无负载电压的情况下测量负载中的有功功率的系统和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明一般地涉及测量功率的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电路功率测量在各种不同电力应用领域中都是至关重要的目标。电功率典型地定义为电能被电路转换的比率。当电荷凭借电势差从高电压电平移动到低电压电平时，电能被转换并且功率被消耗。在许多应用中，功率被转换成其它形式，例如电灯泡中的光和热或者电机中的动能。电功率典型地由电压乘以电流计算得到。
[0003]包含电阻和电抗部件二者的电路中被测量的功率有三种不同类型。有功功率(active power)是电路的电阻部件消耗的功率的量度。电路的电抗部件实际上不消耗任何功率，但它们给出了无功功率(reactive power)形式的功率消耗。无功功率和有功功率的组合被称为视在功率，并且它们是电路的电压和电流的乘积。这三种类型的功率可以以三角法方式相互关联，其由直角三角形表示，其中有功功率和无功功率是较短的侧边并且视在功率是斜边。
[0004]鉴于有功功率表示的是实际消耗的功率的事实，因此希望测量电路中的有功功率。有功功率表示电路在一段时间内做功的能力。在利用电路做功时，出于多种原因，知晓电路的有功功率是有价值的，包含能够预测电路的行为以及准确控制电路。
[0005]测量具有电阻部件和电抗部件二者的电路中的有功功率的处理会是有挑战性的。当电路由交变电流电源供电时，电抗部件的存在导致电流的周期与电压的周期异相(outof phase)。通常，为了提供有功功率测量，需要三个测量值:线电压(line voltage)，负载电流(load current)，以及负载电压。基于负载电压与负载电流之间的相位差，这样做是困难的。测量负载电压通常需要增加成本以及增加电路的复杂度。不需要测量负载电压的有功功率测量系统将会显著简化测量有功功率的处理，并且相比于传统的功率测量系统和方法将会提供优点。
[0006]本发明的实施例提供这样一种有功功率测量系统，其不需要测量负载电压。从这里提供的对本发明的描述，本发明的这些优点和其它优点以及附加的创造性特征将会变得清楚。
【发明内容】
[0007]根据本发明的实施例，提供一种有功功率的测量系统和方法，其基于测量线电压和负载电流来确定有功功率。在本发明的一具体实施例中，用于测量在电路中使用的有功功率的系统包括测量装置，其能够连接到电路并且对电路的线电压和负载电流采样。该系统还包括耦接到测量装置的数字处理装置，其接收线电压和负载电流的样本并且处理样本以在不对负载电压进行采样的情况下确定在电路中使用的有功功率。
[0008]本发明的另一实施例是用于确定在电路中使用的有功功率的方法。该方法包括对电路的线电压和负载电流采样。该方法还包括数字地处理线电压和负载电流的样本以确定在电路中使用的有功功率。
[0009]该方法的实施例包括数字地处理选择的一组样本以确定在电路中使用的有功功率，其中所述一组样本基于测得的值的阈值级别而被选择。该方法还包括基于测得的负载电流的最小阈值级别来选择所述一组样本。该方法可以包括同步对线电压的采样和对负载电流的采样以使得在相同的时间取得线电压样本和负载电流样本。在发明的可替换实施例中，在不同的时间取得线电压样本和负载电流样本。该方法还可以包括将线电压和负载电流的同步的样本相乘，以及在一段时间上对乘积求和以确定有功功率。
[0010]在一具体实施例中，该方法还包括通过使用所采样的负载电流的值和利用上述方法确定的有功功率来计算负载电压的RMS值。
[0011]本发明的另一实施例是一种用于确定跨电路的电阻部分的负载电压的系统。该系统包括测量装置，其能够连接到电路并且对电路的线电压和负载电流采样。该系统还包括耦接到测量装置的数字处理装置，其接收线电压和负载电流的样本以确定跨电路的电阻部分的负载电压。
[0012]另一方面，本发明的实施例提供一种用于确定在电路中使用的有功功率的系统。该系统包括含有电抗和电阻部件二者的电路，以及耦接到电路的数字处理器，该数字处理器被配置为收集跨电路的线电压和通过电路的负载电流的同步的样本。该数字处理器处理线电压和负载电流的同步的样本以在不采样负载电压的情况下确定在电路中使用的有功功率。
[0013]在一具体实施例中，数字处理器被编程为选择一组样本以确定在电路中使用的有功功率，其中所述一组样本基于测得的值的阈值级别而被选择。该数字处理器可以被编程为基于测得的负载电流的最小阈值级别来选择所述一组样本。在一更具体的实施例中，数字处理器可以被编程为选择其中测得的负载电流的最小阈值级别是基于负载电流的满量程测量值的百分比的一组样本。
[0014]在一些实施例中，数字处理器被编程为同步对线电压的采样和对负载电流的采样以使得在相同的时间取得线电压样本和负载电流样本。数字处理器可以被编程为将线电压和负载电流的同步的样本相乘，并且在一段时间上对乘积求和以确定有功功率。
[0015]另一方面，本发明的实施例提供一种数字处理装置，其包括:用于收集跨电路的线电压的样本和通过电路的负载电流的样本的输入电路；连接到输入电路的存储装置，存储收集的样本并且包含用于处理收集的样本的指令；以及耦接到存储装置的处理电路，利用存储的样本执行指令以在不采样负载电压的情况下确定在电路中使用的有功功率。
[0016]在一具体实施例中，处理电路被配置为选择一组样本以确定在电路中使用的有功功率，其中所述一组样本值基于测得的值的阈值级别而被选择。处理电路可被配置为基于测得的负载电流的最小阈值级别来选择所述一组样本值。处理电路可被进一步配置为同步对线电压的采样和对负载电流的采样以使得在相同的时间取得线电压样本和负载电流样本。
[0017]在可替换的实施例中，处理电路被配置为同步对线电压的采样和对负载电流的采样以使得在不同的时间取得线电压样本和负载电流样本。此外，处理电路可被配置为通过使用所确定的有功功率的值以及所采样的负载电流的值来计算负载电压的均方根(RMS)值。
[0018]根据结合附图的下面的详细描述，本发明的其它方面、目的和优点将会变得更加清楚。
【附图说明】
[0019]并入到说明书并且成为说明书的一部分的附图图示出本发明的多个方面，并且其与说明书一起，用于解释本发明的原理。在附图中:
[0020]图1是根据本发明实施例的用于测量有功功率的电路的示意图。
[0021]虽然本发明是结合一些优选实施例来描述的，但并不意在将本发明限制到这些实施例。相反，意图在于覆盖如随附权利要求限定的在本发明精神和范围内的所有变形、修改和等同物。
【具体实施方式】
[0022]—种简化有功功率测量的可能方法是使用触发脉冲(firing pulse)作为线电压测量值的“门限”，从而可以导出负载电压。然而，虽然这在理论上是可行的，但在实际中这仅仅服务于电阻负载。但是大多数情况下，负载会具有电感部件。因此，将会给测量值引入明显的误差。该误差与负载的电感成比例。例如，当使用晶闸管(thyristor)作为开关装置时，晶闸管导通直到电流达到零。但是，由于电路中的电感，电流和电压不会同时达到零。
[0023]根据本发明，提供用于确定在具有负载的电路中的有功功率的系统和方法，该负载由电阻部件和电抗部件组成。本发明实施例的优点是仅使用线电压和负载电流来计算有功功率，而不是使用负载电压、线电压和负载电流。例如，当开关装置是晶闸管时，根据本发明实施例取得的电流测量值，提供了晶闸管的实际导通周期的时间内的图像。这允许使用者在不取得线电压测量值的情况下确定有功功率，从而提高效率以及降低测量装置的成本，同时仍然提供准确的有功功率测量。
[0024]图1示出本发明的基本电路图。电路100具有电源102和负载104。负载104由电抗部件106和电阻部件108组成。虽然该图仅仅示出作为电抗部件106的一个电感器和作为电阻部件108的一个电阻器，但实际的电路负载可以包括电抗和电阻部件的多种不同且复杂的布置。耦接到电路100的是进行作为本发明的目的的计算的数字处理装置110。数字处理装置110以它可以测量线电压(跨电源102的电压)和负载电流(流经负载104的电流)的方式耦接到电路100。数字处理装置110以它不影响电路100的功能而仅仅检测线电压和负载电流的值的方式耦接到电路100。
[0025]由于电路100具有电抗部件，当电源102提供交变电流(AC)功率给负载时，负载电流的周期将滞后于电源102的线电压的周期。此外，可能存在由于某些部件的存在(例如，晶闸管包含在负载中)故负载电流根本不流动的电压电平。数字处理装置110取得整个周期内的线电压和负载电流的同步的样本。数字处理装置110以组合的乘积是由负载104使用的有功功率的方式组合样本。此外，系统还可用于计算跨电路中的电阻部件的电压的准