一种具有谐波计量功能的单相电能表的制作方法

本发明涉及电能计量技术领域,具体地说是一种具有谐波计量功能的单相电能表。

背景技术：

由于非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。因此必须对非线性用电设备产生的谐波进行处理，那么首先要完成的就是谐波的计量。

目前电能表都是只计量基波产生的电能，并且都是基于电能表计量芯片设计而成，这对谐波电能表的设计，采样芯片的选择都非常局限，而且成本非常高，不利于谐波电能表的推广使用。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电路设计简单、成本低的具有谐波计量功能的单相电能表，

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有谐波计量功能的单相电能表，其特征是：包括输入运算放大模块、A/D转换模块、控制模块、电能储存模块、按键模块、LCD显示模块和电源模块，电压、电流信号依次经过输入运算放大模块、A/D转换模块输入到控制模块，所述控制模块还连接电能储存模块、按键模块和LCD显示模块；

所述电源模块包括交流-直流电压转换电路，高压直流-低压直流转换电路和低压直流-稳压直流转换电路。

优选地，所述输入运算放大模块包括直流偏置信号产生电路、直流脉动电压信号产生电路和直流脉动电流信号产生电路，所述直流偏置信号产生电路产生直流偏置信号，所述直流脉动电压信号产生电路包括运算放大器U10A，所述直流脉动电流信号产生电路包括运算放大器U10B，所述直流偏置信号分别输入运算放大器U10A和U10B的同相输入端。

优选地，所述交流-直流电压转换电路包括压敏热敏电阻RVT1、滤波电感L3、滤波电感L4、整流二极管D2和滤波电容C4，所述压敏热敏电阻RVT1的1管脚连接交流电压信号AC_N，3管脚分别连接交流电压信号AC_L和滤波电感L4的一端，2管脚连接滤波电感L3的一端，滤波电感L3的另一端连接整流二极管D2的负极，整流二极管D2的正极分别连接电感L1和滤波电容C4的一端，滤波电容C4的另一端连接滤波电感L4的另一端；

所述高压直流-低压直流转换电路包括PWM调制芯片U1和滤波电容C3，所述PWM调制芯片U1的5管脚分别连接电感L1的另一端和电容C5的一端，4管脚分别连接电阻R7、R8的一端，3管脚连接电容C2的一端，1管脚分别连接电容C2、电阻R8的另一端和电感L2、电容C1的一端，电阻R7的另一端分别连接电容C1的另一端和二极管D1的负极，电容C1的一端还连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接滤波电容C3的一端，所述滤波电容C3、电感L2、电容C5的另一端和二极管D1的正极均连接电容C4的另一端；

所述低压直流-稳压直流转换电路包括电阻R9，电阻R9的一端连接滤波电容C3的一端，电阻R9的另一端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端分别连接电阻R5、电容C6的一端和可控稳压源Q1的阳极，可控稳压源Q1的参考极分别连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别连接电感L5的一端和可控稳压源Q1的阴极，电感L5的另一端连接电容C6的另一端，电容C6的另一端输出电压Vcc，电容C6的一端接地。

优选地，所述直流偏置信号产生电路输入端接基准电压，所述基准电压分别输入电容C7、C44和电阻R21的一端，电阻R21的另一端分别连接电阻R22、电容C41的一端和运算放大器U10C的同相输入端，运算放大器U10C的反相输入端分别连接电阻R20、电容C43的一端，电阻R20、电容C43的另一端连接运算放大器U10C的输出端，运算放大器U10C的输出端还分别连接电容C8、C42的一端，电容C7、C41、C44、C8、C42和电阻R22的另一端均接地，运算放大器的输出端输出直流偏置信号。

优选地，所述直流脉动电压信号产生电路的输入端接交流电压信号AC_L、AC_N，所述交流电压信号AC_L接电阻R30的一端，电阻R30的另一端连接电压互感器PT1的1管脚，电压互感器PT1的2管脚接交流电压信号AC_N，电压互感器PT1的4管脚分别连接电阻R35、R48和电容C49的一端，电阻R48的另一端分别连接电阻R65、电容C57的一端和运算放大器U10A反相输入端，运算放大器U10A的同相输入端连接电阻R49的一端，电阻R49、R35和电容C49的另一端均连接所述直流偏置信号，所述运算放大器U10A的输出端接电阻R65、电容C57的另一端和电阻R62、电容C55的一端，电容C55的另一端接所述直流偏置信号，电阻R62的另一端输出直流脉动电压信号；

所述直流脉动电流信号产生电路的输入端接交流电压信号CT+、CT-，所述交流电压信号CT+、CT-分别接电流互感器CT1的1、2管脚，电流互感器CT1的4管脚分别连接电阻R36、R50和电容C50的一端，电阻R50的另一端分别连接电阻R64、电容C58的一端和运算放大器U10B反相输入端，运算放大器U10B的同相输入端连接电阻R51的一端，电阻R51、R36和电容C102的另一端均连接所述直流偏置信号，所述运算放大器U10B的输出端接电阻R64、电容C58的另一端和电阻R63、电容C56的一端，电容C56的另一端接所述直流偏置信号，电阻R63的另一端输出直流脉动电流信号。

优选地，所述运算放大器U10A、U10B和U10C的型号均为TLV2374。

优选地，所述PWM调制芯片U1的型号为LNK304，所述可控稳压源Q1的型号为TL431。

优选地，所述控制模块包括单片机，所述单片机的型号TMS320F28335PGFA，所述LCD显示模块包括段式液晶4*32显示屏，所述段式液晶4*32显示屏的驱动芯片为HT1621B，所述存储模块包括存储器，型号为EFPROM，所述按键模块采用6*6轻触按键。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用单电源给运算放大器进行供电，在运算放大器的同相输入端直接加入直流偏置基准电压Gadc，通过运放进行加法运算，将交流电压信号和交流电流信号的负半周抬升至0V以上，相比于现有技术供电成本低，电路简单；控制模块采用FFT运算，计算简便，速度快；本发明选用读写次数较低的存储器，降低了成本，提高了安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明所述电压转换电路的电路图；

图3是本发明所述直流偏置信号产生电路的电路图；

图4是本发明所述直流脉动电压信号产生电路的电路图；

图5是本发明所述直流脉动电流信号产生电路的电路图

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-5所示，本发明的一种具有谐波计量功能的单相电能表，其特征是：包括输入运算放大模块、A/D转换模块、控制模块、电能储存模块、按键模块、LCD显示模块和电源模块，电压、电流信号依次经过输入运算放大模块、A/D转换模块输入到控制模块，所述控制模块还连接电能储存模块、按键模块和LCD显示模块。所述输入运算放大模块将电压信号和电流信号通过运算放大将AC信号转换为可以被AD转换器识别0－3V的直流脉动信号，A/D转换模块将所述直流脉动信号进行模数转换，将转换结果的数字量信号送给所述控制模块，控制模块通过A/D转换模块得到基波电能与谐波电能；并将电能值送到电能存储模块进行存储，并送到LCD显示模块进行显示，另外按键模块控制LCD显示模块显示相应数据，电源模块给各模块供电。

优选地，所述控制模块包括单片机，所述单片机的型号为TMS320F28335PGFA，所述LCD显示模块包括段式液晶4*32显示屏，所述段式液晶4*32显示屏的驱动芯片为HT1621B，所述存储模块包括存储器，型号为EFPROM，所述按键模块采用6*6轻触按键。

如图2所示，所述电源模块包括电压转换电路，所述电压转换电路包括交流-直流电压转换电路，高压直流-低压直流转换电路和低压直流-稳压直流转换电路。

所述交流-直流电压转换电路包括压敏热敏电阻RVT1、滤波电感L3、滤波电感L4、整流二极管D2和滤波电容C4，所述压敏热敏电阻RVT1的1管脚连接交流电压信号AC_N，3管脚分别连接交流电压信号AC_L和滤波电感L4的一端，2管脚连接滤波电感L3的一端，滤波电感L3的另一端连接整流二极管D2的负极，整流二极管D2的正极分别连接电感L1和滤波电容C4的一端，滤波电容C4的另一端连接滤波电感L4的另一端。

所述高压直流-低压直流转换电路包括PWM调制芯片U1和滤波电容C3，所述PWM调制芯片U1的5管脚分别连接电感L1的另一端和电容C5的一端，4管脚分别连接电阻R7、R8的一端，3管脚连接电容C2的一端，1管脚分别连接电容C2、电阻R8的另一端和电感L2、电容C1的一端，电阻R7的另一端分别连接电容C1的另一端和二极管D1的负极，电容C1的一端还连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接滤波电容C3的一端，所述滤波电容C3、电感L2、电容C5的另一端和二极管D1的正极均连接电容C4的另一端。

所述低压直流-稳压直流转换电路包括电阻R9，电阻R9的一端连接滤波电容C3的一端，电阻R9的另一端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端分别连接电阻R5、电容C6的一端和可控稳压源Q1的阳极，可控稳压源Q1的参考极分别连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别连接电感L5的一端和可控稳压源Q1的阴极，电感L5的另一端连接电容C6的另一端，电容C6的另一端输出电压Vcc，电容C6的一端接地。

优选地，所述电感L1～L5的值分别为1mH、1mH、2.7μH、2.7μH、2.7μH，二极管D1、D2和D3的型号均为UF4007，可控稳压源Q1的型号为TL431，电容C1～C6的规格分别为10μF/50V、0.1μF/100V、47μF/50V、6.8μF/400V、6.8μF/400V、100μF/16V,电阻R5～R10均为贴片电阻，代码分别为2492、8201、562、272、8R20、8R20。

所述电压转换电路的工作原理：交流电压信号AC_L、AC-N经过压敏热敏电阻RVT1和滤波电感L3、L4后经过整流二极管D2和滤波电容C4形成高电压直流电压，直流电压经过PWM调制芯片U1，经过滤波电容C3滤波形成低电压直流电压，可控稳压源Q1为输出电压提供反馈基准电压，控制PWM调制芯片U1，实时调整PWM占空比，以达到稳定的直流电压输出。

如图3-5所示，所述输入运算放大模块包括直流偏置信号产生电路、直流脉动电压信号产生电路和直流脉动电流信号产生电路，所述直流偏置信号产生电路产生直流偏置信号，所述直流脉动电压信号产生电路包括运算放大器U10A，所述直流脉动电流信号产生电路包括运算放大器U10B，所述直流偏置信号分别输入运算放大器U10A和U10B的同相输入端。

如图3所示，所述直流偏置信号产生电路输入端接基准电压，所述基准电压分别输入电容C7、C44和电阻R21的一端，电阻R21的另一端分别连接电阻R22、电容C41的一端和运算放大器U10C的同相输入端，运算放大器U10C的反相输入端分别连接电阻R20、电容C43的一端，电阻R20、电容C43的另一端连接运算放大器U10C的输出端，运算放大器U10C的输出端还分别连接电容C8、C42的一端，电容C7、C41、C44、C8、C42和电阻R22的另一端均接地，运算放大器的输出端输出直流偏置信号Gade。

优选地，电阻R20～R22的值均为10KΩ，电解电容C7、C8的规格均为4.7μF、10V，电容C41～C44的值均为0.1μF。

如图4所示，所述直流脉动电压信号产生电路的输入端接交流电压信号AC_L、AC_N，所述交流电压信号AC_L接电阻R30的一端，电阻R30的另一端连接电压互感器PT1的1管脚，电压互感器PT1的2管脚接交流电压信号AC_N，电压互感器PT1的4管脚分别连接电阻R35、R48和电容C49的一端，电阻R48的另一端分别连接电阻R65、电容C57的一端和运算放大器U10A反相输入端，运算放大器U10A的同相输入端连接电阻R49的一端，电阻R49、R35和电容C49的另一端均连接所述直流偏置信号，所述运算放大器U10A的输出端接电阻R65、电容C57的另一端和电阻R62、电容C55的一端，电容C55的另一端接所述直流偏置信号，电阻R62的另一端输出直流脉动电压信号。

如图5所示，所述直流脉动电流信号产生电路的输入端接交流电压信号CT+、CT-，所述交流电压信号CT+、CT-分别接电流互感器CT1的1、2管脚，电流互感器CT1的4管脚分别连接电阻R36、R50和电容C50的一端，电阻R50的另一端分别连接电阻R64、电容C58的一端和运算放大器U10B反相输入端，运算放大器U10B的同相输入端连接电阻R51的一端，电阻R51、R36和电容C102的另一端均连接所述直流偏置信号，所述运算放大器U10B的输出端接电阻R64、电容C58的另一端和电阻R63、电容C56的一端，电容C56的另一端接所述直流偏置信号，电阻R63的另一端输出直流脉动电流信号。

优选地，所述运算放大器U10A、U10B和U10C的型号均为TLV2374，所述电阻R30的规格为220K/2W,电阻R35、R36的规格为22R/0.1％,电阻R48～R51、R64、R65的阻值均为10KΩ，电阻R62、R63的电阻值分别为10KΩ、47Ω，电容C49、C50、C55～C58的电容值分别为100pF、100pF、0.1μF、0.1μF、0.1μF、0.1μF。

所述输入运算放大模块的工作原理是：基准电压Vref经过电阻R21、R22进行均值分压，经过集成运算放大器U10C跟随，输出0.5*Vref的电压信号，为交流电压和交流电流信号提供直流偏置信号。交流电压信号AC_L、AC_N经过限流电阻R30和电压互感器PT1的1、2引脚进行隔离，由PT1的3、4引脚和取样电阻R35输出给运算放大器U10A，运算放大器U10A将电压采样的交流信号和直流偏置信号进行运算放大，输出A/D转换模块可以识别的直流脉动电压信号。交流电压信号CT+、CT-经电流互感器CT1的1、2引脚进行隔离，由CT1的3、4引脚和取样电阻R36输出给运算放大器U10B，运算放大器U10B将电流采样的交流信号和直流偏置信号进行运算放大，输出A/D转换模块可以识别的直流脉动电流信号。

一般交流信号运算放大电路由于交流信号存在正负信号，运放供电电源需要正负双电源供电，以保证交流信号负电压不丢失，采用双电源供电成本高，电路复杂，本发明采用单电源即可给运算放大器进行供电，在运算放大器的同相输入端直接加入直流偏置基准电压Gadc，通过运放进行加法运算，将交流电压信号和交流电流信号的负半周抬升至0V以上。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。