1、仪器科学与电气工程学院本科毕业论文（设计）开题报告题 目： 单相功率因数检测电路设计学生姓名： 学 号：专 业：电气工程及其自动化指导教师： 2013 年 12 月 20 日1. 选题依据1.1 选题背景功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中功率因数越大则电路中的视在功率供给有功功率就越大，无功功率的消耗就越少。用户功率因数的高低对电力系统发、供、用电设备的充分利用有着显著的影响。无功补偿可以降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、改善供电电压质量。对运行中的发电设备来讲，负载的功率因数越低，则由电源输出并被负载所吸收的有功功率也越小，这说明发电设备的容量仅
2、有一小部分被有效利用，其余部分只是在电源与负载之间进行无用的功率交换。这样实质上等于发电设备的潜力未能得到充分的发挥。为了提高发电设备的利用率，所以必须提高负载的功率因数。近年来，随着我国国民经济 GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展，同时电力网中的无功问题也逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子的装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低
3、、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设备不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故，这对我们日常生活造成了很大影响。然而,我国和世界上的发达国家(美国、日本)相比,无论从电网功率因数还是补偿深度来看,都有较大的差距。目前,美国、日本等发达国家补偿度达 0.5 以上,电网功率因数接近 1.0,而我国补偿度仅为 0.45。我国的电网,特别是广大农村电网,普遍存在功率因数低,电网损耗较大的情况。适当提高用户的功率因数，不但可以充分发挥发、供电设备的生产能力，
4、减少线路损耗，改善供电质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节能。对于广大供电企业，特别是电动机负载波动大，负载比较多的地方，若能有效搞好无功功率补偿，可以减轻上一级电网供电压力。若提高用户的功率因数，能有效的降低电能损失，减少用户电费，其社会效益及经济效益都非常显著。因此研究无功功率补偿、改善功率因数对电网的安全经济运行有很重要的意义:（1）解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。（2）通过研究无功功率测量,掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。（3）保证电能质量,促使电力系统安全运行。1.2 国内外研究概况（）国内外技术概
5、况电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发展的。近 几 十 年 来 全 球 范 围 内 因 电 能 质 量 而 引 起 的 重 大 电力事故己达20 多起，每年电能质量扰动和电力环境污引起的国民经济损失高达 300亿美元。国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及“用户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996 年，IEEE 将每年召开一次的电力谐波国际学术会议（ICHPS）更名为电力谐波
6、与电能质量学术会议（ICHAP），把电能质量提高到一个新的认识高度。在从事电能质量产品的企业中，美国的 FLUKE 公司和瑞士的 LEM 公司的产品在全球都有广泛的应用。国内致力于电能质量产品研究的企业很多。总体来看，国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电所的各级母线电压、主变电器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量、对大、中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。（）项目组研究概况或导
7、师研究基础课题导师之前做过无功功率补偿研究与装置，可用于检测功率因数高低，提出功率因数的改善方法。（3）发展趋势或当前存在的问题随着电力电子技术的日新月异以及各们学科的交叉影响，无功补偿呈献出新的发展趋势。A、在电网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪一体化的问题。B、快速准确的检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况（如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合）。C、由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统
8、成负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。由于矿山企业采用大量的感应电动机和变压器等用电设备,特别是在近年来大功率可控硅的应用,供电系统除供给有功功率外,还需供给大量的无功功率,使发电和输配电设备的能力不能充分利用。（1）功率因数低,在发电和输电设备的安装容量一定,负荷一定时,供给网络就要供较大的视在功率,变压器的占有容量就要增大,电力系统输出的无功功率就要增多。（2）功率因数低,由输电线路中的功率损耗10p3-2rcosUNP可知，当线路额定电压 Un 和输送的有功功率 P 均保持
9、恒定时,供电网络中的功率损耗P 与功率因数 cos 的平方成反比,功率因数低 ,功率损耗将增大很多。（3）功率因数低,输送一定的有功功率,由 I= 可知,电路中的电流增大,使线路电压损失增大,使供电质量得不到保证。2课题基本内容2.1 课题目标（1）设计一套单相功率因数检测电路，包括电压和电流检测电路，经过信号调理电路。（2）由控制器进行采样、滤波之后计算，有显示屏显示功率因数。2.2 研究内容（1）研究无功功率的产生原理、电压、电流信号处理以及传感器的选择；（2）研究功率因数算法及功率因数的改善；（3）研究滤波后的相位补偿、锁相。2.3 技术要求（1）电压 220V，电流 10A，负载特性包
10、括感性、容性及整流型；（2）功率因数值范围（-0.5+0.5），精度为 0.01。2.4 预期成果（1）完成检测电路的设计；（2）基于 430 开发板，对设计的电路进行实验，完成上述技术要求。3. 开题前期基础及实施方案3.1 了解功率因数定义功率因数的定义是指输入有功功率(P)和视在功率(S)的比值, 线性电路功率因数可用 cos- 表示， 为正弦电流与正弦电压的相位差。但是由于整流电路中二极管的非线性，导致输入电流为严重的非正弦波形，仅仅用 cos- 已不能表示整流电路的功率因数了。在电子电路中，用 PF 表示功率因数。 11 1122coscoscoscosrmsinin nVIPIIF
11、S I（I 1基波电流有效值；I n（n2）n 次电流谐波有效值；I in输入电流有效值；V rms电网电压有效值；cos基波电压和基波电流的相移因数）/ = / 被称为电流的畸变因数，总谐波畸1Iin1I221nII变（total harmonic distortionTHD）的定义是所有谐波分量的有效值与基波分量有效值的比。THD= ，THD 用来衡量电网的污染程度。由此可见功率221/nII因数是位移因数和畸变因数的乘积。欲提高电路的功率因数，不仅要减小电压与电流的相位差，还必须最大限度地抑制输入电流的波形畸变，实现真正的正弦输入电流。3.2 了解无功功率原理在交流电路中，由电源供给负载
12、的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如 40 瓦的日光灯，除需要 40 多瓦有功功率（镇流器也需要消耗一部分有功功率）来发光外，还需 80 乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率决不是无用功，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使
13、转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。3.3 MSP430 开发板一般有 IO 口，LED，AD，DA，中断接口，PWM，串口，SPI 接口，下载接口
14、等功能。MSP430 系列单片机是 TI 公司近年来退出的一个优秀的 SOC 型混合微处理器产品系列，它不仅具有 16 位高效的微处理器系统，还具有丰富的、功能强大的外围电路资源，其中也包括了许多高性能的模拟电路资源。目前，在很多热门产品中都采用了 MSP430 系列单片机，其可贵之处在于它除了具备很好的数字/模拟信号处理能力外，还具备了以极低功耗运行的特点，可被广泛应用于要求低功耗、高性能、便携式的设备上，即使在某些不需要低功耗的场合，它仍然可以作为一款高性能单片机使用。MSP430 系列单片机电路资源性能优异，模拟与数字系统结合完美，系列全面、技术先进、应用面广。4. 重难点在电力网中电压
15、与电流存在相位差，对功率因数的检测具有一定的影响。故功率因数的锁相成为我们研究的难点。将电网电压作为同步信号来获得电网电压相位角，这种方法简单，但会因电网电压波形失真而导致系统输出电压和电流的畸变，甚至影响系统的稳定性，因此，一般采用锁相环来获得电网电压的相位角。锁相环路是由鉴相器(PD)（相位比较装置）、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的相位调节系统，其结构框图如图 1 所示，它用输入信号和压控振荡器输出信号之间的误差控制电压来调整压控振荡器输出信号的频率。在稳定状态下，两个信号之间的频率差为零，相位差不随时间而变化，误差控制电压为一固定值，此环路就进入“锁定状态”，即锁相环路实
16、质上是一个闭环的相位控制系统。图 1 锁相环路基本组成其基本工作原理是：鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差信号转变成电压，经过环路滤波器滤波后控制压控振荡器，从而改变系统内部同步信号的频率和相位，使之与电网电压一致。环路滤波器的主要作用是滤除误差电压 中的高频成份和噪声，产生控制信号 ，并且控制着环路相位校正的速度与精度，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。锁相环设计的最主要的环节是环路滤波器，也是直接影响锁相环性能的关键环节， 经过环路滤波器后得到一个平均电压 用来控制压控振荡器的频率变化。一般环路滤波器采用低通滤波电路，下面介绍一种常用的可实现相位无差控制的有源比例积分滤波器,其原理如图 2 所示。（a）原理图（b）波特图图 2 有源比例积分滤波器在锁相环路中，从鉴相特性上看，压控振荡器输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位，此瞬时相位可由式积分求得：以 为参考的输出瞬时相位为：由此可见，压控振荡器在锁相环中起了一次积分作用，因此也称它为环路中的固有积分环节，其 S 域传递函数为： 。锁相环的工作过程是一个循环校正的过程，当锁相环的基准信号和输出信号之间有相位差时，鉴相器输出与相位差大小成比例的脉冲作用
