410型微处理器REF端相 连，运算放大器(C)的输入-端与运算放大器(C)的输出端相连，运算放大器(C)的输出 端通过电容器(Cl)、电阻(R3)的并联电路与运算放大器(A)的输入+端相连，运算放大器(C)的输出端通过电容器(C2)、电阻(R4)的并联电路与运算放大器(B)的输入+端相连，运 算放大器(C)的输出端通过电容器(C3)与地相连。
4.根据权利要求3所述的一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于所述运算放大 器(A)、运算放大器(B)、运算放大器(C)是LM324A型运算放大器。
5.根据权利要求1或2所述的一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于所述显示 电路包括CH452型八段码显示驱动芯片及与CH452型八段码显示驱动芯片相连的八段码显 示器，CH452型八段码显示驱动芯片的DCLK、DIN、LOAD脚分别与C8051F410型微处理器的 P2. 4、Ρ2· 5、Ρ2· 6 脚相连。
6.根据权利要求1或2所述的一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于所述驱动 电路是继电器，所述继电器的线圈与C8051F410型微处理器的数字输出端相连，继电器的 触点与投切补偿电容的接触器相连。
7.根据权利要求6所述的一种功率因数采样及补偿设备，其特征在于所述继电 器有12个，各继电器的线圈分别与C8051F410型微处理器的数字输出端Ρ0. 0-Ρ0. 7及 PI. 4-Ρ1. 7相连，各继电器的触点与各投切补偿电容的接触器相连。
专利摘要本实用新型涉及一种功率因数采样及补偿设备，目的是解决当电网存在较大高次谐波成分时使功率因数参数检测有较大偏差的问题，包括微处理器及与微处理器相连的信号采样电路、显示电路、驱动电路。本实用新型不受谐波干扰，不需要电压同步信号的支持，工作稳定；附加可得到电压和电流的谐波分量，而不需要经过复杂的傅立叶计算；硬件电路极为简化，成本低廉。
文档编号G01R19/25GK201637778SQ20102016256
公开日2010年11月17日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者王家凯, 蒋鲁军, 陈识微 申请人:浙江容大电力设备制造有限公司