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功率因数

当需要考虑功率因数(PF)时,计量变得更有趣,这在欧盟、中国和印度的部分地方都一样。欧洲的功率因数校正(PFC)标准为EN 61000-3-2,及附录A14。

在开关电源普遍使用之前,功率因数与电抗性负载有关。电力公司通过在配电室和变电站安装大电容来处理这一问题。开关电源通过在电力线上引入与电压相位不同并由电源转换率的多次谐波组成的电流,改变了这种情况。

电力公司之所以关心功率因数,有两个原因。首先,异相功率分量代表系统容量中实际不可用的部分。其次,用电规则能防止电力提供者收取异相“虚”分量部分的费用。

EN 61000 PFC中开关电源方面的目标是限制高达39次谐波的单个谐波电流的幅度。附录A14放宽了一些要求,但不是针对个人电脑、监控器和电视设备。

功率因数及计量

要了解能量计量芯片是如何将无功功率与有功功率分开并记录,可考虑Cirrus Logic公司的CS5467,该芯片包括一个4通道ADC和一个计算引擎,具有两个电流通道和两个电压通道。

与ADI的ADE7752一样,由外部电压和电流检测元件产生信号,这些信号经放大,用于Cirrus芯片内部的δ-σ调制器(电压情况下为二阶、电流情况下为四阶)。数据转换器的输出处有级联的Sinc3和三阶无限脉冲响应(IIR)滤波器。Sinc3以数量级衰减,IIR则补偿低通十进制滤波器的5级滚降。

Cirrus芯片增加了视在功率的计算,该计算是基于多个瞬时电压和电流采样的均方根(rms)。视在功率是有功功率和无功功率的合成。功率因数是有功功率除以视在功率。有功功率决定功率因数的符号。此外,CS5467根据视在功率的平方减去视在功率的平方根的差的平方根计算无功功率。有功功率、视在功率、无功功率,以及基波功率每个计算周期都进行更新。

为得到平均无功功率,芯片将电压平均并用两者之间有90°相位差测量的电流乘以该值。90°相移由电压通道中的另一个IIR数字滤波器产生。滤波器提供所有频率的精确90°相移,并使用输入线频率与采样频率的比以得到线频率下的单位增益。

接着,瞬时正交电压和电流采样相乘,得到瞬时正交功率。随后,将N个乘积进行平均。欲了解详情,请点击www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5467_A1.pdf查看CS5467数据手册。

计量趋势

计量表的最新发展如何? Microchip公司制造独立的计量表芯片以及与该公司的PIC微控制器配合工作的芯片,按照该公司的说法,电力公司主要受要消除工作人员定期读表相关费用需要的驱动,就是消除工作人员逐个表记录的费用。

在容易盗电的环境下,如公寓大楼,计量表不再安装于大楼外墙上,而是置于大楼内带锁的壁橱里。人力“读表”员将仪器插入大楼侧边的盒子里,即可获取所有表中的读数。

插入式远程读表并不仅仅用于大型住宅结构。单个家庭结构中同样也正在出现容易读取而有防干扰的接口。这使读表人员的工作效率有所提高,并排除了与很多看家动物、过度生长的灌木以及多疑的房主潜在的相互摩檫。下一步就是将该过程变为无线的,并使在大街或人行道上即可读表。

Microchip公司称防盗服务日益受到关注,现在有些计量表含有一个独立的ADC以便连续监控线电压,以探测事故的发生。例如,它能探测计量表是否瞬时断开或其终端更换(使其倒转)。

采用变压器而非分流器来进行电流测量的计量表很容易遭受使用外部磁体的铁芯饱和的影响。如果觉得这是一个潜在问题,则可给表加一个分流器和一个变压器,两者能相互检查。

Microchip的读表产品不只是适用于具有标准微控制器外设的PIC,该公司的最新产品采用串联外设接口替代通常的RS-485接口。图6给出一个基于3片MCP3909 IC,外加1个PIC18F2520和1个PIC18F4550微控制器的三相参考设计。

PIC18F2520执行乘方运算,同时4550给桌面软件提供USB接口。与参考设计一起提供的软件包能用来对计量表进行校准。

作者:Don Tuite

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