一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置的制作方法

本发明涉及电力和工业自动化监测领域，尤其是一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置。

背景技术：

电网电源供给负载的电功率有两种：有功功率和武功功率，有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率；无功功率用于电路内电场与磁场，用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。

有功功率P与视在功率S的比值被称为功率因数cos(ψ)，角度ψ指的是电压和电流的相位差。在电力网的运行中，功率因素反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，希望功率因数越大越好。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。

功率因数是交流电路中的重要参数，是衡量系统是否经济运行的一个重要指标，也是供电线路在线监测系统的重要检测量，在功率因数补偿系统中需对其进行实时测量。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量，电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送功率。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。有功功率占比过低，即无功功率占比过大，会导致线损增加、容量下降、设备使用率下降，从而导致电能浪费加大。

影响功率因数的主要因数主要有：1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者；2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，其满载无功功率约为空载时的1/3，因此变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态；3)供电电压超出额定范围会对功率因数造成很大影响，如高于额定值10％时，由于磁路饱和的影响，无功功率很快增长，无功功率将增加35％左右。

功率因数监测的监测主要通过对被测电路的电压、电流进行采样，经过由电压、电流取样电路、整形电路、同步周期测量、相位测量等组成处理转换电路提取后得到功率因数信号。主要的实现方式有：

方式1：利用ADC采集测量线路的U、I参数，根据公式cos(ψ)＝P/S进行计算，得到功率因数，其中N为每一周波的采样次数，一般取16、24、或32点。此方法测量功率因数的优点是对电流的要求不是很高，不管谐波成分多少(谐波成分多，可加大采样点数，譬如N取64甚至4096点)，及电流幅值大小。缺点是成本较高，需要AD芯片及相应微处理器甚至DSP进行处理，对一般应用场合就显得昂贵。

方式2：将电压电流信号经过互感器处理变为小信号，使用施密特触发器将电压与电流的相位差采集，将电压输入频率锁频，倍频到180K，采用计数器计数1S，相位差作为开门信号，输出的180K信号的数量就是电压电流的功率因数角度差，使用简单MCU，对结果查表变换，就得到功率因数。该方法需要使用施密特触发器、倍频电路、计数器等，成本相对较低、但较繁琐，也增加了不可靠因数。

方式3：一般电力系统中电压是标准正弦波，电流带有一定程度的畸变，但不至于影响过零点。基于单片机检测原理，将电压电流信号简单调整后，送入比较器，得到较好的方波信号，将这两路信号分别输入80C51的INT0和INT1两路外部中断输入端，软件中设置为下降沿终端，以电压信号为基准，计数整个周波，得到T1，在这期间的第一个电流信号下降到沿基准的计数为T2，所得功率因数角度为ψ＝360x(T2/T1)。基于单片机的检测装置优点是原理简单实用、抗干扰能力强、成本低，精度相对较高，易于推广应用；缺点是只适用于谐波成分含量低的系统，还需增加额外的软件滤波处理和信号丢失检测。

综合得知，目前的功率因数监测存在结构较复杂，检修困难，有时会出现功率因数的测量精度不高的问题。此外，在发电、变电、输电、配电和用电的线路中电流大小悬殊，从几安到几万安都有。为便于测量、保护和控制需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压一般都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到电流变换和电气隔离作用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为了克服大功率工业设备红外通信功率因数监测装置能消除通常的高压电磁式电流互感器次级输出高压与电力计量显示仪表直接相连所带来的安全隐患，提供了一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，其安全性高、功耗小和体积轻巧的功率因数检测装置，解决现有的监测显示安全性低、计量仪表与待测大功率设备绑定安装等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，包括信号检测处理发射部分和信号转换接收部分，

所述的信号检测处理发射部分包括一级电流互感器、二级电流互感器、三相电压信号、SoC嵌入式模块、红外激光无线发射电路、操作面板和显示界面以及电源电路，一级电流互感器是开合式结构，开合式互感器的一次绕组为单匝或多匝，二次绕组是多匝绕组；二级电流互感器采用封闭式结构，封闭式互感器的一次绕组是单匝，二次绕组采用多抽头组合可选择输出方式，通过抽头变化实现多变比输出，抽头两端可选择性与操作面板上的旋钮相连，旋转按不同的方向旋转实现抽头的变换选择，进而改变电流互感器的变比，一级电流互感器包括一级A相电流互感器、一级B相电流互感器、一级C相电流互感器，所述的二级电流互感器包括二级A相电流互感器、二级B相电流互感器、二级C相电流互感器，所述的一级A相电流互感器的二次绕组与二级A相电流互感器的一次绕组相串联连接，一级B相电流互感器的二次绕组与二级B相电流互感器的一次绕组相串联连接，一级C相电流互感器的二次绕组与二级C相电流互感器的一次绕组相串联连接，二级A相电流互感器、二级B相电流互感器和二级C相电流互感器以及三相电压信号分别与SoC嵌入式模块的检测电源输入端相连接，SoC嵌入式模块与操作面板和显示界面以及红外激光无线发射电路相连接，电源电路为二级A相电流互感器、二级B相电流互感器、二级C相电流互感器、三相电压信号、SoC嵌入式模块、操作面板和显示界面以及红外激光无线发射电路提供电源，电源电路从检测输入的三相电源取电，进行电压转换、滤波、降噪等处理后为SoC嵌入式模块、红外激光发射电路、操作面板和显示界面供电，SoC嵌入式模块对经过一级电流互感器(CT11，CT12，CT13)、二级电流互感器(CT21，CT22，CT23)变换后的电流信号和待检测设备工作使用的三相电压(UA，UB，UC，UN)的结果进行检测、比较、运算处理，最终得到功率因素、能耗等结果，显示界面嵌入式安装在装置操作面板前面板上，SoC运算处理后的结果进行输出显示，实时处理、反馈用户对系统功能选择后的运算处理结果，操作面板前面板上的旋钮可实现二级电流互感器的二级A相电流互感器(CT21)、二级B相电流互感器(CT22)和二级C相电流互感器(CT23)的二次绕组抽头变换，实现二级电流互感器的二次绕组变比可调；操作面板上的按钮可实现装置开机、功能选择和信号发送模式选择等操作，操作面板按钮对应的显示界面内容包括三相的每相电流、每相电压，频率，功率因素等；红外激光发射电路对检测、运算后的测量值进行发送，红外激光接收电路包含红外激光接收器件及外围电路，USB转换电路、USB接口等，可插在计算机的USB接口与PC机进行通信，实现本发明的功率因素检测结果红外激光通信；

所述的信号转换接收部分包括用于接收红外激光无线发射电路信号的红外激光无线接收电路和USB转换电路，红外激光无线接收电路和USB转换电路相连接。

所述的电源电路为带有保险丝和开关的滤波器进行对电源滤波，滤波后的电源传输给PCB变压器，PCB变压器进行将交流220VAC转换成交流24V和交流220VAC转换成交流10VAC，交流24V AC和交流5VAC通过MB8S整流器转换为直流24DC和直流5VDC，极性电容C1和C5分别对整流后的直流24DC和直流10VDC进行滤波处理，通过三端调节器WS78L24和L7805CV分别对24VDC和5VDC进行稳压处理，得到24V直流电和5V直流电，24V直流电和5V直流电再次通过RC滤波电路进行滤波，三端稳压器WS7805和662K分别对稳压后的24VDC和5VDC进行稳压调节得到+5VDC和+3.3VDC提供给SoC嵌入式模块、红外激光无线发射电路、操作面板和显示界面工作电源。

所述的SoC嵌入式模块是进行对一级A相电流互感器和二级A相电流互感器中的A相电流、一级B相电流互感器和二级B相电流互感器中的B相电流、一级C相电流互感器和二级C相电流互感器中的C相电流和三相电压信号进行采样、运算处理和积分处理，并通过IIC接口或UART口传输到STM32器件上，通过LCD屏显示，同时传送到通信口供外部设备通信接入。

所述的STM32器件为以脉冲形式输出计算结果的ARM7器件STM32F103。

所述的红外激光无线发射电路包括振荡频率发生电路和电位器以及二极管，振荡频率发生电路通过电位器组合调节，确保贴片元件的工艺、电气特性等外部条件造成电流误差的条件下能生成准确的38KHz载波，搭建振荡电路的器件采用定时芯片NE555，电位器与二极管串联，实现载波的占空比可调，避免红外发射管因长时间工作发热而导致的寿命过短。红外发射电路中包含了多个红外发射管，每个发射管的安装位置和方向各不相同，增大了红外信号的发射覆盖面，避免红外发射管和红外接收器因为非点对点对位方式引起的通信不可靠问题。

本发明的有益效果是：所述的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，采用SoC嵌入式模块的控制核心为基于ARM Cortex-3内核的器件，选择意法半导体(STMicroelectronics)STM32F373对计量元件的检测结果进行运算、处理、显示和转换输出，计量器件为亚德诺半导体(Analog Devices，Inc.)公司的ADE7788，红外通信器件为一体式器件TSOP1738，红外发射器朝着多个不同的方向安装，以增强信号发射强度，扩大红外激光通信的覆盖面，结构合理、实用方便，可使检测装置既有效回避了小信号时的电磁干扰，又保证了其具有较大保护测量范围，且测量准确性好的红外功率因数检测装置。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明所述的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置的整体结构框图；

图2是图1中电源电路的电路图；

图3是图1中SoC嵌入式模块的结构框图；

图4是图1中红外激光无线发射电路的结构框图；

图5是本发明所述的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置的信号转换接收部分的结构框图。

附图中标记分述如下：1、一级电流互感器，11、一级A相电流互感器，12、一级B相电流互感器，13、一级C相电流互感器，2、二级电流互感器，21、二级A相电流互感器，22、二级B相电流互感器，23、二级C相电流互感器，3、三相电压信号，4、SoC嵌入式模块，5、红外激光无线发射电路，6、操作面板，7、显示界面，8、电源电路，9、信号转换接收部分。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，包括信号检测处理发射部分和信号转换接收部分9，信号检测处理发射部分包括一级电流互感器1、二级电流互感器2、三相电压信号3、SoC嵌入式模块4、红外激光无线发射电路5、操作面板6和显示界面7以及电源电路8，一级电流互感器1包括一级A相电流互感器11、一级B相电流互感器12、一级C相电流互感器13，二级电流互感器2包括二级A相电流互感器21、二级B相电流互感器22、二级C相电流互感器23，一级A相电流互感器11的二次绕组与二级A相电流互感器21的一次绕组相串联连接，一级B相电流互感器12的二次绕组与二级B相电流互感器22的一次绕组相串联连接，一级C相电流互感器13的二次绕组与二级C相电流互感器23的一次绕组相串联连接，二级A相电流互感器21、二级B相电流互感器22和二级C相电流互感器23以及三相电压信号3分别与SoC嵌入式模块4的检测电源输入端相连接，SoC嵌入式模块4与操作面板6和显示界面7以及红外激光无线发射电路5相连接，电源电路8为二级A相电流互感器21、二级B相电流互感器22、二级C相电流互感器23、三相电压信号3、SoC嵌入式模块4、操作面板6和显示界面7以及红外激光无线发射电路5提供电源。

如图2所示的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，电源电路为带有保险丝和开关的滤波器进行对电源滤波，滤波后的电源传输给PCB变压器，PCB变压器进行将交流220VAC转换成交流24V和交流220VAC转换成交流10VAC，交流24V AC和交流5VAC通过MB8S整流器转换为直流24DC和直流5VDC，极性电容C1和C5分别对整流后的直流24DC和直流10VDC进行滤波处理，通过三端调节器WS78L24和L7805CV分别对24VDC和5VDC进行稳压处理，得到24V直流电和5V直流电，24V直流电和5V直流电再次通过RC滤波电路进行滤波，三端稳压器WS7805和662K分别对稳压后的24VDC和5VDC进行稳压调节得到+5VDC和+3.3VDC提供给SoC嵌入式模块、红外激光无线发射电路、操作面板和显示界面工作电源。

如图3所示的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，SoC嵌入式模块是进行对一级A相电流互感器和二级A相电流互感器中的A相电流、一级B相电流互感器和二级B相电流互感器中的B相电流、一级C相电流互感器和二级C相电流互感器中的C相电流和三相电压信号进行采样、运算处理和积分处理，并通过IIC接口或UART口传输到STM32器件上，通过LCD屏显示，同时传送到通信口供外部设备通信接入，三相计量器件采用AD公司的ADE7878芯片，STM32采用STC公司的ARM7器件STM32F103，同时STM32以脉冲形式输出计量结果。

如图4所示的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，红外激光无线发射电路包括振荡频率发生电路和电位器以及二极管，振荡频率发生电路通过电位器组合调节，确保贴片元件的工艺、电气特性等外部条件造成电流误差的条件下能生成准确的38KHz载波，搭建振荡电路的器件采用定时芯片NE555，电位器与二极管串联，实现载波的占空比可调，避免红外发射管因长时间工作发热而导致的寿命过短。红外发射电路中包含了多个红外发射管，每个发射管的安装位置和方向各不相同，增大了红外信号的发射覆盖面，避免红外发射管和红外接收器因为非点对点对位方式引起的通信不可靠问题。

如图5所示的一种用于大功率工业设备的小型红外功率因素监测装置，信号转换接收部分包括用于接收红外激光无线发射电路信号的红外激光无线接收电路和USB转换电路，红外激光无线接收电路和USB转换电路相连接，红外接收电路可实现100米内完整检测载波信号，采用一体式红外接收管TSOP1738响应红外激光发射电路发射的红外信号，USB接口从PC取电为整个接受电路供电，电路中的PL2303实现接受信号的转换为USB通信。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。