基于MSP430的電機(jī)功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是單片機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路及各種新型傳感元件的迅速發(fā)展和日臻成熟，微機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的普及應(yīng)用，使電力系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的功率因數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以便采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施來(lái)提高功率因數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。若三相負(fù)載不平衡，為能比較真實(shí)地反映三相電機(jī)的功率因數(shù)值，可通過(guò)采樣三相交流電中任意一相相電流以及另外兩相線電壓之間的相位差得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)，它具有低電壓、超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍。使用MSP430實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)等電力參數(shù)的測(cè)量，不但提高了測(cè)量的精度和自動(dòng)化水平，而且降低了系統(tǒng)的功耗。

1 功率因數(shù)與相位

電機(jī)的功率因數(shù)cosΦ值是相電壓與相電流的余弦值。設(shè)三相的電壓分別為UA，UB，UC，電流分別為IA，IB，IC，則它們的表達(dá)式如下：

上式中：UM表示每相電壓幅值；IM表示每相電流幅值；ω表示角頻率；Φ表示相電流滯后相電壓的相位差角。圖1給出了三相輸電線路的相電壓、相電流的矢量圖。

對(duì)于三相對(duì)稱的電源，若電機(jī)的功率因數(shù)為1，即等效總負(fù)載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差Φ=0°，而當(dāng)電機(jī)的功率因數(shù)值不為1時(shí)，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角Φ，感性負(fù)載時(shí)Φ角滯后0°～90°，容性負(fù)載時(shí)角超前0°～-90°。因此準(zhǔn)確檢測(cè)線電壓與線電流之間的相位差，即可測(cè)量出電機(jī)的功率因數(shù)角。

2 相位差Φ計(jì)算原理

相位差Φ的計(jì)算原理是利用輸入2路信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，以及信號(hào)的頻率來(lái)計(jì)算2路信號(hào)的相位差。

2.1 頻率的測(cè)量

首先測(cè)量單路輸入信號(hào)頻率，方法是記錄1路方波信號(hào)2次連續(xù)上升沿觸發(fā)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值t1和t2，計(jì)算出2次上升沿計(jì)數(shù)器差值△t=t1-t2，以定時(shí)器工作頻率fclk為參考，求出輸入信號(hào)的頻率為Fin=fclk／△N1。

2.2 信號(hào)相位差的測(cè)量

運(yùn)用TI的MSP430F449的捕獲功能，捕獲2路信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，記錄定時(shí)器這一時(shí)刻的計(jì)算值，計(jì)算出它們之間的時(shí)間差。TI公司的所有的FLASH型單片機(jī)都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1個(gè)16位定時(shí)器和多路比較／捕獲通道組成。

2路信號(hào)的相位差△=360°×△t／Ti，其中，△t=△N2／flk，△N2為2路信號(hào)的上升沿分別觸發(fā)計(jì)數(shù)器的差值；Ti為輸入信號(hào)的周期。由相位差的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：

3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為核心，主要由電壓電流檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、電源電路和顯示電路組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1 電壓、電流檢測(cè)電路

為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離，提高抗干擾能力，檢測(cè)逆變器供電條件下的相電流以及兩相的線電壓，分別采用電流互感器和電壓互感器。由于逆變器供電不平衡，造成三相交流電壓、交流電流相位差不一致，影響功率因數(shù)測(cè)量的最終因數(shù)是相位，除頻率變化造成的相位改變外，還有互感器的相差及交流采樣時(shí)電流和電壓不能同步采樣造成的相差，這些因素造成的相差實(shí)際上是一個(gè)常數(shù)。