一種低成本單相諧波電能表的製作方法
2023-07-07 15:35:31 4
專利名稱：一種低成本單相諧波電能表的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單相諧波電能表。
背景技術：
隨著科學技術的發展，工業生產和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量佔的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且幹擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網的安全運行。電能質量的好壞，直接影響到工業產品的質量，因此我們必須對非線性用電設備產生的諧波進行治理，這就要求我們首先要完成諧波的計量。目前，市場上的絕大多數電能表不具備諧波計量功能，CN101382588A公開了一種·諧波電能表的專利，該諧波電能表的諧波電能計量模塊包括電壓、電流變換單元及DSP計算模塊，DSP計算模塊包括FFT變換模塊以及諧波參數的幅值和相位的補償模塊。即該諧波電能表計量諧波需要專用的計量單元，需要高速採樣且在內部採用複雜的數位訊號處理才能得到諧波電能等信息。這對諧波電能表的設計，採樣晶片的選擇非常局限，成本非常高，不利於諧波電能表的推廣使用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種結構合理，具有準確計量諧波的功能的低成本單相諧波電能表。本發明的技術解決方案是
一種低成本單相諧波電能表，包括採樣計量部分、存儲部分、主控單元MCU、電源部分、通信部分、顯示部分，其特徵是採樣計量部分前端採樣得到電流電壓信號，一路電流信號通過低通濾波器後送入計量晶片，另一路電流信號直接進入計量晶片，電壓採樣信號直接進入計量晶片，通過計量晶片進行計量得到基波電流信號和總電流信號，電壓信號，基波電能，總電能。所述低通濾波器是由兩個兩階橢圓低通濾波器級聯組成的4階濾波器，每個兩階橢圓濾波器由三個單運算放大器配合若干電阻電容組成，其中的兩個運算放大器配合相應電阻電容實現兩階橢圓濾波的功能，另一個單運算放大器的電壓增益為1，其輸入電阻趨近於無窮，輸出電阻趨近於零，在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離。兩個兩階橢圓低通濾波器中的第一個兩階橢圓濾波器由運算放大器U1、U2、U3，電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，電容Cl、C2組成，運算放大器的正輸入端接地，負輸入端接信號，信號從Rl端輸入，Rl的另一端和Cl串聯配合Ul形成一階低通濾波，R2和C2串聯與U2又形成一階濾波，其中RU Cl分別與R2、C2的值相等；U2兩端接的電阻R4是負反饋電阻，使系統工作穩定；R5，R6和U3在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離，R3的一端連接於U3的輸出，另一端連接在Ul的負輸入端，將後端信號反饋到前面的輸入端。兩個兩階橢圓低通濾波器中的第二個二階低通橢圓濾波器由U4、U5、U6，R7、R8、R9、RIO、R11、R12、R13、R14，C3，C4組成，R7與C3串聯和U4構成一階低通濾波，RlO和C4串聯與U5又形成的一階濾波，R9的一端連接在U5的負輸入端，另一端連接在U3的輸出端，其中R7、C3分別與R10、C4的值相等；U5兩端接的電阻R12是負反饋電阻，作用就是穩定工作點；R13，R14和U6在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離；R11的一端連接於U6的輸出，另一端連接在U4的負輸入端，將後端信號反饋到前面的輸入端。本發明在電流採樣環節設計一種低成本的低通濾波電路，然後利用普通計量晶片也具有兩路電流採樣迴路的特點，同時計量基波電流和總電流，從而可以通過總電流減去基波電流得到諧波電流，也可以通過計算得出基波和諧波的有功電能以及諧波畸變率等數據，解決了不使用專用諧波計量晶片的普通電能表不能計量諧波的問題。本發明的濾波電路使用4階橢圓低通有源濾波器，從總電流中提取出基波電流，從而實現諧波電能和基波電能的計量，進而實現諧波電能的計量。
本發明所設計的濾波器截止頻率為60Hz，通帶內的紋波係數小於O. 05dB，具有良好的濾波特性。本設計對截止頻率留有餘量，當電網電流頻率略有變化時也不會對基波信號造成不可忽視的衰減；阻帶的截止特性好，對IOOHz信號具有大於ISdB的衰減，對於實際應用中含量較大的三次諧波信號(150Hz)具有56dB以上的衰減，對於其他高頻信號也有40dB左右的衰減，完全滿足我們的需要。通過上述基波電流信號及總電流信號和電壓信號，可以計算出諧波電流，基波有功功率和總有功功率，再通過兩者相減就可以求得諧波總有功功率，還可以計算得到電流畸變率等電網參數。本發明的低成本諧波電能表能準確計量諧波電能，其濾波電路解決了普通電能表計量晶片不能計量諧波電能的問題，相較於專用的諧波計量晶片，本發明的通用性強，電能表不需要使用專用的計量晶片，就能準確計量諧波電能。本發明具有低成本易維護的優點可以很方便的投入大量使用。發明中的濾波電路可以應用於目前存在的大多數電能表中來諧波計量。
下面結合實施例對本發明作進一步說明。圖I為本發明的諧波電能表的結構框 圖2為本發明的諧波電能表採樣計量部分的結構框 圖3為低通濾波電路的原理圖。
具體實施例方式一種低成本單相諧波電能表，包括採樣計量部分、存儲部分、主控單元MCU、電源部分、通信部分、顯示部分，採樣計量部分前端採樣得到電流電壓信號，一路電流信號通過低通濾波器後送入計量晶片，另一路電流信號直接進入計量晶片，電壓採樣信號直接進入計量晶片，通過計量晶片進行計量得到基波電流信號和總電流信號，電壓信號，基波電能，總電能。所述低通濾波器是由兩個兩階橢圓低通濾波器級聯組成的4階濾波器，每個兩階橢圓濾波器由三個單運算放大器配合若干電阻電容組成，其中的兩個運算放大器配合相應電阻電容實現兩階橢圓濾波的功能，另一個單運算放大器的電壓增益為1，其輸入電阻趨近於無窮，輸出電阻趨近於零，在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離。兩個兩階橢圓低通濾波器中的第一個兩階橢圓濾波器由運算放大器U1、U2、U3，電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，電容Cl、C2組成，運算放大器的正輸入端接地，負輸入端接信號，信號從Rl端輸入，Rl的另一端和Cl串聯配合Ul形成一階低通濾波，R2和C2串聯與U2又形成一階濾波，其中RU Cl分別與R2、C2的值相等；U2兩端接的電阻R4是負反饋電阻，使系統工作穩定；R5，R6和U3在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離，R3的一端連接於U3的輸出，另一端連接在Ul的負輸入端，將後端信號反饋到前面的輸入端。兩個兩階橢圓低通濾波器中的第二個二階低通橢圓濾波器由U4、U5、U6，R7、R8、R9、RIO、R11、R12、R13、R14，C3，C4組成，R7與C3串聯和U4構成一階低通濾波，RlO和C4 串聯與U5又形成的一階濾波，R9的一端連接在U5的負輸入端，另一端連接在U3的輸出端，其中R7、C3分別與R10、C4的值相等；U5兩端接的電阻R12是負反饋電阻，作用就是穩定工作點；R13，R14和U6在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離；R11的一端連接於U6的輸出，另一端連接在U4的負輸入端，將後端信號反饋到前面的輸入端。計量部分加入一個濾波電路，結合普通的計量晶片，準確的分離出基波電流，從而得到總電能和基波電能，然後用總電能減去基波電能就能得到我們所需要的諧波電能，這就使普通電能表也能準確的計量諧波，其結構框圖如圖2所示。(I)對電流進行採樣後得到總電流信號I (t);
(2)總電流信號經過本發明設計的低通濾波器，得到基波電流信號Is(t)，設計的低通濾波器在信號頻率50Hz左右的衰減很小，幅頻特性較為平坦，紋波小於O. 05dB ；
(3)根據上述的基波電流信號、總電流信號及電壓信號，計算出電網的基波功率，基波電流有效值，總電流有效值，以及總功率。(4)主控MCU根據採樣計量部分得到的基波電流信號和總電流信號、基波功率、總功率和基波電能、總電能，用總電能減去基波電能就能得到我們所需要的總諧波電能；總電流減去基波電流信號可以得到諧波電流信號，用諧波電流除以基波電流就可以得到諧波電流畸變率。如圖2，輸入的電流信號中含有基波和諧波信號，本發明將一路總電流信號送入計量晶片，另一路電流信號送入低通濾波器濾除諧波分量後送入計量晶片。低通濾波器的目的就是濾除除基波之外的其他諧波信號保證在通帶內尤其是45-55HZ之間有較小的紋波，我們採用4階的橢圓濾波器實現低通濾波，其在45-55HZ之間的紋波小於O. 05dB,且其截止特性好，對IOOHz信號具有大於18dB的衰減，對於需濾除主要信號(150Hz)具有56dB以上的衰減，對於其他高頻信號也有40dB左右的衰減，完全滿足我們的需要。4階的橢圓有源濾波器，不僅保證了濾波器具有較好的截止特性，而且通帶內的紋波也控制在較小的範圍內，50Hz附近的衰減只有O. 01714dB。當傳遞函數的極點與虛軸的距離比較遠時，其上升時間比較短，這說明系統響應速度比較快，但紋波比較大，說明系統的響應速度比較好，但是總體上系統的動態性能比較差，說明其穩態性能比較差；當傳遞函數的極點與虛軸的距離比較近時，其上升時間比較長，這說明系統響應速度比較慢，但紋波較小，總體上系統的動態性比較好，其穩態性能比較好；綜合考慮響應速度即截止特性和紋波本發明所設計的4階橢圓低通濾波器，在45-55HZ之間的紋波小於O. 05dB，且其截止特性好，對IOOHz信號具有大於18dB的衰減，對於需濾除主要信號(150Hz)具有56dB以上的衰減，對於其他高頻信號也有40dB左右的衰減。
根據上述的基波電流信號和總電流信號，計算出電網的基波功率，基波電流有效值，總電流有效值，以及總功率和總諧波功率。
權利要求
1.一種低成本單相諧波電能表，包括採樣計量部分、存儲部分、主控單元MCU、電源部分、通信部分、顯示部分，其特徵是採樣計量部分前端採樣得到電流電壓信號，一路電流信號通過低通濾波器後送入計量晶片，另一路電流信號直接進入計量晶片，電壓採樣信號直接進入計量晶片，通過計量晶片進行計量得到基波電流信號和總電流信號，電壓信號，基波電能，總電能。
2.根據權利要求I所述的一種低成本單相諧波電能表，其特徵是所述低通濾波器是由兩個兩階橢圓低通濾波器級聯組成的4階濾波器，每個兩階橢圓濾波器由三個單運算放大器配合若干電阻電容組成，其中的兩個運算放大器配合相應電阻電容實現兩階橢圓濾波的功能，另一個單運算放大器的電壓增益為1，其輸入電阻趨近於無窮，輸出電阻趨近於零，在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離。
3.根據權利要求2所述的一種低成本單相諧波電能表，其特徵是兩個兩階橢圓低通濾波器中的第一個兩階橢圓濾波器由運算放大器Ul、U2、U3，電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，電容C1、C2組成，運算放大器的正輸入端接地，負輸入端接信號，信號從Rl端輸入，Rl的另一 端和Cl串聯配合Ul形成一階低通濾波，R2和C2串聯與U2又形成一階濾波，其中R1、Cl分別與R2、C2的值相等；U2兩端接的電阻R4是負反饋電阻，使系統工作穩定；R5，R6和U3在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離，R3的一端連接於U3的輸出，另一端連接在Ul的負輸入端，將後端信號反饋到前面的輸入端；兩個兩階橢圓低通濾波器中的第二個二階低通橢圓濾波器由U4、U5、U6，R7、R8、R9、RIO、Rll、R12、R13、R14，C3，C4組成，R7與C3串聯和U4構成一階低通濾波，RlO和C4串聯與U5又形成的一階濾波，R9的一端連接在U5的負輸入端，另一端連接在U3的輸出端，其中R7、C3分別與RIO、C4的值相等;U5兩端接的電阻R12是負反饋電阻，作用就是穩定工作點；R13，R14和U6在電路當中用作電壓跟隨器，實現兩階橢圓濾波器與輸出的隔離；R11的一端連接於U6的輸出，另一端連接在U4的負輸入端，將後端信號反饋到前面的輸入端。
全文摘要
本發明公開了一種低成本單相諧波電能表，包括採樣計量部分、存儲部分、主控單元MCU、電源部分、通信部分、顯示部分，其特徵是採樣計量部分前端採樣得到電流電壓信號，一路電流信號通過低通濾波器後送入計量晶片，另一路電流信號直接進入計量晶片，電壓採樣信號直接進入計量晶片，通過計量晶片進行計量得到基波電流信號和總電流信號，電壓信號，基波電能，總電能。本發明結構合理，解決了不使用專用諧波計量晶片的普通電能表不能計量諧波的問題。
文檔編號G01R22/06GK102735922SQ20121022926
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者孫國菊, 張健輝, 朱德省, 李建強, 袁金晶 申請人:江蘇林洋電子股份有限公司