一種測量交流電的電信號相位的方法及裝置的製作方法
2024-02-18 08:10:15 6
專利名稱：一種測量交流電的電信號相位的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量交流電的電信號相位的方法，本發明還涉及一種 測量交流電的電信號相位的裝置。
背景技術：
三相交流電的相位測量通常可以通過三相綜合矢量及坐標變換來求出 相位。這種方法對於只有單相電壓或者缺相的交流點而言，無法計算相位。
單相交流電的測量方法通常是根據其電信號過零點來計算頻率並估算 相位的。如圖1所示，具體的實現方法為通過比較器及相關電路在電信 號由負到正過零處產生上升沿信號，檢測相鄰兩個上升沿的時間間隔，此 時間間隔即為周期T,周期T的倒數即為頻率。任一時刻與先前最近一個
過零點的時間間隔為t，則此時刻的相位用角度表示即為+ .360°。上述方
法分別測得目標電壓與逆變器輸出的逆變電壓的相位和頻率後，即可根據 相差和頻差調頻調相。這種現有技術的不足之處在於過零點的採集必須 準確。如果過零點附近有抖動或者較低的正弦度導致過零點電壓畸變，都 將導致上升沿信號與實際過零點有偏離。這時，由於其它點的相位都是以 過零點為依據的，這樣將導致一個周期內，電壓相位的判斷不準。這會使 得鎖相調節存在比較大的誤差。
發明內容
本發明就是為了克服以上的不足，提出了一種準確測量交流電的電信 號相位的方法及裝置。
為實現上述目的，本發明提供一種測量交流電的電信號相位的方法， 包括如下過程通過電信號瞬時值及其對應的電信號變化率求得電信號相 位正弦值和餘弦值，根據所述電信號相位正弦值和餘弦值求得交流電的電 信號的相位。
優選地，所述電信號為電壓信號，所述過程包括如下步驟
A.採集交流電壓瞬時值，並用"^cos(欲+ ^)表示，其中"為電壓瞬時值，V是電壓幅值，(M + p)為交流電壓的相位值；B. 根據所述電壓瞬時值得到電壓變化率，並用"'=-K普sin(紐")表 示，其中"'為電壓變化率，w為電壓的角速度；C. 設x = < ，貝U 「 = "2+ ， 可以得出c—= ~~ 、 sin(M + p)=——「" ，求cos(欲+ p)的反餘弦禾卩sin(彼+ p)的反正弦得出交流電壓的相位值。所述待測量相位的交流電為目標電壓，所述步驟c之前還包括如下步驟通過捕獲目標電壓相鄰兩個過零上升沿或過零下降沿得到目標電壓的 周期T，根據^ = *計算出目標電壓的角速度。所述電壓變化率通過如下方法得到在固定採樣頻率下，通過電壓的 變化量除以採樣時間間隔得出。 所述交流電為單相交流電。 所述電信號為電流信號。為實現上述目的，本發明提供一種測量交流電的電信號相位的裝置， 包括相互連接的電信號相位正弦值和餘弦值生成單元和相位計算單元；所 述電信號相位正弦值和餘弦值生成單元根據電信號瞬時值及其對應的電信 號變化率求得電信號相位正弦值和餘弦值並輸出至相位計算單元，所述相 位計算單元根據所述電信號相位正弦值和餘弦值計算出交流電信號的相位。優選地，所述電信號為電壓信號，所述電信號相位正弦值和餘弦值生 成單元包括交流電壓瞬時值採集模塊、電壓變化率計算模塊和正弦值和餘 弦值計算模塊；所述交流電壓瞬時值採集模塊採集出交流電壓瞬時值並輸 出至電壓變化率計算模塊和正弦值和餘弦值計算模塊，所述電壓變化率計 算模塊根據所述交流電壓瞬時值計算出電壓變化率並輸出至正弦值和餘弦 值計算模塊，所述正弦值和餘弦值計算模塊根據交流電壓瞬時值和電壓變 化率計算出電壓相位正弦值和餘弦值。所述電信號為電流信號。本發明與現有技術對比的有益效果是:本發明的相位測量方法和裝置，克服了通用方法不能對單相電壓實—時運算相位的問題。而且，本發明的方法和裝置並不會因為過零點處上升沿的偏移而發生偏移。不用依託於每個 周期過零處的上升沿，克服了電壓/電流畸變導致過零點相位辨別的誤差。 這樣測量出的相位更穩定、準確。本發明準確測量出交流電相位後，可以 更精確地鎖相。本發明可以應用在逆變鎖相和不間斷電源系統等領域，具 有很高的實用意義。
圖1是現有通過過零點檢測相位時過零點偏差對相位計算產生影響的 示意圖；圖2是本發明方法的流程圖；圖3是本發明裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面通過具體的實施方式並結合附圖對本發明做進一步詳細說明。一種測量交流電的電壓相位的方法，包括如下處理過程ffi過電壓瞬 時值及其對應的電壓變化率求得電壓相位正弦值和餘弦值，根據所述電壓 相位正弦值和餘弦值求得交流電壓的相位。如圖2所示，所述處理過程具體包括如下步驟第一步採集單相交流電的實時電壓，得到電壓瞬時值。電壓瞬時值 U可以按比例對應具有與單相交流電同相位的餘弦值，公式如下 "=F.C0S(M + p)，其中"為電壓瞬時值，V是電壓幅值，(加+ p)即交流電壓 的相位值。電壓瞬時值通過交流電壓瞬時值採集模塊直接採樣得出，交流電壓瞬 時值採集模塊包括比例縮放電路、偏置電路和模數轉換電路。所述比例縮 放電路對電壓瞬時值進行一定比例縮放，偏置電路將縮放後的電壓信號加 偏置以便於模數轉換電路將模擬電壓瞬時值信號轉換成數字電壓瞬時值信 號。第二步根據分時採集的電壓信號的瞬時值得到電壓的變化率。電壓 變化率"'也可以按比例對應具有與單相交流電同相位的正弦值的相反數 "'=-rwsin(^ + p)，其中"'為電壓變化率，w為電壓的角速度。電壓微分值(電壓的變化率)的求得採用如下方法在固定採樣頻率 下，通過電壓的變化量除以採樣時間間隔得出。電壓變化率也可以通過硬 件微分電路獲得。由於採樣的離散性，可以將前述電壓瞬時值的採樣結果 進行數值微分。此數值微分可以採用差商近似、後差商近似、中心差商近似計算。也可以採用插值法或樣條求導。第三步通過電壓瞬時值及其對應的電壓變化率，求得對應的電壓相 位正弦值和餘弦值，並根據電壓相位正弦值和餘弦值求取電壓的相位。設P^，則單相電壓模值也可以稱電壓峰值V的求取為r-V7T^。求出V後可以得出咖(^ +伊)=^_ ，「"' ，分別求cos(欲")和sin(誠+ p)的反餘弦和反正弦就可以得出一 + ^)的值，也即相位 角的值。第三步之前可以先求出交流電壓的角速度0)。本發明可以應用在不間斷電源(UPS)上，UPS在鎖相時需要分別測量 出目標電壓和逆變電壓的相位，從而控制逆變電壓跟蹤並鎖相目標電壓。 目標電壓的角速度可以通過測量目標電壓的頻率進行求取d目標電壓的頻 率仍然用捕獲交流電壓上升沿/下降沿的方法。這裡要強調的是，對於前述 傳統的用過零點測相位的方法，過零點上升沿與實際過零點存在的偏差會 影響最終相位的測量結果。但如果只是用過零點上升沿來計算頻率則不存 在這個問題，因為周期的求取只要求每個周期的同一點之間的時間間隔， 並沒有要求必須在過零處，綜合多對相鄰上升沿/下降沿的時間間隔，就可 以得到相對穩定的時間間隔。所以上升沿/下降沿相對過零處相差的偏移並 不影響周期的運算。本發明可以將多次求得的周期經濾波後得到一個較為 可靠的周期。並進而得到一個準確的頻率(周期的導數)。有了目標電壓的頻率，就可以根據w-^計算出目標電壓的角速度co。逆變電壓角速度為逆變給定固定相位偏移量除以對應控制時間M。即《 其中，《tep為固定相位偏移量，A/為控制時間。本發明的方法不僅可以用於單相電壓交流電的相位測量，還可以適用 於三相電壓交流電的相位測量。本發明不僅可以用於交流電電壓的相位測 量，也可以適用於交流電的電流的相位測量；此時，只需將電壓信號的採 集、處理換成電流信號的採集、處理即可，其他不變，此處不再贅述。使 用本發明的方法可以準確求得交流電的相位，從而使得逆變電壓與目標電 壓之間能夠精確鎖相。如圖3所示， 一種測量交流電—的電壓相位的裝置，包括相互連接的電壓相位正弦值和餘弦值生成單元和相位計算單元；所述電壓相位正弦值和 餘弦值生成單元根據電壓瞬時值及其對應的電壓變化率求得電壓相位正弦 值和餘弦值並輸出至相位計算單元，所述相位計算單元根據所述電壓相位 正弦值和餘弦值計算出交流電壓的相位。所述電壓相位正弦值和餘弦值生成單元包括交流電壓瞬時值採集模 塊、電壓變化率計算模塊和正弦值和餘弦值計算模塊；所述交流電壓瞬時 值採集模塊採集出交流電壓瞬時值並輸出至電壓變化率計算模塊和正弦值 和餘弦值計算模塊，所述電壓變化率計算模塊根據所述交流電壓瞬時值計 算出電壓變化率並輸出至正弦值和餘弦值計算模塊，所述正弦值和餘弦值 計算模塊根據交流電壓瞬時值和電壓變化率計算出電壓相位正弦值和餘弦 值。本發明還提供一種測量交流電的電流相位的裝置，包括相互連接的電 流相位正弦值和餘弦值生成單元和相位計算單元；所述電流相位正弦值和 餘弦值生成單元根據電流瞬時值及其對應的電流變化率求得電流相位正弦 值和餘弦值並輸出至相位計算單元，所述相位計算單元根據所述電流相位 正弦值和餘弦值計算出交流電流的相位。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若 幹簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種測量交流電的電信號相位的方法，其特徵在於包括如下過程通過電信號瞬時值及其對應的電信號變化率求得電信號相位正弦值和餘弦值，根據所述電信號相位正弦值和餘弦值求得交流電的電信號的相位。
2. 根據權利要求1所述的測量交流電的電信號相位的方法，其特徵在於 所述電信號為電壓信號，所述過程包括如下步驟A. 採集交流電壓瞬時值，並用"-r.cos(W + W表示，其中"為電壓瞬時 值，V是電壓幅值，(M + p)為交流電壓的相位值；B. 根據所述電壓瞬時值得到電壓變化率，並用"'=-r.w.sin(欲+ p)表 示，其中"'為電壓變化率，"為電壓的角速度；C. 設；formula see original document page 2，可以得出formula see original document page 2 ,求cos(欣+ p)的反餘弦和sin(M + p)的反正弦得formula see original document page 2出交流電壓的相位值。
3. 根據權利要求2所述的測量交流電的電信號相位的方法，其特徵在於 所述待測量相位的交流電為目標電壓，所述步驟C之前還包括如下步驟 通過捕獲目標電壓相鄰兩個過零上升沿或過零下降沿得到目標電壓的周期T，根據《 = *計算出目標電壓的角速度。
4. 根據權利要求3所述的測量交流電的電信號相位的方法，其特徵在於 所述電壓變化率通過如下方法得到在固定採樣頻率下，通過電壓的變化 量除以採樣時間間隔得出。
5. 根據權利要求1-3任一所述的測量交流電的電信號相位的方法，其特徵在於所述交流電為單相交流電。
6. 根據權利要求l所述的測量交流電的電信號相位的方法，其特徵在於 所述電信號為電流信號。
7. —種測量交流電的電信號相位的裝置，其特徵在於包括相互連接的電 信號相位正弦值和餘弦值生成單元和相位計算單元；所述電信號相位正弦值和餘弦值生成單元根據電信號瞬時值及其對應的電信號變化率求得電 信號相位正弦值和餘弦值並輸出至相位計算單元，所述相位計算單元根據所述電信號相位正弦值和餘弦值計算出交流電信號的相位。
8. 根據權利要求7所述的測量交流電的電信號相位的裝置，其特徵在於: 所述電信號為電壓信號，所述電信號相位正弦值和餘弦值生成單元包括交 流電壓瞬時值採集模塊、電壓變化率計算模塊和正弦值和餘弦值計算模 塊；所述交流電壓瞬時值採集模塊採集出交流電壓瞬時值並輸出至電壓變 化率計算模塊和正弦值和餘弦值計算模塊，所述電壓變化率計算模塊根據 所述交流電壓瞬時值計算出電壓變化率並輸出至正弦值和餘弦值計算模 塊，所述正弦值和餘弦值計算模塊根據交流電壓瞬時值和電壓變化率計算 出電壓相位正弦值和餘弦值。
9. 根據權利要求7所述的測量交流電的電信號相位的裝置，其特徵在於 所述電信號為電流信號。
全文摘要
本發明公開了一種測量交流電的電信號相位的方法及裝置。該方法包括如下過程通過電信號瞬時值及其對應的電信號變化率求得電信號相位正弦值和餘弦值，根據所述電信號相位正弦值和餘弦值求得交流電的電信號的相位。該裝置包括相互連接的電信號相位正弦值和餘弦值生成單元和相位計算單元；所述電信號相位正弦值和餘弦值生成單元根據電信號瞬時值及其對應的電信號變化率求得電信號相位正弦值和餘弦值並輸出至相位計算單元，所述相位計算單元根據所述電信號相位正弦值和餘弦值計算出交流電信號的相位。本發明的相位測量方法和裝置，克服了通用方法不能對單相交流電實時運算相位的問題。而且，本發明的方法和裝置測量出的相位更穩定、準確。
文檔編號G01R19/00GK101408568SQ20071012382
公開日2009年4月15日 申請日期2007年10月12日 優先權日2007年10月12日
發明者劉程宇, 楊戈戈, 佳 陳 申請人:深圳科士達科技股份有限公司