專利名稱：諧波電能計(jì)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及計(jì)量裝置，特別是涉及一種自制的諧波電能計(jì)量裝置，用于動(dòng)態(tài) 諧波濾波器中進(jìn)行諧波檢測(cè)、分析與處理。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，諸多非線性負(fù)荷，如直流電機(jī)、直流電源、變頻調(diào)速器、 整流設(shè)備、電鍍電解設(shè)備、中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、電池充電機(jī)、晶閘管溫控加熱設(shè)備、電力機(jī) 車、通訊設(shè)備、音像設(shè)備、變頻器、計(jì)算機(jī)等接入電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波含量逐年升高。電網(wǎng)諧波導(dǎo) 致的各種危害日益突出，如增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電 設(shè)備的有效容量和效率；產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩致使電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命；由于 渦流和集膚效應(yīng)，使電機(jī)、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過(guò)熱；引起無(wú)功補(bǔ)償電 容器諧振和諧波放大，導(dǎo)致電容器因過(guò)電流或過(guò)電壓而損壞或無(wú)法投入運(yùn)行等。這些危害 使我們認(rèn)識(shí)到電力諧波進(jìn)行治理刻不容緩。申請(qǐng)者申請(qǐng)了專利“動(dòng)態(tài)諧波濾波器(申請(qǐng)?zhí)?200910063641.0)”，是一種用于在長(zhǎng)期工作過(guò)程中保持濾波器濾波精度和濾波效果始終不 變的設(shè)備，其主要是采用了無(wú)源濾波原理，使用自行研制的可變電抗器，通過(guò)調(diào)節(jié)電抗器副 邊控制線圈電抗值從而改變其原邊電抗，原邊電抗與濾波電容共同構(gòu)成了無(wú)源調(diào)諧濾波
ο動(dòng)態(tài)諧波濾波器電抗控制器中電網(wǎng)諧波電能信號(hào)的采集、分析和處理是控制策略 得以實(shí)現(xiàn)的前提，專利“智能絕緣柵雙極晶體管雙極驅(qū)動(dòng)裝置(申請(qǐng)?zhí)?009202^072. 8)” 中采用了智能傳感器來(lái)獲取電能信號(hào)并且通過(guò)MOD-BUS總線接口與微處理器進(jìn)行通信。智 能傳感器實(shí)質(zhì)上是采用高速DSP和MCU控制器，高速采集三相電壓和三相電流，可采集電 壓、電流、功率、功率因素、有功電度、無(wú)功電度、計(jì)算各相諧波電壓和各相諧波電流。但是就 目前來(lái)看智能電能傳感器的價(jià)格非常昂貴。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠的諧 波電能計(jì)量裝置，代替高成本的智能電能傳感器，其測(cè)量精度同樣能夠滿足動(dòng)態(tài)諧波濾波 器電抗控制裝置的精度要求。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是包括電壓傳感器，電流傳感器，變 送器，采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路，電平轉(zhuǎn)換電路，鎖相同步采樣控制電路和第一微處理器。其中 電壓傳感器獲取所需的電壓信號(hào)，電流傳感器獲取所需電流信號(hào)，這兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器 變送后得到交流電壓信號(hào)，該交流電壓信號(hào)由采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字信號(hào) 后，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換送入第一微處理器進(jìn)行信號(hào)分析與處理得到諧波電能各量， 鎖相同步采樣控制電路跟蹤電網(wǎng)頻率的變化進(jìn)行精確采樣。本實(shí)用新型為了在測(cè)量精度滿足的前提下，降低專利“智能絕緣柵雙極晶體管雙 極驅(qū)動(dòng)裝置(申請(qǐng)?zhí)?009202^072. 8)”中設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)諧波濾波器電抗控制裝置的成本而提出的。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)1.能夠代替智能電能傳感器進(jìn)行諧波測(cè)量，不僅測(cè)量精度較高，而且成本也下降 了。2.可實(shí)現(xiàn)同步采樣采用了鎖相同步采樣控制電路，確保跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，獲取信號(hào)彼此之間的 相位關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)，真正實(shí)現(xiàn)了同步采樣。3.采用了電平轉(zhuǎn)換電路，保證了工作電壓不同的器件之間的正常合作。4.采用了微處理器接收離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DFT、FFT或者小波變換等算法處理 后能夠獲得所需的各次諧波電壓和電流值以及其功率和電能量等。總之，本實(shí)用新型以其測(cè)量精度較高、成本較低和可實(shí)現(xiàn)同步采樣等優(yōu)點(diǎn)，能夠取 代高價(jià)格的智能電能傳感器來(lái)進(jìn)行諧波測(cè)量，有利于工業(yè)開(kāi)發(fā)，實(shí)用性較強(qiáng)。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是動(dòng)態(tài)諧波濾波器電抗控制器的結(jié)構(gòu)圖。圖中1.電壓傳感器；2.電流傳感器；3.變送器；4.采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路； 5.電平轉(zhuǎn)換電路；6.鎖相同步采樣控制電路；7.第一微處理器；8.觸摸屏；9.第二微 處理器；10.驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；11.絕緣柵雙極晶體管；12.報(bào)警電路；13.上位機(jī)接口。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型通過(guò)分立元件的組合，設(shè)計(jì)出了一種能夠測(cè)量電網(wǎng)中各次諧波電壓電 流信號(hào)值、諧波功率和電能等的諧波電能計(jì)量裝置，該裝置用來(lái)采集、分析和處理電能信號(hào)。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如圖1所示包括由電壓傳感器1、電流傳感器2和變送器3構(gòu) 成前置電路，采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路4，電平轉(zhuǎn)換電路5，鎖相同步采樣控制電路6和第一微處 理器7五大部分。前置電路主要負(fù)責(zé)采集電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)，并且將高電壓大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成下 一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路適合的交流電壓信號(hào)。其中電壓傳感器1獲取所需的電壓信號(hào)，電流 傳感器2獲取所需電流信號(hào)，這兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器3進(jìn)行變送，轉(zhuǎn)換為-5疒+5V的交流電 壓信號(hào)，然后由采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路4將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)過(guò) 電平轉(zhuǎn)換電路5送入第一微處理器7進(jìn)行信號(hào)分析與處理得到諧波電能信號(hào)(如電流的 3，5，7，…次諧波分量；功率因素；電網(wǎng)電壓)，鎖相同步采樣控制電路6跟蹤電網(wǎng)頻率的變 化，獲取信號(hào)彼此之間的相位關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)，真正實(shí)現(xiàn)了同步采樣。第一微處理器7主要用來(lái)進(jìn)行諧波電能信號(hào)的檢測(cè)、分析和處理，其接收離散的 數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DFT、FFT或者小波變換等算法處理后能夠獲得所需的各次諧波電壓和電流 值以及其功率和電能量。該微處理器可采用DSP，以TMS320LFM07為例，它是一種高性能 的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，特別適用于需要進(jìn)行數(shù)字濾波和大量運(yùn)算。若微處理器采用TMS320LFM07，它的工作電壓是3. 3V，因此在數(shù)據(jù)進(jìn)入到DSP之前需要添加一個(gè)電平轉(zhuǎn) 換電路。在電網(wǎng)諧波電能計(jì)量中，采集到的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)各種處理后進(jìn)入到DSP中， 可以通過(guò)DFT、FFT或者小波變換等算法處理得到各次諧波電量。在采樣過(guò)程中，電網(wǎng)頻率 并不是恒定不變，而是在50HZ左右變化，因此采樣間隔t=T/N (Τ為采樣周期，N為采樣點(diǎn) 數(shù))也不是恒定不變的，為了跟蹤電網(wǎng)頻率的變化進(jìn)行精確采樣，在進(jìn)行采樣之前應(yīng)該加入 鎖相同步采樣電路。本實(shí)用新型所述部分器件可以外購(gòu)。例如電壓傳感器可采用南京奇霍公司生產(chǎn) 的VSM025A型霍爾電壓傳感器，它可以精確測(cè)量10-500V的電壓；電流傳感器可采用上海二 工的LZJC-10 ；A/D轉(zhuǎn)換器可采用MAXIM公司生產(chǎn)的8通道14位的數(shù)據(jù)采集芯片ΜΑΧ125 ；第 一微處理器可采用美國(guó)TI公司的TMS320LFM07，16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，運(yùn)算速度快。本實(shí)用新型提供的諧波電能計(jì)量裝置，可與圖2所示的動(dòng)態(tài)諧波濾波器電抗控制 器配合使用，其中編號(hào)廣7為諧波電能計(jì)量裝置。觸摸屏向第一微處理器7進(jìn)行輸入，設(shè)定 實(shí)際需要輸出的PWM波形占空比和頻率等參數(shù)，絕緣柵雙極晶體管在驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的作 用之下正常工作；自制諧波電能計(jì)量裝置采集電網(wǎng)電能信號(hào)，經(jīng)第一微處理器7分析所得 到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出諧波電能各量，從而計(jì)算出需要改變的PWM波形的占空比額度，并將計(jì)算 結(jié)果通過(guò)串行口發(fā)送給第二微處理器9 (即圖2中所示的微處理器2)；第二微處理器主要 用來(lái)控制觸發(fā)脈沖發(fā)生器工作，該微處理器得到數(shù)據(jù)后，及時(shí)改變其輸出的PWM波形，通過(guò) 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路10，達(dá)到驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)Il的要求，并且使其得到了短路過(guò)流 保護(hù)。兩微處理器通過(guò)串口相連接。第一微處理器7外接觸摸屏8，從而可以獲取或者設(shè)置各開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，獲取諧波電 能各量以及設(shè)置PWM占空比等參數(shù)。第二微處理器9外接報(bào)警電路12，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晶體管的使用情況，必要時(shí)提供報(bào) 警；第二微處理器還外接上位機(jī)接口 13，可與上位機(jī)進(jìn)行通訊。第二微處理器可選用INTEL 公司的89C51型單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)接口集成了多種通信協(xié)議，包括SPI (Serial Peripheral interface，串 行外圍設(shè)備接口)、I2C (Inter Integrated Circuit，雙線制串行總線)、USB (Universal Serial Bus，通用串行總線)等，能方便地外接微處理器或者與上位機(jī)通信，建立實(shí)時(shí)信號(hào) 測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)。本實(shí)用新型的工作過(guò)程是電壓、電流傳感器采集所需的電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)，經(jīng)變送器將高電壓大電流信 號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路的-5疒+5V的交流電壓信號(hào)；在進(jìn)行采樣之前，需要依 靠鎖相同步采樣電路來(lái)跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，獲取信號(hào)彼此之間的相位關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)量實(shí) 時(shí)信號(hào)，進(jìn)行精確采樣。同步采樣的原理是變送器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)比較電路，把其波 形整成方波，使之在零點(diǎn)發(fā)生躍變，這種方波再連接到TMS320LFM07的捕捉引腳CAPl上， 利用TMS320LFM07的捕捉功能，當(dāng)方波在零點(diǎn)發(fā)生躍變時(shí)，CAPl就能捕捉到并產(chǎn)生一個(gè)捕 捉中斷，同時(shí)通過(guò)設(shè)置定時(shí)器記錄兩個(gè)零點(diǎn)之間的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是此時(shí)的電網(wǎng)周期，再 把這個(gè)值除以采樣點(diǎn)數(shù)，就得到了采樣間隔時(shí)間，這樣，采樣間隔能跟著電網(wǎng)周期的變化而 變化，做到了真正的同步采樣。采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路4將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散的數(shù) 字信號(hào)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路5后送入第一微處理器7 (TMS320LFM07)，通過(guò)DFT、FFT或者小波變換等算法得到各次諧波電能各量。 本實(shí)用新型采用分立元件，以微處理器為控制中心，能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)量電網(wǎng)諧波各 量，測(cè)量精度較高，成本較低，在動(dòng)態(tài)諧波濾波器中，能夠代替智能電能傳感器工作。
權(quán)利要求1.一種諧波電能計(jì)量裝置，其特征在于該裝置包括電壓傳感器(1)，電流傳感器(2)， 變送器(3)，采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路(4)，電平轉(zhuǎn)換電路(5)，鎖相同步采樣控制電路(6)和第 一微處理器(7 )，其中電壓傳感器(1)獲取所需的電壓信號(hào)，電流傳感器(2 )獲取所需電流 信號(hào)，這兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器(3)變送后得到交流電壓信號(hào)，該交流電壓信號(hào)由采樣與A/D 轉(zhuǎn)換電路(4 )轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換(5 )送入第一微處理器(7 ) 進(jìn)行信號(hào)分析與處理得到諧波電能各量，鎖相同步采樣控制電路(6)跟蹤電網(wǎng)頻率的變化 進(jìn)行精確采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波電能諧波計(jì)量裝置，其特征在于所述交流電壓信號(hào) 為-5疒+5V的交流電壓信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波電能諧波計(jì)量裝置，其特征是第一微處理器(7)外接觸 摸屏(8)。
專利摘要本實(shí)用新型是諧波電能計(jì)量裝置，該裝置包括電壓傳感器(1)，電流傳感器(2)，變送器(3)，采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路(4)，電平轉(zhuǎn)換電路(5)，鎖相同步采樣控制電路(6)和第一微處理器(7)，其中電壓傳感器獲取所需的電壓信號(hào)，電流傳感器獲取所需電流信號(hào)，這兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器(3)變送后得到交流電壓信號(hào)，該信號(hào)由采樣與A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路送入第一微處理器進(jìn)行信號(hào)分析與處理得到諧波電能各量，鎖相同步采樣控制電路跟蹤電網(wǎng)頻率的變化進(jìn)行精確采樣。本實(shí)用新型具有測(cè)量精度較高、成本較低、實(shí)用性較強(qiáng)和可實(shí)現(xiàn)同步采樣等優(yōu)點(diǎn)，能夠取代高價(jià)格的智能電能傳感器來(lái)進(jìn)行諧波測(cè)量。
文檔編號(hào)H02J3/01GK201859178SQ20102059039
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者常雨芳, 林海平, 羅愛(ài)軍, 肖義平, 肖純, 胡紅明, 袁佑新, 譚思云, 陳敏, 陳靜 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)