可预置功率因数补偿装置的设计

摘要：本文介绍功率因数的检测方法，以及功率因数可预置补偿装置的设计方法。并分析电路的工作原理及特点。

关键词：功率因数；可预置；检测；比较

在电力系统中，由于电网的容量是一定的，这就意味着当接入负载时，其功率即为P＝U*IcosF，由于cosF<1，则说明电网的容量得不到充分利用。在P、U不变的情况下，提高功率因数cosF，能降低电网输电线路的功率损耗，提高电网的供电质量，降低生产成本。因此，提高功率因数是节能的重中之重。

由电工学理论，负载的瞬时功率由以下推论：
p=ui
=Umsinw tImsin(wt-F)
=(Um*ImcosF-Um*Imcos(2wt-F))/2
=U*IcosF-U*Icos(2wt-F)

由公式推导，瞬时功率由两个二次项组成，一项是与功率因数cosF成正比的直流分量，另一项是与电网2w频率相关的交流分量。

用乘法器将u、i相乘，得负载的瞬时功率。如果设计一个陷波器，去除负载瞬时功率的2w频率的交流分量，那么，电路就只剩下与功率因数cosF成正比的直流分量U*IcosF。

另外，可用有效值检测电路检测u、i，从而得到电压u、电流i的有效值U、I，用乘法器将U、I相乘，得负载的视在功率。由公式cosF=P/U*I可知，只要在电路多加一个除法器，就可以正确检测出负载的功率因数cosF，图1为检测功率因数cosF的方框图。

图1 检测功率因数cosQ的方框图

可预置功率因数补偿装置的工作原理

图2为可预置功率因数补偿装置的工作原理方框图。当负载接通电源后，功率因数检测电路自动检测电路的功率因数，待检测的功率因数值与功率因数预置电路的期望值进入可预置功率因数补偿装置中的比较器进行大小比较；当电路的功率因数大于期望值时，调整电路不工作，而功率因数小于期望值时，功率因数调整电路工作，调整电路通过并联电容补偿或调整负载电源的频率，从而改变负载的功率因数，当功率因数提高到期望值时，比较器输出为零，功率因数调整电路又停止工作。总之，可预置功率因数补偿装置的工作，使负载的功率因数在期望值上下的一定范围内波动，并保持稳定，这就是该电路的工作原理。

图2 可预置功率因数补偿装置的工作原理方框图

电路的基本组

成功率因数检测

由乘法器、双T型陷波器、有效值检测电路以及除法器组成功率因数检测电路。乘法器为由MC1494和集成运算放大器LM324组成的电流/电压转换器。使用双Ｔ型陷波器(见图3)的目的在于去除电路中2f电网频率信号，那么，电路就只剩下与功率因数cosF成正比的直流分量U*IcosF了。

图3 双T型陷波器电路原理图

在设计功率因数检测电路时，以下几点应该注意：
1、双T型陷波器的频率选择应为电网频率的２倍，由f0=1/2pRC正确选择参数；

2、有效值检测电路图4中，RC应满足RC>>1/2pf，而R1、R2也应满足1.41=(R1+R2)/R2的条件。图中的第一、二集成运算放大器LM324组成峰值检测电路，而第三集成运算放大器则构成比例放大器；

3、除法与乘法互为逆运算，因此，除法器仍可采用上述由MC1494和集成运算放大器LM324组成的电流/电压转换器。

图4 有效值检测电路原理图

功率因数预置

功率因数预置由电源经桥式整流得2f脉动频率，由集成电路4518分频4Hz方波，作为功率因数预置信号。由40106、4001、4023、4516、AD558、LM324组成功率因数预置电路，将数字信号转换成0~1V电压。

功率因数数字显示

功率因数数字显示部分由0~2V数字式表头改造而成，由开关控制切换功率因数预置、功率因数检测信号的显示。

功率因数检测\预置比较电路

预置输入为反相输入信号，如图6所示，调节W1、W2，使功率因数预置值有上下限，通过LM393比较器，当功率因数输入电压低于下极限时，NE55的3脚输出高电平，电路中的功率因数调整电路工作，调整电路通过并联电容补偿或调整负载电源的频率，从而改变负载的功率因数，当功率因数提高到期望值上限时，NE55的3脚输出为零，功率因数调整电路又停止工作。

图5 功率因数检测\预置比较电路原理图

功率因数调整电路

对于电感性负载，功率因数的调整可通过并联电容补偿或调整负载电源的频率，以改变负载的功率因数来实现，功率因数调整电路所涉及的内容较多，本文不作逐一论述。

结语

本文提出了可预置功率因数补偿装置的设计方法，电路原理及构成清晰。文章分析了电路的关键技术及注意事项。■

参考文献:
1. 刘淑英等主编.《电路与电子学》[J].电子工业出版社,2002.3
2. 张章.一种新颖的高精度功率因数测量装置的设计[J].自动化与信息工程,2000,20(3)
3. 宁帆等主编.《数字电路与逻辑设计》[J].人民邮电出版社, 2003.6