第 28卷第 3期 2007年 3月 微 　计 　算 　机 　应 　用 M ICROCOMPU IER APPL ICATIONS Vol. 28 No. 3 Mar. 2007 利用 80C196单片机测量三相异步电动机功率因数 刘新平 　 李 　军 (中国石油大学计算机与通信工程学院 　山东 　257061) 摘 　要 :介绍了用三相交流电中任意一相的相电流与另外两相的线电压之间的相位差来测量三相异步交流电动机功率因数 的方法 ,并对该方法的工作原理作了详细说明 。使用效果表明 ,该方法软硬件设计简单 、稳定性较好 。 关键词 : 80C196单片机 　三相异步电动机 　功率因数 The Power Factor D etection of Three pha se A lterna ting Curren t M ach ine w ith the S ingle ch ip m icrocom puter of 80C196KC L IU Xinp ing, L I Jun ( The China University of Petroleum , Dongying, 257061, China) Abstract: The paper p resents the designing manner of the power factor detection of three counted by the phase difference between one phase electric current and other two It is phase voltage. The working p rincip le of the designing phase alternating current machine. manner is particularly illustrated. Keywords: single chip m icrocomputer of 80C196KC, three phase alternating current machine, power factor 1　引言 现代工业的发展 ,三相异步交流电动机在工矿企业等各个领域中都有广泛的应用 。为了对异步电动机 的工作状态进行更好地监测 ,针对具体情况采取相应的措施 ,经常需要对电动机运行期间的功率因数进行 检测 。假设电动机是三相平衡的 ,此时三相交流电中任意一相的功率因数就相当于系统的功率因数 。而检 测单相功率因数需要中性点 ,在某些应用场合中有很大不便 ; 并且在用电单位中 ,三相负载一般不太平 衡 [ 1 ] 。为能比较真实地反映三相电机的功率因数值 ,本文提出了通过采样三相交流电中的任意一相的相电 流以及另外两相的线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 。 2　工作原理 设三相的电压分别为 UA 、UB 、UC ,电流分别为 IA 、IB 、IC ,则它们的表达式如下 : UA =UM sinωt UB =UM sin (ωt - 120°) UC =UM sin (ωt + 120°) 　IA = IM sin (ωt -φ) IB = IM sin (ωt -φ - 120°) IC = IM sin (ωt -φ + 120°) 　　本文于 2005 - 10 - 11收到。 

304　　 微 　计 　算 　机 　应 　用 2007年 式中 , Um 表示每相电压幅值 , Im 表示每相电流幅值 ,ω表示角频率 ,φ表示相电流滞后相电压的相角 (功 率因数角 ) 。图 1给出了三相输电线路的相电压 、相电流的矢量图 。考虑三相三线的情况下 ,采用其中一相 的相电流和另外两相的线电压之间的相位差来测量功率因数的接线方式有 12种 [ 2 ] ,本文不作详细讨论 ,仅 给出接线在符合 A、B、C正相序条件下 ,以 A 相电流 IA 与 B、C两相的线电压 UB C之间的相位差来测量功率因 数的方法 ,如图 2所示 。关于正相序的判断问题 ,可用一个简单的附加相序判断电路来完成 [ 3 ] 。 图 2中 , UB C = UB - UC ,因此 UB C比 UA 滞后了 π /2,因而 UB C比 IA 滞后了 α。UB C =UB - UC = 3Um S in (ωt - 90°) 则 φ =π /2 -α。这样线路的功率因数 cosφ = cos(π /2 -α) = sinα。即线电流 IA 与其他两相线电压 UB C 夹角 α的正弦值 sinα即为三相输电线路的功率因数 cosφ。 针对三种负载情况 ,α表达式如下 : α = 90°负载为纯阻性 ,即 φ = 0°时 α = 90°～180°负载为容性 , 即 φ = 0°～ - 90°时 纯容性时 :φ = - 90°,α = 180° α = 90°～0°负载为感性 , 即 φ = 0°～ 90°时 纯感性时 :φ = 90°,α = 0° 在电路设计中 , 若把 A 相相电流 IA 和 UB C线电压的采样信号放大后 , 再进行上升 沿过零触发 , 即可得到反映相位的方波信 号 。针对纯阻性负载 、容性负载和感性负 载 ,经过上升沿过零触发后可得到相电流 和线电压的方波信号 , 从而得到如图 3 所 示的一组波形 , 从上到下分别为线电压与 相电流的正弦波 、相电流与线电压的上升 沿的时间差 。 从图 3可以看出 ,α角的大小和 IA 与 UB C上升沿过零的时间差 τ具有线性对应 关系 。设 T为正弦波的周期 ,则 τ和 T满足下面的表达式 : 图 3　IA 相电流和 UB C线电压波形 纯阻性负载 :τ= T /4 感性负载 : τ= T /4～0 纯感性时 :τ= 0 容性负载 : τ= T /4～T /2 纯容性时 :τ= T /2 从以上分析可以得出 ,只要测得时间差 τ,便可得到相角 α = (τ/ T) ×360°。 

2 2 2 3期 刘新平 等 :利用 80C196单片机测量三相异步电动机功率因数 305　　 3　相位差测量及功率因数计算 [ 4] 通过电能转换元件 (如变压器 、线性电阻 )将电压 、电流互感器输出的高压交流信号转换成峰值为 5V 的 低压交流信号 , 然后 用图 4 所示 的过 零比较 电路 , 将 交流信 号转 化为 方波 信号 , 接到 80C196KC 单片 机的 HSI口 。 　　 80C196KC 单片机具有外部事 件触发状态和和时刻记录功能 ,通 常称为高速输入 HSI。有四条高速 输入引脚 HSI. 0～HSI. 3,它不仅能 检测到某种输入线上的状态变化 , 而且能同时记录状态变化的时刻 。 我们使用了 HSI. 0 端和 HSI. 1 端 , 同时设定 HSI以方式 1运行 (即 HSI 引脚上每个正跳变触发一次事件 ) 。 这样当电流 、电压过零比较器先后 发出正跳变时 (电流 、电压信号过零时 ) , HSI. 0端 、HSI. 1端就先后收到触发信号 , HSI. 0和 HSI. 1的正跳变 TIME (HSI时间寄存器 ) 时刻记入了 F IFO寄存器和保持寄存器 。通过启动 HSI中断服务程序 ,可以从 HSI 读取 HSI. 0或 HSI. 1发生正跳变时定时器 T1的计数值 ,通过 HSI TIME中的计数 值是哪一个端子发生正跳变的时刻 。 STATUS可以区分出 HSI 图 4　过零比较电路 基准时间由 80C196KC内部定时器 T1提供 。它是一个 16位的计数器 ,每 8个状态周期其计数值加 1。 当 T1计满时 ,自动从头开始计数 。当采用 12MHz晶振时 , HSI可在无需 CPU干预的情况下以 2μs的分辨率 检测从其输入引脚送入的脉冲 ,从而可以实现对高速事件的检测 。HSI采用中断方式工作 。上升沿触发时 读取 H IS时间寄存器 ,电压正跳变时刻记录 T1的计数值 ,记作 n1;电流正跳变时刻读取 T1的计数值 ,记作 n2。我们就得到一个计数值之差 △n。具体编程时应考虑电压正跳变过零后计数器 T1满的情况 。 T1为 16 位 ,它的计数范围从 0～ 65535,并且连续不断循环计数 。实际中可能会出现第二次读取的时间值小于第一 次读取的时间 ,即 n2 < n1。这说明两次读数不在 T1定时器的同一个循环周期内 ,此时首先应该用 T1的最 大计数值 65535减去第一次读数 n1再加上第二次读数 n2,即 △n = 65535 n1 + n2。若 n1 < n2,则 △n = n2 n1。当系统采用 12M Hz晶振时 ,该计数值之差表示 2个正跳变事件的时间差 △t = △n ×2μs。交流电的周 波频率为 50Hz,故 T周期为 20m s,对应相位 360°,这样可求得相位差角度为 α = 0. 036 ×△n,进而用查表法 (正弦表 )便可求出电机功率因数 。 4　结束语 本文介绍的三相异步交流电动机功率因数检测方法已经在功率因数控制器中得到应用 。由于采用三 相系统中一相的相电流和另外两相的线电压之间的相位差来检测电网的功率因数 ,无需中性点 ,可适用不 同的电机接线方法 。并且 80C196KC单片机具有性能稳定 、16位的运算能力 、高速度等优点 。该方法软硬 件设计简单 、稳定性较好 。 参 　考 　文 　献 1　祁文哲. 交流三相异步电机功率因数的测量. 兰州铁道学院学报 , 2002, (4) : 64 66 2　厉小润. 一种与接线无关的三相功率因数检测方法. 电子技术应用 , 2003 , (8) : 29 3　周樟华 ,王宾. 一种实用相序检测电路. 仪表技术 , 1996, (4) : 39 4　孙函芳. 作者简介 Intel 16位单片机. 北京 :航空航天大学出版社 , 1995. 31 刘新平 ,男 , (1966 李军 ,中国石油大学计算机与通信工程学院硕士研究生 。 ) ,副教授 ,硕士 ,现为中国石油大学在读博士研究生 ,从事机电一体化以及微机在测控系统中的应用研究。