一种不受谐波影响的伏安相位表的制作方法

文档序号:5823083阅读:433来源:国知局
专利名称:一种不受谐波影响的伏安相位表的制作方法
技术领域
本实用新型涉及一种电工测量仪表,具体地说是测量电参数的伏安相位表。
背景技术
目前使用较为普遍的SMG2000等传统的双钳伏安相位表,是继电保护工、校表工和线路 装修工的通用测量工具。该仪表相位测量部分的电路结构如图1所示,主要由两路放大器、 两路比较器、相位差识别、A/D转换器和微控制器组成。该仪表需要硬件电路来识别相位的 信号,其测量相位的原理是,两路输入信号IN1和IN2,分别经过放大器和比较器识别出信 号的过零点,即将信号以零点为边沿转换成矩形波,信号的正半周为矩形波的高电平,信号 的负半周为矩形波的低电平。两路矩形波相邻下降沿之间的时间差为两路信号的相位差;然 后由相位差识别电路将时间形式的相位差转化为模拟形式的电压值;再由处理器通过A/D转 换器采集电压信号,通过转换得到信号的相位差值。即,该电路测量相位的关键是使用硬件 电路中的比较器来识别两路信号的过零点。在输入信号为标准正弦波时,过零点识别不会有 问题,但是,当输入信号中谐波含量较大时,信号的过零点会发生偏移,严重时会在半个周期 内出现多个过零点,导致该电路无法正确测量相位。故此,传统的双钳伏安相位表在谐波影 响严重时,无法准确测量信号的相位。
发明内容
本实用新型的目的在于改进传统仪表存在的不足,提供不受谐波影响的伏安相位表。 本实用新型是这样实现的主要由互感器、VV转换器、可编程放大器、A/D转换器、微
控制器和液晶屏构成。互感器用来转换信号,将被测的电压或电流信号按一定的比例转换为
电流信号,并使被测信号与转换后的信号电气隔离,该互感器也可以用电阻来代替;1/V转换 器,用来将互感器输出的电流信号转化为电压信号;可编程放大器由放大器与数字电位器构 成,用来放大输入信号,使之满足A/D转换后计算精度的要求;微控制器负责控制可编程放 大器的增益调节和A/D转换器进行信号采集,还用于计算输入信号频率、控制采样频率和计 算相位;最后由液晶屏显示处理结果。
本实用新型的工作原理是两路被测信号经过各自的互感器后,通过I/V转换器将电流 信号转换为电压信号,然后使用可编程放大器进行放大;再由微控制器控制A/D转换器分别 对两路放大后的信号进行采样、计算,得到两路信号的频率和可编程放大器的增益设置值; 随后由微控制器改变两路可编程放大器的增益,并再次控制A/D转换器分别对两路放大后的 信号进行采样;最后微控制器采用快速傅立叶变换方法对采样值进行处理,得到两路信号的相位差值。
微控制器涉及到的特殊算法说明 1.频率算法推导过程。
考虑被測周期信号X (t)不含谐波情况下如何由 一组采样数据计算出它的实际频率f(j。假设x
(t)为正弦波,即x(t)-sin(2兀fQt+0)。如果已知被测频率f。约等于某个确定的频率f,即f。-f+A f,Ufl《f。,令
计算可得
<formula>formula see original document page 4</formula>①
<formula>formula see original document page 4</formula>②
<formula>formula see original document page 4</formula>③
<formula>formula see original document page 4</formula>④
其中<formula>formula see original document page 4</formula>打。由式(4),式(5)可得
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中e为对应积分区间中间(s卩t = o)处被测信号的相位。将式(2),
式(3)离散化,得到.-
<formula>formula see original document page 4</formula>
上两式中,OTS-2T。若罘样频率足够高,R'^R接近,I'与I接近。于是,可由式(7)、式 (幻算出
<formula>formula see original document page 4</formula>
连续采样M个周期(此处周期为T,耐夂被测信号的实际周期),且訂<:0. 5/1 Af I ,这样可以保
证第M个周期中间处的相位9M与第i个周期中间处的相位e^差小于Ti.由式(9)计算出e,和0M,则
可得出被测信号的频率为
<formula>formula see original document page 4</formula>⑩上述分析中未考虑被测信号含谐波的情况。其实,由于f约等于f。,也就有采样窗口接近于被 测信号周期的整数倍,因此谐波成份对式(2)和式(3)枳分的结果影响不大,所以在被测信号含有 谐波吋,仍可用式(IO)比较准确地测算出被测信号的基波频率f。.如杲需要进一步提高准确度,也 可先滤除被測信号中的谐波后,再利用式(io)计算f。.
2. 获得频率的方法
1) 鉴于本发明是针对电力系统的测量仪表,所以假设被测信号频率X = 50 Hz。根 据采样定律同时兼顾傅立叶方法计算方便,采样频率应为信号频率的2的n次方 倍,n值越大,计算精度越高。为了达到理想的效果,这里将采样频率定为50Hz 的64倍,即XX 64 = 3200Hz。
2) 在对信号进行一个周期的釆样后,利用上述运算1之公式⑦至⑩,计算得到该信 号的频率值Y。
3) 判断如果IY-X|《0. lHz,则认为该信号的频率即为Y,频率计算完成。 如果lY-X| >0. lHz,则令X = Y,重新执行步骤1-2,直到满足步骤3的条件为止。
3. 计算相位
1)根据计算得到的信号频率Y,确定采样频率。采样频率同样设定为信号频率的64
2)
3)倍。
根据快速傅立叶计算方法的要求, 使用快速傅立叶算法得到相位差c
信号的相位差
对两路输入信号同步进行1个周期的采样。
具体计算公式如下,011-012的值就是两路
w i
i =云!^向cos『^炎
t=0
w 1
2 \\ . 2兀
2 2
二7T
Jt=0
b12 = 77 "'2,m(" T7 ,
AT

4=0
ii
arctan
12
arctan扁6.
12
本实用新型结构简单、使用方便,解决了谐波影响相位测量值的问题。


图1. SMG2000系列双钳伏安相位表电路原理示意图; 图2.本实用新型电路结构示意图中,1、 2是放大器,3是A/D转换器,4是内核,5是液晶屏,6是电源处理模块,7、 8是互感器,9、 10是I/V转换器,ll是微控制器,12、 13是数字电位器。图3.微控制器的相位测量流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图叙述一个本实用新型的实施例。
图2显示了本实施例的电路结构,主要由互感器(7、 8)、 1/V转换器(9、 10)、放大器(l、 2)、数字电位器(12、 13)、微控制器(11)、液晶屏(5)以及电源处理模块(6)组成。互 感器选用HPT304A型号;微控制器内部含有内核(4)和A/D转换器(3); I/V转换器和放大 器采用0P2277运算放大器,微控制器选用C8051F系列单片机。电源分为V+、 V-、 GND三种 电压,V+为3.3V,用作微控制器和模拟电路的电源;GND为1.5V,用做模拟电路的参考中点 电压;V-为OV,用做微控制器和模拟电路的地线。
VV转换器由运算放大器(9、 10)连同反馈电阻构成;可编程放大器由运算放大器(1、 2)和数字电位器(12、 13)构成。数字电位器(12、 13)的型号选用X9313。
被测信号在经过互感器(7、 8)后,送入该电路的输入端。先经过I/V转换器(9、 10), 将电流型信号转换为电压型信号;然后经过放大器G、 2)将信号放大并送入微控制器Gl) 的A/D转换器(3)输入引脚,放大器(1、 2)的增益由微控制器(11)通过设置数字电位器 (12、 13)实现;最后由微控制器(11)控制其内部A/D转换器,对信号采样、计算,得到 两路信号的相位差值。
本实施例由控制、计算程序和硬件两部分实现了不受谐波影响的相位测量其中控制、 计算程序存在于微控制器内核中,几个文要硬件及其作用是
1. 1/V转换器,用来将互感器转换过来的电流信号转换为电压信号。
2. 可编程放大器,用来调整信号的幅度,使之满足微控制器计算相位的精度要求。
3. 微控制器内部的A/D转换器,将交流模拟电压信号转换为离散的数字信号。
4. 微控制器内核,由内部的程序完成控制A/D采样、调节可编程放大器的增益、计算频 率和相位等。
图3系本实用新型之微控制器的相位测量控制流程图,过程如下
丄.鉴于本仪表是电力系统使用的测量仪表,而电力系统测量的电压、电流信号频率均为 50Hz,所以假设起始频率为X=50Hz,即步骤14。
2. 根据采样定律同时兼顾傅立叶方法计算方便,采样频率应为信号频率的2的n次方倍, 所以A/D釆样频率使用64倍的信号频率。然后对输入信号进行一个周期,即64个点 的采样(该过程是信号的离散化),即步骤15。
3. 根据采样到的离散数据,利用"频率算法推导过程"中的公式⑦至⑩计算出信号的频 率值Y,即步骤I6。4. 判断|Y-X|《0. lHz是否成立,即步骤17。
5. 如果IY-X|《0. lHz不成立,则将频率值Y赋给X,即步骤18。然后重新执行上述2 至5,直到满足5的条件为止。
6. 如果IY-Xl《0. lHz成立,则认为信号的频率即为Y ,计算得到采样频率Z:YX64, 即步骤19。
7. 按照采样频率Z,对两路输入信号同步采样一个周期的离散数据,即步骤20。
8. 根据7采样得到的离散数据,使用均方根方法计算,得到输入信号的幅度,即步骤21。
9. 根据8计算得到的幅度值,重新设置数字电位器(12、 13)的电阻值,从而改变放大 器的增益,即步骤22。
10. 根据7采样得到的离散数据,使用快速傅立叶公式,计算得到两路信号的相位差值,即 步骤23。
权利要求1.一种不受谐波影响的伏安相位表,有A/D转换器(3)、微控制器(11)和液晶屏(5),其特征在于有互感器(7)和互感器(8)、I/V转换器(9)和I/V转换器(10)、放大器(1)和放大器(2)与数字电位器(12)和数字电位器(13)构成的可编程放大器等,互感器(8)用来转换信号,将被测的电压或电流信号按一定的比例转换为电流信号;I/V转换器(9)和I/V转换器(10),用来将互感器输出的电流信号转化为电压信号;放大器(1)和放大器(2)用来放大输入信号,使之满足A/D转换后计算精度的要求;微控制器(11)负责控制数字电位器(12)和数字电位器(13),用来调节放大器(1)和放大器(2)的增益并利用A/D转换器(3)进行信号采集,还用于计算输入信号频率、控制采样频率和计算相位;最后由液晶屏(5)显示处理结果。
2.根据权利要求1所述不受谐波影响的伏安相位表,其特征在于所说的互感器(7)和 互感器(8)可用电阻代替。
专利摘要本实用新型涉及一种不受谐波影响的伏安相位表,其由互感器、I/V转换器、可编程放大器、微控制器和液晶屏构成,I/V转换器将互感器输出的电流信号转化为电压信号,经可编程放大器将输入信号放大,使之满足A/D转换后计算精度的要求,微控制器控制可编程放大器的增益调节、信号采集、控制采样频率和计算相位,由液晶屏显示处理结果。本实用新型结构简单、使用方便,解决了谐波对相位测量值造成误差的影响问题。
文档编号G01R25/00GK201145707SQ20072003309
公开日2008年11月5日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者穆明健 申请人:西安爱邦电气有限公司
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