基于单片机的功率因数校正与无功补偿系统设计
-
题目：基于单片机的功率因数校正与无功补偿系统设计
点击下载设计资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081455 -
系统功能介绍
本系统旨在实现对电力系统中电压、电流、无功功率及功率因数等关键电参量的实时检测，并根据检测结果自动投切电容组，以完成无功补偿与功率因数校正。系统在传统无功补偿方案的基础上加入智能测量、自动控制、人机交互界面与数据存储功能，使其能在工厂、配电房、实验教学平台等场景中长期稳定运行。
通过单片机对采集的电压与电流数据进行数字化处理，并实时计算系统的视在功率、有功功率、无功功率及功率因数，根据补偿需求动态选择不同容量的电容单元进行组合投切，使功率因数达到设定目标值。系统提供手动与自动两种工作模式，满足调试与实际运行需求，同时能够通过界面显示当前各项电参量、投切状态并支持参数修改与记录，使系统具备较强的可操作性与智能化水平。
- 系统电路设计
3.1 单片机最小系统设计
系统控制核心采用单片机（如 STM32F103 或 STC32F 系列），负责高速采样、电参量计算、控制决策与显示交互。最小系统包含：
- 外部晶振时钟电路，提高运行稳定性与运算精度
- 电源稳压模块，使系统在工业环境中保持可靠供电
- 复位电路保证上电初始化有效
- 多路 IO 扩展，用于连接电压采样、电流采样、继电器、显示器、按键等模块
单片机通过 ADC 采样电压、电流信号，并融合计算无功功率与功率因数，是整个系统的核心控制单元。
3.2 电压采样电路
电压采样电路通常采用电阻分压方式将高压交流信号降到单片机可采集范围。为确保安全与测量精度，电压采样部分一般具备以下结构：
- 高压侧电阻分压
- 隔离运放或隔离变压器进行信号隔离
- 滤波电路（低通 RC 滤波）减少高频噪声
- 调理电路输出至 ADC 输入口
电压采样的关键是比例准确、隔离安全以及信号稳定，保证后续计算功率因数所需的电压相位与幅值信息可靠。
3.3 电流采样电路
电流检测采用互感器（CT）或霍尔传感器，使系统能够在高压环境中实现电流信号的安全隔离。其典型电路包括：
- 电流互感器输出电流信号
- 抗负载电阻转换为电压信号
- 滤波电路保证波形平滑
- 增益运放调整信号适应 ADC 范围
电流采样电路要求高线性度与低相位误差，以便准确计算功率因数与无功功率。
3.4 无功功率与功率因数计算电路逻辑
功率因数计算依赖电压与电流波形之间的相位差及有效值计算。系统采用软件算法完成：
- 电压有效值计算
- 电流有效值计算
- 电压、电流瞬时功率计算
- 无功功率推导
- 功率因数 cosφ 计算
虽然此部分主要通过程序完成，但电路需确保信号相位不受干扰，保证计算准确性。
3.5 电容组自动投切电路
无功补偿电路采用电容组组合方式，通常包含多个电容单元（如 5 kVar、10 kVar、20 kVar 等）。系统通过继电器或交流接触器进行投切控制。
投切电路包括：
- 单片机输出控制信号
- 三极管或光耦隔离驱动级
- 中间继电器或接触器线圈
- 电容组接入电网主回路
投切方式使用分级补偿结构，使系统能灵活选择不同容量组合，实现精细化无功补偿。
3.6 手动/自动模式切换电路
人机交互部分可通过按键或拨码开关进行模式选择：
- 手动模式：按键直接控制某一级电容投切
- 自动模式：由程序根据功率因数判断自动决策
切换信号进入单片机，根据状态选择不同控制策略。
3.7 显示界面电路（LCD1602 / OLED）
显示模块用于展示电压、电流、功率因数、补偿电容值、电容投切状态等信息。
显示电路包括：
- LCD1602（并口或 I²C 方式）或 0.96 OLED 显示屏
- 对比度调节电路
- 通讯接口（I²C/SPI）
界面设计需保证信息清晰，适合现场使用。
3.8 数据存储电路
系统采用 EEPROM 或单片机内部 Flash 用于保存：
- 目标功率因数
- 阈值设定
- 运行历史记录
- 投切状态日志
掉电不丢失，提高系统可维护性。
- 程序设计
4.1 主程序结构设计
程序采用主循环 + 中断方式管理整个系统：
int main()
{System_Init();LCD_Init();ADC_Init();Load_Parameters();while(1){Voltage = Read_Voltage();Current = Read_Current();Calc_Power_Factor();Display_Update();Mode_Control();Save_Logs();DelayMs(100);}
}
主循环实时采集电参量，计算功率因数，并根据模式做出电容投切决策。
4.2 电压与电流采样程序
ADC 采样程序需具备平均滤波能力，提高数据稳定性：
unsigned int Read_ADC(unsigned char channel)
{unsigned long sum = 0;for(int i = 0; i < 32; i++){sum += ADC_Read(channel);}return (unsigned int)(sum >> 5);
}
计算有效值时需进行平方平均处理。
4.3 无功功率与功率因数计算程序
根据电压电流的采样数据，通过计算瞬时功率来求得功率因数：
void Calc_Power_Factor()
{float p_sum = 0, s_sum = 0;for(int i = 0; i < N; i++){float v = Voltage_Samples[i];float c = Current_Samples[i];p_sum += v * c;s_sum += v*v + c*c;}PF = p_sum / sqrt(s_sum * s_sum);
}
也可根据电压与电流过零点之间的相位差计算功率因数。
4.4 自动补偿控制策略程序
根据实时功率因数与设定目标功率因数之间的差值自动决定投切组合：
void Auto_Compensation()
{if(PF < TargetPF - 0.02){Add_Capacitor_Group();}else if(PF > TargetPF + 0.02){Remove_Capacitor_Group();}
}
系统采用滞回控制防止频繁投切。
4.5 电容组投切程序
通过继电器驱动实现电容组接入或退出：
void Add_Capacitor_Group()
{for(int i = 0; i < GroupCount; i++){if(CapGroup[i].State == OFF){Relay_On(i);CapGroup[i].State = ON;break;}}
}void Remove_Capacitor_Group()
{for(int i = GroupCount-1; i >= 0; i--){if(CapGroup[i].State == ON){Relay_Off(i);CapGroup[i].State = OFF;break;}}
}
此结构使系统从小容量到大容量逐级投切，确保补偿平稳。
4.6 手动模式控制程序
手动模式用于调试，可直接按键投切电容：
void Manual_Control()
{if(Key_Add_Pressed())Add_Capacitor_Group();if(Key_Remove_Pressed())Remove_Capacitor_Group();
}
程序需进行按键去抖与状态锁定。
4.7 人机交互界面程序
用于显示电参量、功率因数和投切状态：
void Display_Update()
{LCD_SetCursor(0,0);LCD_Print("U:");LCD_PrintInt(Voltage);LCD_Print(" I:");LCD_PrintInt(Current);LCD_SetCursor(1,0);LCD_Print("PF:");LCD_PrintFloat(PF);
}
界面逻辑清晰便于现场维护与监测。
4.8 参数存储与日志记录程序
保存关键参数，掉电不丢失：
void Save_Parameters()
{EEPROM_Write(0x00, TargetPF);EEPROM_Write(0x10, Threshold);
}
运行日志也可定期存储，方便分析系统工作情况。
- 结语
本系统通过单片机对电压、电流等电参量的实时采集与分析，结合计算得出的无功功率与功率因数，自动选择适当的电容组投切，实现了智能化无功补偿与功率因数校正。系统结构清晰、功能全面、运行稳定，可广泛应用于工业配电、实验教学以及电力自动化研究领域。通过硬件测量与软件算法的协同优化，系统在提高功率因数、减少线路损耗、提升电能质量方面具有显著效果，是现代电力系统管理的重要技术方案之一。