一種功率因數(shù)的測(cè)量方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種功率因數(shù)的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置，尤其涉及一種數(shù)字顯示的工 頻單相功率因數(shù)測(cè)量方法及其測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率因數(shù)是交流電力系統(tǒng)中的重要參數(shù)之一。即時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量每一個(gè)周波 的功率因數(shù)值是電氣測(cè)量設(shè)備的首要任務(wù)。現(xiàn)有應(yīng)用于電力功率因數(shù)測(cè)量的儀器儀表基本 上是兩大類，一類是采用傳統(tǒng)的指針式、表盤式儀表進(jìn)行測(cè)量及顯示，不僅存在較大的誤 差，也已明顯的不適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字化的要求;另一類是采用半導(dǎo)體元器件、集成電路或單片機(jī) 構(gòu)成的儀器儀表，并根據(jù)對(duì)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理方法的不同形成原理、結(jié)構(gòu)各異的現(xiàn)代化測(cè)量裝 置，已經(jīng)是當(dāng)前的應(yīng)用潮流和數(shù)字化發(fā)展的方向。但是，這些現(xiàn)代化的儀器儀表、測(cè)量裝置 的測(cè)量方法中，有的是通過(guò)將兩路輸入信號(hào)經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，將方波信號(hào)經(jīng)異 或邏輯處理后得到一列脈沖，再經(jīng)整流濾波后得到與相位差成正比的直流電壓，完成相位 檢測(cè)，然后將相位差信號(hào)進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)及余弦運(yùn)算，得到功率因數(shù)值;有的是在 求得相位差角度后用查表法(余弦表)求出功率因數(shù)值;有的則是通過(guò)模擬乘除電路運(yùn)算得 出電路的功率因數(shù)cos Φ值的；還有的采用相位檢測(cè)技術(shù)中的許多方法，其應(yīng)用條件、測(cè)量 范圍、測(cè)量精度以及硬件、軟件的復(fù)雜程度都各有不同，但最終獲得的都是電流、電壓兩個(gè) 信號(hào)間的相位差即相角差Φ，要將相位差轉(zhuǎn)換成功率因數(shù)cos Φ值，還需要單片計(jì)算機(jī)再一 次通過(guò)調(diào)用計(jì)算功率因數(shù)的軟件程序進(jìn)行計(jì)算才能真正得到具體的功率因數(shù)值，這無(wú)疑增 加單片機(jī)的計(jì)算量，多占用單片機(jī)的使用時(shí)間，降低它的工作效率。簡(jiǎn)言之，目前在用的功 率因數(shù)測(cè)量方法或裝置都需要把取得的相位差通過(guò)如同前述的各種間接的方式再次轉(zhuǎn)化 成功率因數(shù)值，而無(wú)法直接一步到位地獲得功率因數(shù)值這一測(cè)量結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直接的、一步到位的功率因數(shù) 測(cè)量方法和測(cè)量裝置，而無(wú)須再通過(guò)間接的方式或通過(guò)單片機(jī)調(diào)用計(jì)算功率因數(shù)的軟件程 序進(jìn)行計(jì)算來(lái)獲取功率因數(shù)測(cè)量的最終結(jié)果，使工頻單相功率因數(shù)的測(cè)量更快速、準(zhǔn)確。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種功率因數(shù)的測(cè)量方法，其應(yīng)用于功率因數(shù)測(cè)量裝置，且該測(cè)量裝置輸入的電 壓及電流兩個(gè)信號(hào)分別為同一相的測(cè)量用電壓、電流互感器的二次電流經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)換成 的、且經(jīng)過(guò)電子線路的濾除諧波干擾等處理的正弦電壓波形信號(hào)，簡(jiǎn)稱為電壓互感器、電流 互感器的二次正弦波形信號(hào)，所述測(cè)量方法包括一個(gè)功率因數(shù)計(jì)算公式、通過(guò)該公式計(jì)算 得到數(shù)據(jù)、以及對(duì)這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、應(yīng)用方法，其包括以下步驟：
[0006] (1)一個(gè)功率因數(shù)計(jì)算公式：
[0007] cosΨ = cos(360'：) xx.) = cos(360!) x ./；. χ 1χ i) = cos(0.00036° x ./；. x /)
[0008] 式中，fr是電力系統(tǒng)的額定頻率，t是額定頻率時(shí)對(duì)同一相的電壓、電流的正弦波 形信號(hào)過(guò)零時(shí)的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)數(shù)得到的時(shí)間值，其單位為微秒(us);
[0009] (2)通常工頻的單相功率因數(shù)COS0中的穸取0~90°，其對(duì)應(yīng)于〇~弧度，為額 定頻率fr時(shí)一個(gè)周期Tr的四分之一，即jr ; 式中，Tr是額定頻率時(shí)的周期時(shí)間值； 1 10(, 設(shè)定電力系統(tǒng)額定頻率為fr時(shí)COS少中的妒由0變到叾;τ需要Hus時(shí)間，則/Γ= US，其 2 4x /, 中Η取正整數(shù)，單位為us;把時(shí)間t值由lus開始、按每次遞增lus、一直到Hus為止，分別一一 代入功率因數(shù)計(jì)算公式中的t計(jì)算得到Η個(gè)COS妒的值，該Η個(gè)COS0的值均包含小數(shù)點(diǎn)以后 四位的數(shù)值;把得到的Η個(gè)COS例直數(shù)據(jù)依照時(shí)間 t值的由小到大的順序編制成時(shí)間t值與功 率因數(shù)值轉(zhuǎn)換表，簡(jiǎn)稱"轉(zhuǎn)換表"；
[0010] (3)把時(shí)間t值從lus起到Hus為止分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，依次作為存儲(chǔ)器的地 址并一一對(duì)應(yīng)地把轉(zhuǎn)換表中的Η個(gè)COS妒值的小數(shù)點(diǎn)以后4位數(shù)字采用四位二-十進(jìn)制的 碼存入存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元中，存儲(chǔ)器采用電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPR0M，存儲(chǔ)器地址容 量應(yīng)大于5K，一個(gè)存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)單元為一個(gè)字節(jié)，可以存放2個(gè)四位二-十進(jìn)制BCD碼 也就是2個(gè)十進(jìn)制數(shù)，二個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元存放4個(gè)十進(jìn)制數(shù)，即用二個(gè)8K X 8存儲(chǔ)器，依順 序，第一個(gè)存儲(chǔ)器存放一個(gè)COS供值的小數(shù)點(diǎn)以后4位十進(jìn)制數(shù)字中的前兩位，第二個(gè)存儲(chǔ) 器存放一個(gè)值的小數(shù)點(diǎn)以后4位十進(jìn)制數(shù)字中的后兩位;其中，轉(zhuǎn)換表中的t值對(duì)應(yīng)的 第0~31個(gè)COS0值為1.0000,全部改為0.9999后把小數(shù)點(diǎn)以后四位數(shù)字存入相應(yīng)地址的存 儲(chǔ)單元中；
[0011] (4)把獲取的電壓和電流兩個(gè)信號(hào)過(guò)零時(shí)的時(shí)間差或者說(shuō)是時(shí)間計(jì)數(shù)值作為存儲(chǔ) 器地址直接讀取存儲(chǔ)器相應(yīng)存儲(chǔ)單元中的功率因數(shù)值并輸出。
[0012] -種功率因數(shù)的測(cè)量裝置，應(yīng)用所述的一種功率因數(shù)測(cè)量方法，該測(cè)量裝置輸入 的電壓及電流兩個(gè)信號(hào)分別為同一相的測(cè)量用電壓、電流互感器的二次電流經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)換 成的、且經(jīng)過(guò)電子線路的濾除諧波干擾等處理的正弦電壓波形信號(hào)，簡(jiǎn)稱為電壓互感器、電 流互感器的二次正弦波形信號(hào)，所述功率因數(shù)的測(cè)量裝置包括第一、二、三、四電路單元，第 十二電路單元和一個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，以BCD碼形式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換表中的Η個(gè)COS0值的兩個(gè) 地址線并聯(lián)的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器連接在時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊中；
[0013] 其中，第一、二電路單元的電路結(jié)構(gòu)、元器件及其參數(shù)完全相同，是把輸入的電壓、 電流互感器二次正弦波形信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成TTL電平的矩形波信號(hào)輸出的電路，
[0014] 第一電路單元包括前置電壓跟隨器山、具有開環(huán)增益的電壓比較器U4、電阻R 4、R5、 r8、r9、電容Ci、二極管〇!、二極管d2、有施密特觸發(fā)器的與非門U 6和U8、其接法是，電壓互感器 的二次正弦波形信號(hào)接入山的同相輸入端，山的反相輸入端與山的輸出端相連接，山的輸出 端和R4的一端相連接，R4的另一端和U4的同相輸入端相連接，R5的另一端和U4的反相輸入端 相連接，U4的輸出端和Rs的一端相連接，Rs的另一端和R 9的一端相連接，R9的另一端連接模擬 地，CjPR9并聯(lián)，R 8的另一端和U6的兩個(gè)輸入端相連接，二極管0:的輸入端和U6的兩個(gè)輸入端 相連接，Di的輸出端連接+5 V，D2的輸出端連接Di的輸入端，D2的輸入端連接數(shù)字地，U6的輸出 端和U8的兩個(gè)輸入端相連接，U8的輸出端是第一電路單元的輸出端，其輸出高電平的矩形波 脈沖信號(hào)；
[0015] 第二電路單元包括前置電壓跟隨器U3、具有開環(huán)增益的電壓比較器U5、電阻R 6、R7、 R1〇、Rn、電容C2、二極管D3、二極管D4、有施密特觸發(fā)器的與非門U7和U 9,其接法是，電流互感 器的二次正弦波形信號(hào)接入U(xiǎn)3的同相輸入端，U3的反相輸入端與U3的輸出端相連接，U3的輸 出端和R6的一端相連接，R6的另一端和U5的同相輸入端相連接，R7的另一端和U5的反相輸入 端相連接，U5的輸出端和Rio的一端相連接，Rio的另一端和Rn的一端相連接，Rn的另一端連 接模擬地，CdPRn并聯(lián)，R 1Q的另一端和U7的兩個(gè)輸入端相連接，二極管D3的輸入端和U7的兩 個(gè)輸入端相連接，D 3的輸出端連接+5V，D4的輸出端連接D3的輸入端，D4的輸入端連接數(shù)字 地，U7的輸出端和U 9的兩個(gè)輸入端相連接，U9的輸出端是第二電路單元的輸出端，其輸出高 電平的矩形波脈沖信號(hào)；
[0016] 第三電路單元是一個(gè)零點(diǎn)電壓調(diào)整電路單元，其包括電壓跟隨器U2、可調(diào)電阻心、 電阻R 2、R3，其接法是，可調(diào)電阻Rl·的一端連接+15V，另一端連接-15V，可調(diào)電阻Ri的可調(diào)整 端連接R2的一端，R2的另一端連接R3的一端，R3的另一端連接模擬地，R2的另一端和U2的同相 輸入端相連接，U2的反相輸入端和U2的輸出端相連接，U2的輸出端的輸出分成兩路，一路和 第一電路單元的R 5的一端相連接，R5的另一端和U4的反相輸入端相連接，另一路和第二電路 單元的R7的一端相連接，R7的另一端和U5的反相輸入端相連接；
[0017]第四電路單元由與門電路U1Q和或門電路Un構(gòu)成，其接法是，U8的輸出端連接U 10的 輸入端Ι?Ν和Un的輸入端4端腳;U9的輸出端連接Un的輸入端2in和UiQ的輸入端3端腳；
[0018] 第十二電路單元是一個(gè)用LED燈來(lái)指示功率因數(shù)超前、滯后的電路，其包括一個(gè)4 位雙向移位寄存器U16，六反相器中的兩個(gè)門電路U 13、U14,電阻R12、R13,一個(gè)指示電壓超前的 綠色LED"D 5，一個(gè)指示電流超前的紅色LED燈D6和電阻R14、電容C3以及一個(gè)脈沖延遲器;Un 的輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)該脈沖延遲器稍加微秒的延遲后輸入到U16的11腳、即CP端，以截取 電壓、電流兩者信號(hào)中的先后次序即可判斷并作出超前或滯后的紅、綠燈光指示，脈沖延遲 器的兀器件包括一個(gè)或門電路U21，兩個(gè)或非門電路U23、U24,六反相器中的一個(gè)門電路U22和 電阻R 16、電容C5;脈沖延遲器的接法是，Un的輸出端分別連接U21的兩個(gè)輸入端，U 21的輸出端 和Rl6的一端相連接，Rl6的另一端分別與U23的一個(gè)輸入端及C5的一端相連接，C5的另一端連 接數(shù)字地，U23的另一個(gè)輸入端和U24的輸出端相連接，U23的輸出端和U24的一個(gè)輸入端相連 接，U22的輸入端和U21的輸出端相連接，U22的輸出端和U24的另一個(gè)輸入端相連接，U24的輸出 端是脈沖延遲器的輸出端，該輸出端連接到U 16的11腳、即CP端；
[0019] 第十二電路單元中的u16的3腳和U8的輸出端相連接，U16的5腳和U 9的輸出端相連 接，U16的1、9、10腳和Rw的一端相連接，Ri4的另一端和+5V相連接，Rw的一端還和C 3的一端相 連接，C3的另一端連接數(shù)字地，U16的15腳和U 13的輸入端相連接，U13的輸出端和綠色LED燈D5 的負(fù)極相連接，D5的正極通過(guò)R12和+5V相連接，U16的13腳和Uw的輸入端相連接，Uw的輸出端 和紅色LED燈D 6的負(fù)極相連接，D6的正極通過(guò)R13和+5V相連接；
[0020] -個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，以BCD碼形式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換表中的Η個(gè)COS穸值的兩個(gè)地址線 并聯(lián)的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器連接在該時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊中。該時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊具有 兩種應(yīng)用形式：當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明功率因數(shù)測(cè)量方法的功率因數(shù)測(cè)量裝置被應(yīng)用于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確 度要求較低的普通測(cè)量場(chǎng)合時(shí)，測(cè)量裝置中的時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊采用測(cè)量型時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用 模塊，裝置稱為測(cè)量型功率因數(shù)測(cè)量裝置；當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明功率因數(shù)測(cè)量方法的功率因數(shù)測(cè) 量裝置被應(yīng)用于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求較高的交流電能計(jì)量場(chǎng)合時(shí)，測(cè)量裝置中的時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng) 用模塊采用計(jì)量型時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，裝置稱為計(jì)量型功率因數(shù)測(cè)量裝置；
[0021] 當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明功率因數(shù)測(cè)量方法的功率因數(shù)測(cè)量裝置被應(yīng)用于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要 求較低的普通測(cè)量場(chǎng)合時(shí)，測(cè)量裝置中的時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊采用測(cè)量型時(shí)間數(shù)據(jù)應(yīng)用模 塊，其包括第五、六、七、八、九、十、十一電路單元；
[0022] 第五電路單元是10MHZ脈沖產(chǎn)生及十分頻電路，其輸出的1MHZ脈沖輸入到第六電 路單元，所述第五電路單元包括10MHZ晶體振蕩器、六反相器U 3Q、十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器U29、電 阻如、1?18、1?19、電容C 6,其接法是，六反相器U3Q的第1、2腳之間連接電ffiR18，U3Q的第3、4腳之 間連接R 19，U3Q的第2、3腳之間連接C6，U3Q的第1、4腳之間連接10ΜΗΖ晶體振蕩器，U 3Q的第2腳 和第13腳相連接，U3Q的第12腳和十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器U29的第2腳CP端相連接，U 29的第1、7、9和 10腳通過(guò)電阻Rn與+5V電源連接，U29的第15腳輸出10MHZ經(jīng)十分頻后的1MHZ脈沖，即每微秒 為1個(gè)脈沖；
[0023]第六電路單元是由四個(gè)四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器1]25、1126、1127、1]28依次連接而成的一 個(gè)16位二進(jìn)制的時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)電路，其輸出的是一個(gè)由零開始、每次遞增lus的16位二進(jìn)制 數(shù)，該四個(gè)計(jì)數(shù)器中的左側(cè)第一個(gè)、即U 25的第14腳是輸出的16位二進(jìn)制數(shù)中的最低位，該四 個(gè)計(jì)數(shù)器中的右側(cè)第一個(gè)、即U28的第11腳是輸出的16位二進(jìn)制數(shù)中的最高位，其接法是， U25的第15腳連接U26的第10腳，U26的第15腳連接U 27的第10腳，U27的第15腳連接U28的第10腳， 四個(gè)計(jì)數(shù)器的第2腳CP端與U 29的第15腳相連接，四個(gè)計(jì)數(shù)器的第7、9腳和U25的第10腳通過(guò) 電阻Rn與+5V電源相連接，四個(gè)計(jì)數(shù)器的第1腳巧端和第四電路單元的Un的輸出端相連 接；
[0024]第七電路單元是一個(gè)保持脈沖電路，由四2輸入與門U35中的一個(gè)與門電路構(gòu)成;所 述保持脈沖電路是將暫存的采樣時(shí)間數(shù)據(jù)至少保持20ms、即一個(gè)周波的時(shí)間，保持脈沖電 路的設(shè)置的條件是，0保持脈沖出現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)處于時(shí)間計(jì)數(shù)電路啟動(dòng)計(jì)數(shù)后的5000US到 10ms之間且盡可能靠近5000US這一側(cè)，痧設(shè)置該保持脈沖時(shí)所用的硬件盡量少;根據(jù)前述 條件經(jīng)過(guò)比較后選擇十進(jìn)制數(shù)5120,其設(shè)置方法是，把十進(jìn)制數(shù)5120轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)、即 0001，0100,0000,0000，當(dāng)時(shí)間計(jì)數(shù)電路啟動(dòng)后該二進(jìn)制數(shù)的第11、13位同時(shí)出現(xiàn)高電平時(shí) 即表示計(jì)數(shù)值為十進(jìn)制數(shù)的5120;其接法是，U 35的1腳與第六電路單元中的U27的12腳相連 接，U35的2腳與U 28的14腳相連接，U35的3腳是第七電路單元的輸出端，其和第九電路單元四 個(gè)寄存器的CP端相連接；
[0025] 第八電路單元是四個(gè)以并入-并出方式工作的4位雙向移位寄存器U31、U32、U33、U 34 依次連接成的時(shí)間數(shù)據(jù)暫存電路，其接法是，四個(gè)寄存器共16個(gè)數(shù)據(jù)輸出端和第九電路單 元的16個(gè)數(shù)據(jù)輸入端一一對(duì)應(yīng)相連接；四個(gè)寄存器共16個(gè)數(shù)據(jù)輸入端和第六電路單元的16 個(gè)數(shù)據(jù)輸出端一一對(duì)應(yīng)相連接，四個(gè)寄存器的端和第四電路單元Un的輸出端相連接，四 個(gè)寄存器的CP端和第四電路單元U 1Q的輸出端相連接，四個(gè)寄存器的第9、10腳連接電阻R20 的一端，R2Q的另一端和+5V電源連接，R2Q的一端通過(guò)C7連接數(shù)字地；
[0026] 第九電路單元是四個(gè)以并入-并出方式工作的4位雙向移位寄存器U36、U37、U38、U 39 依次連接成的時(shí)間數(shù)據(jù)保持電路，其接法是，四個(gè)寄存器共16個(gè)數(shù)據(jù)輸出端中的前十三個(gè) 依序和第十電路單元的兩個(gè)存儲(chǔ)器并聯(lián)的13條地址線端腳一一對(duì)應(yīng)相連接，四個(gè)寄存器共 16個(gè)數(shù)據(jù)輸入端和第八電路單元的16個(gè)數(shù)據(jù)輸出端一一對(duì)應(yīng)相連接，四個(gè)寄存器的CP端和 第七電路單元U35的3腳相連接，四個(gè)寄存器的第1、9、10腳和電阻R 2Q的一端相連接，R2Q的另 一端和+5V電源連接，R2Q的一端通過(guò)C7連接數(shù)字地；
[0027] 第十