功率因数表的结构与工作原理及示波图法测量功率因数

功率因数表的结构与工作原理及示波图法测量功率因数

摘要:本文主要描述测量功率因数的方法，介绍相关仪表的结构及其工作原理，

在测量功率因数时产生误差的因素。现在常见的是采用单片机测量功率因数，说明它的工作原理。阐述通过示波图测量功率因数的方法。 关键字:功率因数 机械式 电子式

1. 功率因数的定义

在交流电路中，电压(U)与电流(I)之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。

在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以cosΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。

功率因数也可以由电路中纯阻值与总阻抗的比值求得。在实际电路中由于有电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)等感性负载,使功率因数降低即产生了无功功率.无功功率使得电能没有全部转化为人们所用（即有功功率），而有一部分损耗（即无功功率）。也就是因为感性负载的存在，造成了系统里的一个KVAR值，视在功率、有功功率、无功功率三者是一个三角函数的关系：

KVA2=KW2+KVAR2

功率因数一般用仪表测量，有机械式功率因数表，电子式功率因数表。也可以通过示波图测量，以下分别阐述他们的结构与工作原理。 2. 机械式功率因数表的结构及工作原理

单项功率因数表一般用于单相交流电路或使用对称负载平衡的三相交流电路中。单相表在频率不同时会影响读数准确性。常见机械式功率因数表一般有电动式，铁磁电动式，电磁式和变换器式几种。

现在以单相功率因数表为例来介绍机械式功率因数表的原理：

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见图一，其可动部分由两个互相垂直的动圈组成。动圈1与电阻器R串联后接以电压U,并与通以负载电流I的固定线圈（静圈）组合，相当于功率表，从而使可动部分受到一个与功率UI cosφ和偏转角正弦sinα的乘积成正比的力矩M1， M1=K1UIcosφsinα。K1为系数，cosφ为负载

功率因数。动圈2与电感器L（或电容器C）串联后接以电源电压U，并与静圈组合，相当于无功功率表，从而是可动部分受到一个与无功功率UIsinφ和偏转角余弦cosα的乘积成正比的力矩M2,M2=K2UIsinφ; cosα ，K2为系数。 对纯电阻负载,φ＝0°,M2=0，电表可动部分在M1的作用下,指针转到φ＝0°即 cosφ＝1的标度处。对纯电容负载,φ=90°,M1=0,电表可动部分在M2的作用下,指针逆时针转到φ＝90°即cosφ＝0（容性）的标度处。对纯电感负载，由于静圈电流I及力矩 M2改变了方向，电表可动部分在M2的作用下，指针顺时针转到φ＝90°即cosφ＝0（感性）的标度处。对一般负载,在力矩M1和M2的作用下，指针转到相应的cosφ值的标度处。 应用 电动系单相功率因数表可用来测量单相电路的功率因数，也可用来测量中点可接的对称三相电路的功率因数，这时电表的电压端应接相电压。对中点不可接的对称三相电路，可采用三相功率因数表来测量。

机械式单相功率因数表分别有电流接线端和电压接线端。当测量功率因数时，需要把相电压接入功率因数表中，如果电压高于输入电压的最高量程，还需要采用分压电阻使采集的相电压满足输入的要求。同时电流端也要接入线路中，试验设备是通过电流互感器的二次侧接入功率因数表中的。和大多数机械表相同，测量精度较高的范围是在总量程的30%-80%范围内，同时为了准确测量功率因数，要使功率因数表指针稳定也需要线路通电较长时间。

而在转动力矩很小、功率因数低的情况下，仪表本身的损耗、角误差（电压

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线圈中电流滞后其端电压的相位差所引起的误差）以及轴承和轴尖之间的磨擦等，都会给测量结果带来不容许的误差。所以，在测量较低的功率因数时，机械表就不能满足要求了。

3. 电子式功率因数表的结构及工作原理

随着社会的发展与工厂的更新，传统的机械式功率功率因数表已经不能满足用户的要求了，同时伴随着PLC的发展，自动化的进程，需要实时检测功率因数，此时基于单片机的测量仪表应运而生，下面简述一下电子式功率因数表的工作原理。

在电路设计中，若以电路的A相为例，测量A相的功率因数。首先要把A相相电流和相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，从而得到如图2所示的一组波形。从上到下分别为相电压与相电流的正弦波、相电压与相电流的上升沿时间差。

从图2可以看出，Ф角的大小

和IA与UA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： 纯阻性负载：τ=O

感性负载：τ=O-T/4 纯感性时：τ=T/4 容性负载：τ=-T/4～O 纯容性时：τ=-T/4

从以上分析可以得出，只要测得时间差T，便可得到相位差角

Ф=(τ/T)*360

在硬件方面电子式功率因数表和机械式仪表一样，也是通过电能转换元件(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，然后用过零比较电路（过零比较电路的作用是将交流信号转化为方波信号，可以把运算放大器当成简单的比较器来用，同相输入端接正弦波信

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号，反相端接地即可）,然后接到单片机的高速输入接口HSI (High-speed input interface,HSI的作用是检测输入信号的周期，频率，占空比).然后再通过公式计算便可以得到实时的功率因数。

电子式功率因数表的另一种工作原理是通过测量电压与电流的峰值，通过公式转化从而计算出功率因数，具体方法此处不阐述了。当然电子功率因数表也有不足之处。工业生产中电网电压和负载电流的波动很大，加之半导体器件的非线性因素，因此对仪表的检测误差还是有影响的，但与传统的电动式相位表比较。结构大为简化，消耗功率极小。只要采用相应措施，会使误差大为减少，基本能检测出不同性质负载下的功率因数。 4.示波图法测量功率因数

由于试验线路的变化，机械式与电子式功率因数表已不能满足测量需要。试验站一般是通过示波图来测量试验线路的功率因数。概括一下有5种方法来确定交流通断能力试验回路的功率因数，包括直流分量法，冲击系数法，相角差法，低压推算法，直读法。低压推算法和直读法与测试系统无关，所以只有以上三种方法使用。第一，对大电流通断试验特别是预期波试验由于在低压侧合闸几乎不可行，试验站多采用高合高分，因而无法采用相角差法。第二，冲击系数法需要在电压零角度附近合闸，若试验站无选相开关，亦无法采样，即便有选相开关，一个预期波也要三次试验方可测出三相功率因数，只适合于功率因数不小于0.35的回路。第三，直流分量法虽然不要求选项合闸，但是要求波形含直流分量。这是一比较可行的方法，但是遗憾的是和上边的方法一样只适于功率因数不小于0.35的回路。第四，当回路功率因数大于0.35时，如何在示波图上确定回路功率因数，以目前的IEC及国家标准均无法解决，或是只得使用低压法确定回路功率因数。

在试验中，分别调节数据采集器的隔离放大器，积分器，使之量程满足试验电流的大小。触发采集按钮，采集三相电流波形，通过拟合法分别可以测量出三相电路的功率因数。三相电路的每相功率因数可能略有不同，但通过微调阻抗使之处于国家标准的规定范围内。

CY2007中提出的拟合法可以解决较大范围回路功率因数读数问题，通过实践表明此拟合法可以解决cos=0.1到cos=0.95范围回路功率因数读数问题，而

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且不需要同时测量电流和电压波形，仅不适于在电压90度附近合闸的波形，此时可使用直流分量法(cos<0.35)和相角差法（cos>0.35)。在实践中通过功率因数表与数据采集器比对表明，为了能更加准确地测量出功率因数,要使采集的波形占到总量程的60%及以上。在使用数据采集测量时，无论使用何种方法，为了准确测试功率因数，都必须保证零线准确，因而预期波试验前应利用软件提供的档位校零功能校证零线，必要时还需修正零线，以保证第一个光标准确。 5.结束语

在试验中，每一项试验对电压，电流，功率因数都有相应要求，同时功率因数的要求值是根据试验电流的大小来规定的。采集系统的软件在计算功率因数的时候一般采用以上前三种方法。又由于试验电路的形式多样，电路电压和电流等级都比较高，机械式的功率因数表已经不能满足所有的需求，目前采用的方法是用数据采集系统采集试验线路的电流和电压，通过A/D转换，再用拟合法测量试验电路的功率因数。在实际应用中，尤其在工厂企业中，一般多采用电子式功率因数表。当功率因数降低时就表明工厂企业线路中感抗或者容抗负载较大，导致无功功率消耗较多，线路损耗较大。必须采用一定的补偿措施使功率因数回到一个允许的范围。由此可见实时检测功率因数的重要性。

参考文献

[1] 刘新平，李军．单片机在电机功率因数测量的应用．计算机工程与设计,2007 [2] 林青云．一种功率因数测量电路及计算方法．基础自动化, 1997 [3] 徐进，王晓雪.功率因数测量方法探讨．西北纺织工学院学报,1995

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xoof.html