专利名称：一种交流电参数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流电参数测量装置。
技术背景交流电在工业生产中的应用占有很大比例，交流电参数的测量对监控电网运行 及工厂用电具有举足轻重的作用。目前交流电参数测量装置中的模拟信号转换数字信号部分大多采用A/D转换器，其不足之处在于A/D转换器价格昂贵，可靠性差，且精度不高，造成交流电测量装置价格偏贵，不便于推广应用。 实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是针对上述不足提供一种精度高、价格低且工作 可靠的三相电参数测量装置。为实现上述目的，本实用新型包括与交流电路电连接的电压电流领懂电路，与 电压电流测量电路电连接的控制电路，以及与控制电路电连接的显示电路，其结构特点是电压电流观糧电路包括将模拟信号转换为数字信号的电压/频率转换电路, 电压/频率转换电路与控制电路电连接。电压电流测量电路从交流电中采样后，经 信号处理，最后由电压/频率转换电路将所测得的电压及电流的模拟信号转换成控 制电路可以接受的数字信号，可靠性更高，经控制电路数据处理后，将测量结果发 送到显示电路显示出来。作为改进，为了实现无功功率动态补偿功能，交流电参数测量装置还包括设在 交流电路中的补偿装置，控制电路与补偿装置电连接。控制电路可以根据电压电流 测量电路所测得的电压、电流相关参数，经计算后，确定需要补偿的无功功率，然 后控制补偿装置对交流电路进行无功补偿，补偿后再根据电压电流观糧电路所测得 的电压、电流相关参数，进一步计算确定需要补偿的无功功率，然后控制补偿装置 对交流电路进行进一步无功补偿，使功率因数在l附近小范围波动或等于l，以实 现无功功率动态补偿功能。当所述交流电路为三相交流电路时，所带负载为感性负载时，贝,述补偿装置 包括一个或多个电容组，所述电容组包括三个支路，每个支路由串联在一起的电容和接触器常开触点构成，所述三个支路的一端与零线电连接，另一端分别与三个相 线中的一个电连接；或者，当所述交流电路为单相交流电路时，所述补偿装置包括一个或多个电容组，所述电容组包括一个支路，此支路由串联在一起的电容和接触 器常开触点构成，此支路的一端与零线电连接，另一端与相线电连接。控制电路包括微处理器及其时钟电路，为了实现动态无功功率动态补偿功能， 控制电路中还设有与微处理器电连接的继电器驱动电路。电压电流测量电路包括电压测量电路和电流测量电路；所述电压测量电路包括 串接在零线和相线之间的两个串联电阻构成的电压采样电路，及连接电压采样电路 和控制电路的电压信号处理电路；所述电流测量电路包括设在相线上的电流互感 器，及连接电流互感器和控制电路的电流信号处理电路。电压信号处理电路包括电压波形同方向过零时间测试电路和电压有效值电路；所述电流信号处理电路包括电流波形同方向过零时间测试电路和电流有效值电路。电压有效值电路包括与控制电路电连接的电压信号电压/频率转换电路；所述 电流有效值电路包括与控制电路电连接的电流信号电压/频率转换电路。作为上述所有电路的改进，交流电参数测量装置中还包括与控制电路电连接的 通讯电路。工作原理:相电压经并接在相线、零线之间的两个电阻分压后，所测电压信号 由电压波形同方向过零时间测试电路送给控制电路，微处理器处理后，算出所观湘 电压波形过零时间；电压值被分压采样后，经信号处理，由转换精度较高的电压/ 频率转换电路将模拟信号电压值转换为便于控制电路接受的数字信号，微处理器处 理后，算出相电压有效{直；相电流经电流互感器采样后，由电流波形同方向过零时 间测试电路送给控制电路，微处理器处理后，算出所测相电流波形过零时间；电流 信号被采样后，经信号处理，由转换精度较高的电压/频率转换电路将模拟信号电 流值转换为便于控制电路接受的数字信号，微处理器处理后，算出相电流有效值； 所得相电压和相电流波形同方向过零点的时间差，经微处理器处理计算，获得电压、 电流相位差角度数值，计算后，即可得至U功率因数cos-，再根据相电压有效值、相 电流有效值，即可计算出有功功率、无功功率及视在功率等相关参数，并送到显示 电路显示出来，还可通ail讯电路与上位机组成分布式数据采集系统，便于监控和 管理；微处理器根据上述参数计算出交流电路需要补偿的无功功率，控制相应的继5电器线圈，将相应的无功补偿装置补偿到交流电路中，重复上述过程，即可实现无 功功率动态补偿功能。综上所述，采用了此结构的交流电参数测量装置，工作可靠，精度更高，且价 格低廉，改进后的交流电参数测量装置，更具有无功功率动态补偿功能，深受用户 好评。
结合附图对本实用新型作进一步详细说明；图1为三相交流电参数观糧装置电路原理图； 图2为电压/频率转换电路原理图； 图3为-5V电源原理图。图中l为控制电路，2为电压电流测量电路，3为补偿电路，4为显示电路， 5为通讯电路，A为A相火线，B为B相火线，C为C相火线，D为二极管，N为零 线，IC1为微处理器，IC2、 IC31为三端稳压管，IC3、 IC4、 IC6为计数器，IC5、 ICll、 IC21为缓冲器，IC7、 IC8为反相器，IC9为译码器，IC10为通讯芯片，IC12 为LED数码管，IC13为模拟开关，IC14、 IC17、 IC17、 IC22、 IC30为放大器，IC15、 IC16、 IC19、 IC20为触发器,IC23、 IC24、 IC26、 IC27为反相器，IC25、 IC28为 光电耦合器，IC29为V/F转换器，C1 C19、 C21、 C22、 C23、 C31、 C32、 C33、 C41、 C42、 C43为电容，R1 R29为电阻，El为电压信号绝对值整流电路，Fl为电压信 号电压/频率转换电路，E2为电流信号绝对值整流电路，F2为电流信号电压/频率 转换电路，X1 X4为单反相器，J1 J4为继电器，J1-1 J4-l为继电器常开触点， K1 K4为接触器，K1-1 K1-3、 K2-l K2-3、 K3_1 K3-3、 K4_1 K4-3为接触器 常开触点，11 13为电流互感器，PT为变压器，ZL为桥式整流电路，JZ为晶振， W为滑动变阻器，Ein为V/F转换器输入电压平均{直，F为V/F转换器输出频率。
具体实施方式
本实施方式以三相交流电参数测量装置为例予以详细说明。如图1所示，本三 相交流电参数测量装置，包括与三相交流电路电连接的电压电流测量电路2，与电 压电流测量电路2电连接的控制电路1，以及与控制电路1电连接的显示电路4， 作为改进，在三相交流电路中还设有补偿无功功率的补偿装置3，以及与控制电路 1电连接的通讯电路5。具体而言，电压电流测量电路2包括电压测量电路和电流测量电路；电压测量 电路包括串接在零线和相线之间的两个串联电阻构成的电压采样电路，及连接电压 采样电路和控制电路l的电压信号处理电路；所述电流测量电路包括设在火线上的 电流互感器构成的电流采样电路，及连接电流互感器和控制电路l的电流信号处理 电路。电压信号处理电路包括电压波形同方向过零时间测试电路和电压有效值电 路；所述电流信号处理电路包括电流波形同方向过零时间测试电路和电流有效值电路。所述电压有效值电路包括与控制电路1电连接的电压信号电压/频率转换电路Fl;所述电流有效值电路包括与控制电路1电连接的电流信号电压/频率转换电路F2。详细而言，电压采样电路包括由电阻R1与电阻R2构成的串联支路，其一端与 零线N电连接，另一端与A相火线电连接，电阻Rl和电阻R2的串接点与模拟开关 IC13的1脚电连接，此电路构成A相火线电压采样电路；电阻R3与电阻R4串联后 的电路，其一端与零线N电连接，另一端与B相火线电连接，电阻R3和电阻R4的 串接点与模拟开关IC13的2脚电连接，此电路构成B相火线电压采样电路；电阻 R5与电阻R6串联后的电路，其一端与零线N电连接，另一端与C相火线电连接， 电阻R5和电阻R6的串接点与模拟开关IC13的5脚电连接，此电路构成C相火线 电压采样电路；电流互感器I1套接在A相火线上，电流互感器I1的输出端与电阻 R12串联，电阻R12的一端与零线N电连接，另一端与模拟开关IC13的12引脚电 连接，此电路构成A相火线电流采样电路；电流互感器12套接在B相火线上，电 流互感器12的输出端与电阻R13串联，电阻R13的一端与零线N电连接，另一端 与模拟开关IC13的14引脚电连接，此电路构成B相火线电流采样电路；电流互感 器I3套接在C相火线上，电流互感器I3的输出端与电阻R14串联，电阻R14的一 端与零线N电连接，另一端与模拟开关IC13的15弓l脚电连接，此电路构成C相火 线电流采样电路；模拟开关IC13的选择控制信号由微处理器IC1的3、 4弓脚输出， 经光电耦合器IC28光电隔离后，送到模拟开关IC13的地址输入端A和B;模拟开 关IC28根据lt腿择控制信号从3弓l脚分别输出A、 B、 C三相火线的电压采样信号， 并从13引脚分别输出A、 B、 C三相火线的电流采样信号。电压采样信号之后便被送到电压波形同方向过零时间测试电路，电压波形同方 向过零时间测试电路包括放大器IC14，其同相输入端与模拟开关IC13的3引脚电连接，其同相输入端还经电阻R7与信号地电连接，其反相输入端经电阻R8与信号 地电连接，其输出端经电阻R9与放大器IC14的反相输入端电连接，弓l入负反馈， 以保证其输出信号稳定，放大器IC14的输出端还与触发器IC15的输入端电连接， 触发器IC15的输出端与触发器IC16的输入端电连接，触发器IC16的输出端与微 处理器IC1的13引脚电连接，此电路将电压采样信号放大处理后，由微处理器计 算出其电压波形过零时间。电压采样信号还被送到电压有效值电路，电压有效值电路包括放大器IC17，其 同相输入端与模拟开关IC13的3弓脚电连接，其反相输入端经电阻R10与信号地 电连接，其输出端经电阻Rll与放大器IC17的反相输入端电连接，弓l入负反馈， 以保证输出电压信号稳定，其输出端还与电压信号绝对值整流电路El的输入端电 连接，电压信号绝对值整流电路El的输出端与电压信号电压/频率转换电路Fl的 输入端电连接；如图2所示，电压信号电压/频率转换电路Fl包括放大器IC30，其 同相输入端经电阻R27与电阻R28电连接，电阻R28的另一端与信号地电连接，电 阻R27与电阻R28的串接点经电阻R29与滑动变阻器W的滑动触头电连接，滑动变 阻器的两端分别与电源+5V和-5V电连接；放大器IC30的反相输入端经电阻R25与 电压信号绝对值整流电路El的输出端电连接，放大器IC30的输出端与二极管D的 负极电连接，其正极与信号地电连接，二极管D主要起钳位作用，以防止负电压加 到V/F转换器IC29的7引脚上，放大器IC30的输出端经电容C15与放大器IC30 的反相输入端电连接，放大器IC30的输出端还经过电阻R26与V/F转换器IC29的 7引脚电连接，放大器IC30的反相输入端还与V/F转换器IC29的1引脚电连接； V/F转换器IC29的2弓脚经相互串联的电阻R23和R24后与信号地电连接，5引脚 经电容C14与信号地电连接，5弓脚M过电阻R22与电源+5V电连接，引脚6经 电阻R20与信号地电连接，弓脚6还经过电容C10与信号地电连接，弓胸6还经过 电阻R21与电源+5V电连接，3引脚与微处理器IC1的14引脚电连接，根据V/F转 换公式，V/F转换器输出频率F二-Ein氺(R23+R24)/(2.09承R5HC3氺R4),其中，Ein为 V/F转换器输入电压平均值，也即电压信号绝对值整流电路El的输出电压平均值， 这样，电压模拟信号即被转换为频率数字信号送到微处理器IC1的14引脚，经微 处理器IC1计算后，即可得出电压信号有效值。电流波形同方向过零时间测试电路、电流有效值电路与电压波形同方向过零时间测试电路及电压有效值电路原理相同，在此不再细述。微处理器IC1根据电压电流测量电路2所测数据，即可计算出三相交流电路的 各项参数，并在显示电路4中显示出来。所述补偿装置3包括1个或多个电容组，图l中画出了四个电容组，还可以是更多个；每个电容组包括三个支路，每个支路由串联在一起的电容和继电器常开触 点构成，所述三个支路的一端与零线电连接，另一端分别与三个相线中的一个电连 接。具体而言，第一个电容组包括电容Cll和与之串联的接触器Kl的常开触点Kl-l 构成的第一支路，此支路的一端与零线N电连接，此支路的另一端与C相火线电连 接；第一个电容组还包括C12和与之串联的接触器K1的常开触点Kl-2构成的第二 支路，此支路的一端与零线N电连接，此支路的另一端与B相火线电连接；第一个 电容组还包括C13和与之串联的接触器Kl的常开触点Kl-3构成的第三支路，此支 路的一端与零线N电连接，此支路的另一端与A相火线电连接；第二个电容组包括 电容C21和与之串联的接触器K2的常开触点K2-1构成的第一支路，此支路的一端 与零线N电连接，此支路的另一端与C相火线电连接；第二个电容组还包括C22和 与之串联的接触器K2的常开触点K2-2构成的第二支路，此支路的一端与零线N电 连接，此支路的另一端与B相火线电连接；第二个电容组还包括C23和与之串联的 接触器K2的常开触点K2-3构成的第三支路，此支路的一端与零线N电连接，此支 路的另一端与A相火线电连接；第三个电容组包括电容C31和与之串联的接触器K3 的常开触点K3-1构成的第一支路，此支路的一端与零线N电连接，此支路的另一 端与C相火线电连接；第三个电容组还包括C32和与之串联的接触器K3的常开触 点K3-2构成的第二支路，此支路的一端与零线N电连接，此支路的另一端与B相 火线电连接；第三个电容组还包括C33和与之串联的接触器K3的常开触点K3-3构 成的第三支路，此支路的一端与零线N电连接，此支路的另一端与A相火线电连接； 第四个电容组包括电容C41和与之串联的接触器K4的常开触点K4-l构成的第一支 路，此支路的一端与零线N电连接，此支路的另一端与C相火线电连接；第四个电 容组还包括C42和与之串联的接触器K4的常开触点K4-2构成的第二支路，此支路 的一端与零线N电连接，此支路的另一端与B相火线电连接；第四个电容组还包括 C43和与之串联的接触器K4的常开触点K4-3构成的第三支路，此支路的一端与零 线N电连接，此支路的另一端与A相火线电连接；控制电路根据电压电流测量电路的测量信号，计算后得出需补偿无功功率的电容量，控制每个电容组或其相互组合 切换到三相电路中，以实现不同无功功率的补偿，补偿后，再根据所测数据计算后 再进行补偿，以便使功率因数在1附近波动，实现无功功率动态补偿；作为改进， 为了避免电容组间的频繁切换、节约成本，根据控制电路计算出需要补偿的电容量，
在三相电路中接有该容量的电容，具体而言，电容Cl串接在零线N和C相火线之 间，电容C8串接在零线N和B相火线之间，电容C9串接在零线N和A相火线之间， 这样，电容组的电容量就大大减小，电容组间的切换只作为微调。
控制电路1包括微处理器及其时钟电路，和与之电连接的继电器驱动电路。控 制器及其时钟电,括微处理器IC1，和与其电连接的时钟电路；时钟电路包括晶 振JZ，其一端经电容C2接地，此端还与单反相器X1的输入端电连接，其输出端经 电容C3与单反相器X2的输入端电连接，单反相器X2的输出端与单反相器X3的输 入端电连接，还与晶振JZ的另一端电连接，电阻R20与单反相器X1并联，电阻R21 与单反相器X2并联；前述电路输出的不规则高频脉冲信号经单反相器X3反相后， 输入到由计数器IC3、计数器IC4、计数器IC4构成的时钟分频电路，不同频率的 时钟信号经计数器IC6调整后，由八根数据线送到微处理器IC1;计数器IC4输出 的标准时钟信号从其12引脚输出，经单反相器X4和缓冲器IC11输入到微处理器 IC1，作为电流波形过零时间测量电路的时间基准；微处理器IC1的P2. 6也就是27 引脚与计数器IC3、计数器IC4和计数器IC6的11引脚电连接，可向计数器发出清 零命令。微处理器及其时钟电路还包括电源处理电路，220V交流电经变压器PT变 压后转换为低压交流电，再经过桥式整流电路ZL后转换为直流信号，再由电容C4、 C5滤波，转换为波形较平稳的电压，为了得到波形更平稳的电压，电路中接入了三 端稳压管7805，其输出端由电容C6、 C7滤波输出+5V，给各个芯片电源及继电器线 圈供电；整流后的直流输出信号，再由电容C16、 C17滤波，转换为波形较平稳的 电压，为了得到波形更平稳的电压，电路中接入了三端稳压管7905，其输出端由电 容C18、 C19滤波输出-5V，作为放大器IC30的基准电压。
继电器驱动电路包括与微处理器IC1电连接的反相器IC23、反相器IC24，反 相器IC23的输出信号送给光电耦合器IC25，经光电隔离后，再经过反相器IC26、 反相器IC27与继电器J1、 J2、 J3、 J4的线圈的一端电连接，线圈另一端与直流电 源正电压+5V电连接；继电器J1、 J2、 J3、 J4的常开触点J1-1、 J2-1、 J3-1、 J4一l分别与接触器Kl、 K2、 K3、 K4线圈中的一个电连接后并联到零线和相线之间；具 体说来，微处理器IC1的21 24弓脚分别与反相器IC23的1、 3、 5、 9弓脚电连 接，反相器IC10的2、 4、 6、 8弓脚分别与反相器IC24的1、 3、 5、 9引脚电连接， 反相器IC24的2、 4、 6、 8弓脚分别与光电耦合器IC25的输入端电连接，其输出 端分别与反相器IC26的1、 3、 5、 9引脚电连接，反相器IC26的2、 4、 6、 8引脚 分别与反相器IC27的l、 3、 5、 9引脚电连接，反相器IC27的2、 4、 6、 8引脚分 别与继电器J1、 J2、 J3、 J4的线圈电连接；当微处理器IC1的21 24引脚的某个 引脚输出高电平时，经信号反相器IC23、反相器IC24反相后，输出高电平，经光 耦隔离后，再经过反相器IC26、反相器IC27反相后，又输出可驱动继电器线圈的 低电平，其常开触点J1-1、 J2-1、 J3-l、 J4-l闭合，分别接通其与接触器线圈K1、 K2、 K3、 K4的电源通路，接触器的常开触点闭合。显示电路4包括LED数码管IC12，其数据显示端与反相器IC8的信号输出端对 应电连接，反相器IC8的信号输入端与译码器IC9的输出端对应电连接电连接，译 码器IC9的输入端与主微处理器IC1的四个I/O引脚电连接；LED数码管IC12还与 反相器IC7的信号输出端电连接，其信号输入端与微处理器IC1的四个I/O引脚电 连接c通讯电路5包括通讯芯片ICIO，其1、 4弓脚分别与微处理器IC1的10、 11引 脚电连接，通讯芯片IC10的6、 7引脚与RS-485接口端子电连接，可方便地与上 位机组成分布式数据采集系统，用户对电网或用电设备的监控和管理。，装置中，电压信号绝对值整流电路El和电流信号绝对值整流电路E2为一 般电路，属于公知技术，电路图中未曾详细画出，在此不再细述。上述电路中，主 微处理器IC1采用ATMEL公司生产的AT89C52芯片，三端稳压管IC2采用7805，计 数器IC3、 IC4、 IC6采用CD4040，缓冲器IC5、 ICll、 IC21采用74LS125,反相器 IC7、 IC8采用74LS04，译码器IC9采用LS138，通讯芯片IC10采用75LBC184,模 拟开关IC13采用CD4052，放大器IC14、 IC17、 IC18、 IC22采用LM353，触发器IC15、 IC19采用CD4538，触发器IC16、 IC20采用CD4584，反相器IC23、 IC26采用CD4069， 反相器IC24、 IC27采用ULN2003，光电耦合器IC25、 IC28采用TLP521-4，放大器 IC29采用LM331，放大器IC30采用0P07，三端稳压管IC31采用7809，以上芯片 都是市场上销售的现成产品，其结构和工作原理在此不再细述。
权利要求1、一种交流电参数测量装置，包括与交流电路电连接的电压电流测量电路(2)，与电压电流测量电路(2)电连接的控制电路(1)，以及与控制电路(1)电连接的显示电路(4)，其特征是电压电流测量电路(2)包括将模拟信号转换为数字信号的电压/频率转换电路，电压/频率转换电路与控制电路(1)电连接。
2、 如权利要求1所述的交流电参数测量装置，其特征是还包括设在交流电路中的补偿装置(3)，控制电路(1)与补偿装置(3)电连接。
3、 如权利要求2所述的交流电参数测量装置，其特征是所述控制电路(1)包括微处理器及其时钟电路，和与其电连接的继电器驱动电路。
4、 如权利要求1所述的交流电参数测量装置，其特征是所述电压电流测量 电路(2)包括电压测量电路和电流测量电路；所述电压测量电路包括串接在零线 和相线之间的两个串联电阻构成的电压采样电路，及连接电压采样电路和控制电路(1)的电压信号处理电路；所述电流测量电路包括设在相线上的电流互感器，及连接电流互感器和控制电路(1)的电流信号处理电路。
5、 如权利要求4所述的交流电参数测量装置，其特征是所述电压信号处理 电路包括电压波形同方向过零时间测试电路和电压有效值电路；所述电流信号处理 电路包括电流波形同方向过零时间测试电路和电流有效值电路。
6、 如权利要求5所述的交流电参数测量装置，其特征是所述电压有效值电 路包括与控制电路(1)电连接的电压信号电压/频率转换电路(Fl);所述电流有效值电路包括与控制电路(1)电连接的电流信号电压/频率转换电路(F2)。
7、 如权利要求2所述的交流电参数测量装置，其特征是所述交流电路为三相交流电路，所述补偿装置(3)包括一个或多个电容组，所述电容组包括三个支路，每个支路由串联在一起的电容和接触器常开触点构成，所脏个支路的一端与零线电连接，另一端分别与三个相线中的一个电连接；或者，所述交流电路为斜目 交流电路，所述补偿装置(3)包括一个或多个电容组，所述电容组包括一个支路， 此支路由串联在一起的电容和接触器常开触点构成，此支路的一端与零线电连接， 另一端与相线电连接。
8、 如权利要求l、 2、 3、 5、 6或7所述的交流电参数测量装置，其特征是还包括与控制电路(1)电连接的通讯电路(5)。
专利摘要本实用新型公开了一种交流电参数测量装置，包括与交流电路电连接的电压电流测量电路，与电压电流测量电路电连接的控制电路，以及与控制电路电连接的显示电路，电压电流测量电路包括将模拟信号转换为数字信号的电压/频率转换电路，电压/频率转换电路与控制电路电连接。本实用新型因采用了电压/频率转换电路来实现模拟量向数字量的转换，工作更可靠，精度更高，且价格低廉。
文档编号G01R11/54GK201170792SQ200820018090
公开日2008年12月24日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者赵方明 申请人:山东乐航节能科技股份有限公司