一種具有諧波計量功能的單相電能表的製作方法
2023-10-08 01:13:29 1
本實用新型涉及電能計量技術領域,具體地說是一種具有諧波計量功能的單相電能表。
背景技術：
由於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。因此必須對非線性用電設備產生的諧波進行處理，那麼首先要完成的就是諧波的計量。
目前電能表都是只計量基波產生的電能，並且都是基於電能表計量晶片設計而成，這對諧波電能表的設計，採樣晶片的選擇都非常局限，而且成本非常高，不利於諧波電能表的推廣使用。
技術實現要素：
為克服上述現有技術存在的不足，本實用新型的目的在於提供一種電路設計簡單、成本低的具有諧波計量功能的單相電能表，
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：一種具有諧波計量功能的單相電能表，其特徵是：包括輸入運算放大模塊、A/D轉換模塊、控制模塊、電能儲存模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊和電源模塊，電壓、電流信號依次經過輸入運算放大模塊、A/D轉換模塊輸入到控制模塊，所述控制模塊還連接電能儲存模塊、按鍵模塊和LCD顯示模塊；
所述電源模塊包括交流-直流電壓轉換電路，高壓直流-低壓直流轉換電路和低壓直流-穩壓直流轉換電路。
優選地，所述輸入運算放大模塊包括直流偏置信號產生電路、直流脈動電壓信號產生電路和直流脈動電流信號產生電路，所述直流偏置信號產生電路產生直流偏置信號，所述直流脈動電壓信號產生電路包括運算放大器U10A，所述直流脈動電流信號產生電路包括運算放大器U10B，所述直流偏置信號分別輸入運算放大器U10A和U10B的同相輸入端。
優選地，所述交流-直流電壓轉換電路包括壓敏熱敏電阻RVT1、濾波電感L3、濾波電感L4、整流二極體D2和濾波電容C4，所述壓敏熱敏電阻RVT1的1管腳連接交流電壓信號AC_N，3管腳分別連接交流電壓信號AC_L和濾波電感L4的一端，2 管腳連接濾波電感L3的一端，濾波電感L3的另一端連接整流二極體D2的負極，整流二極體D2的正極分別連接電感L1和濾波電容C4的一端，濾波電容C4的另一端連接濾波電感L4的另一端；
所述高壓直流-低壓直流轉換電路包括PWM調製晶片U1和濾波電容C3，所述 PWM調製晶片U1的5管腳分別連接電感L1的另一端和電容C5的一端，4管腳分別連接電阻R7、R8的一端，3管腳連接電容C2的一端，1管腳分別連接電容C2、電阻 R8的另一端和電感L2、電容C1的一端，電阻R7的另一端分別連接電容C1的另一端和二極體D1的負極，電容C1的一端還連接二極體D3的負極，二極體D3的正極連接濾波電容C3的一端，所述濾波電容C3、電感L2、電容C5的另一端和二極體 D1的正極均連接電容C4的另一端；
所述低壓直流-穩壓直流轉換電路包括電阻R9，電阻R9的一端連接濾波電容 C3的一端，電阻R9的另一端連接電阻R10的一端，電阻R10的另一端分別連接電阻R5、電容C6的一端和可控穩壓源Q1的陽極，可控穩壓源Q1的參考極分別連接電阻R5的另一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端分別連接電感L5的一端和可控穩壓源Q1的陰極，電感L5的另一端連接電容C6的另一端，電容C6的另一端輸出電壓Vcc，電容C6的一端接地。
優選地，所述直流偏置信號產生電路輸入端接基準電壓，所述基準電壓分別輸入電容C7、C44和電阻R21的一端，電阻R21的另一端分別連接電阻R22、電容C41的一端和運算放大器U10C的同相輸入端，運算放大器U10C的反相輸入端分別連接電阻R20、電容C43的一端，電阻R20、電容C43的另一端連接運算放大器 U10C的輸出端，運算放大器U10C的輸出端還分別連接電容C8、C42的一端，電容 C7、C41、C44、C8、C42和電阻R22的另一端均接地，運算放大器的輸出端輸出直流偏置信號。
優選地，所述直流脈動電壓信號產生電路的輸入端接交流電壓信號AC_L、 AC_N，所述交流電壓信號AC_L接電阻R30的一端，電阻R30的另一端連接電壓互感器PT1的1管腳，電壓互感器PT1的2管腳接交流電壓信號AC_N，電壓互感器PT1 的4管腳分別連接電阻R35、R48和電容C49的一端，電阻R48的另一端分別連接電阻R65、電容C57的一端和運算放大器U10A反相輸入端，運算放大器U10A的同相輸入端連接電阻R49的一端，電阻R49、R35和電容C49的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運算放大器U10A的輸出端接電阻R65、電容C57的另一端和電阻 R62、電容C55的一端，電容C55的另一端接所述直流偏置信號，電阻R62的另一端輸出直流脈動電壓信號；
所述直流脈動電流信號產生電路的輸入端接交流電壓信號CT+、CT-，所述交流電壓信號CT+、CT-分別接電流互感器CT1的1、2管腳，電流互感器CT1的4管腳分別連接電阻R36、R50和電容C50的一端，電阻R50的另一端分別連接電阻R64、電容C58的一端和運算放大器U10B反相輸入端，運算放大器U10B的同相輸入端連接電阻R51的一端，電阻R51、R36和電容C102的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運算放大器U10B的輸出端接電阻R64、電容C58的另一端和電阻R63、電容C56 的一端，電容C56的另一端接所述直流偏置信號，電阻R63的另一端輸出直流脈動電流信號。
優選地，所述運算放大器U10A、U10B和U10C的型號均為TLV2374。
優選地，所述PWM調製晶片U1的型號為LNK304，所述可控穩壓源Q1的型號為 TL431。
優選地，所述控制模塊包括單片機，所述單片機的型號TMS320F28335PGFA，所述LCD顯示模塊包括段式液晶4*32顯示屏，所述段式液晶4*32顯示屏的驅動晶片為HT1621B，所述電能儲存模塊包括存儲器，型號為EFPROM，所述按鍵模塊採用6*6輕觸按鍵。
本實用新型的有益效果是：與現有技術相比，本實用新型採用單電源給運算放大器進行供電，在運算放大器的同相輸入端直接加入直流偏置基準電壓 Gadc，通過運放進行加法運算，將交流電壓信號和交流電流信號的負半周抬升至0V以上，相比於現有技術供電成本低，電路簡單；控制模塊採用FFT運算，計算簡便，速度快；本實用新型選用讀寫次數較低的存儲器，降低了成本，提高了安全性。
附圖說明
圖1是本實用新型的結構示意圖；
圖2是本實用新型所述電壓轉換電路的電路圖；
圖3是本實用新型所述直流偏置信號產生電路的電路圖；
圖4是本實用新型所述直流脈動電壓信號產生電路的電路圖；
圖5是本實用新型所述直流脈動電流信號產生電路的電路圖
具體實施方式
為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式，並結合其附圖，對本實用新型進行詳細闡述。
如圖1-5所示，本實用新型的一種具有諧波計量功能的單相電能表，其特徵是：包括輸入運算放大模塊、A/D轉換模塊、控制模塊、電能儲存模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊和電源模塊，電壓、電流信號依次經過輸入運算放大模塊、 A/D轉換模塊輸入到控制模塊，所述控制模塊還連接電能儲存模塊、按鍵模塊和 LCD顯示模塊。所述輸入運算放大模塊將電壓信號和電流信號通過運算放大將A C信號轉換為可以被AD轉換器識別0－3V的直流脈動信號，A/D轉換模塊將所述直流脈動信號進行模數轉換，將轉換結果的數字量信號送給所述控制模塊，控制模塊通過A/D轉換模塊得到基波電能與諧波電能；並將電能值送到電能儲存模塊進行存儲，並送到LCD顯示模塊進行顯示，另外按鍵模塊控制LCD顯示模塊顯示相應數據，電源模塊給各模塊供電。
優選地，所述控制模塊包括單片機，所述單片機的型號為 TMS320F28335PGFA，所述LCD顯示模塊包括段式液晶4*32顯示屏，所述段式液晶4*32顯示屏的驅動晶片為HT1621B，所述電能儲存模塊包括存儲器，型號為 EFPROM，所述按鍵模塊採用6*6輕觸按鍵。
如圖2所示，所述電源模塊包括電壓轉換電路，所述電壓轉換電路包括交流-直流電壓轉換電路，高壓直流-低壓直流轉換電路和低壓直流-穩壓直流轉換電路。
所述交流-直流電壓轉換電路包括壓敏熱敏電阻RVT1、濾波電感L3、濾波電感L4、整流二極體D2和濾波電容C4，所述壓敏熱敏電阻RVT1的1管腳連接交流電壓信號AC_N，3管腳分別連接交流電壓信號AC_L和濾波電感L4的一端，2管腳連接濾波電感L3的一端，濾波電感L3的另一端連接整流二極體D2的負極，整流二極體D2的正極分別連接電感L1和濾波電容C4的一端，濾波電容C4的另一端連接濾波電感L4的另一端。
所述高壓直流-低壓直流轉換電路包括PWM調製晶片U1和濾波電容C3，所述 PWM調製晶片U1的5管腳分別連接電感L1的另一端和電容C5的一端，4管腳分別連接電阻R7、R8的一端，3管腳連接電容C2的一端，1管腳分別連接電容C2、電阻 R8的另一端和電感L2、電容C1的一端，電阻R7的另一端分別連接電容C1的另一端和二極體D1的負極，電容C1的一端還連接二極體D3的負極，二極體D3的正極連接濾波電容C3的一端，所述濾波電容C3、電感L2、電容C5的另一端和二極體 D1的正極均連接電容C4的另一端。
所述低壓直流-穩壓直流轉換電路包括電阻R9，電阻R9的一端連接濾波電容 C3的一端，電阻R9的另一端連接電阻R10的一端，電阻R10的另一端分別連接電阻R5、電容C6的一端和可控穩壓源Q1的陽極，可控穩壓源Q1的參考極分別連接電阻R5的另一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端分別連接電感L5的一端和可控穩壓源Q1的陰極，電感L5的另一端連接電容C6的另一端，電容C6的另一端輸出電壓Vcc，電容C6的一端接地。
優選地，所述電感L1～L5的值分別為1mH、1mH、2.7μH、2.7μH、2.7μH，二極體D1、D2和D3的型號均為UF4007，可控穩壓源Q1的型號為TL431，電容 C1～C6的規格分別為10μF/50V、0.1μF/100V、47μF/50V、6.8μF/400V、 6.8μF/400V、100μF/16V,電阻R5～R10均為貼片電阻，代碼分別為2492、8201、 562、272、8R20、8R20。
所述電壓轉換電路的工作原理：交流電壓信號AC_L、AC-N經過壓敏熱敏電阻RVT1和濾波電感L3、L4後經過整流二極體D2和濾波電容C4形成高電壓直流電壓，直流電壓經過PWM調製晶片U1，經過濾波電容C3濾波形成低電壓直流電壓，可控穩壓源Q1為輸出電壓提供反饋基準電壓，控制PWM調製晶片U1，實時調整PWM佔空比，以達到穩定的直流電壓輸出。
如圖3-5所示，所述輸入運算放大模塊包括直流偏置信號產生電路、直流脈動電壓信號產生電路和直流脈動電流信號產生電路，所述直流偏置信號產生電路產生直流偏置信號，所述直流脈動電壓信號產生電路包括運算放大器U10A，所述直流脈動電流信號產生電路包括運算放大器U10B，所述直流偏置信號分別輸入運算放大器U10A和U10B的同相輸入端。
如圖3所示，所述直流偏置信號產生電路輸入端接基準電壓，所述基準電壓分別輸入電容C7、C44和電阻R21的一端，電阻R21的另一端分別連接電阻 R22、電容C41的一端和運算放大器U10C的同相輸入端，運算放大器U10C的反相輸入端分別連接電阻R20、電容C43的一端，電阻R20、電容C43的另一端連接運算放大器U10C的輸出端，運算放大器U10C的輸出端還分別連接電容C8、 C42的一端，電容C7、C41、C44、C8、C42和電阻R22的另一端均接地，運算放大器的輸出端輸出直流偏置信號Gade。
優選地，電阻R20～R22的值均為10KΩ，電解電容C7、C8的規格均為4.7μF、 10V，電容C41～C44的值均為0.1μF。
如圖4所示，所述直流脈動電壓信號產生電路的輸入端接交流電壓信號AC_L、AC_N，所述交流電壓信號AC_L接電阻R30的一端，電阻R30的另一端連接電壓互感器PT1的1管腳，電壓互感器PT1的2管腳接交流電壓信號AC_N，電壓互感器PT1的4管腳分別連接電阻R35、R48和電容C49的一端，電阻R48 的另一端分別連接電阻R65、電容C57的一端和運算放大器U10A反相輸入端，運算放大器U10A的同相輸入端連接電阻R49的一端，電阻R49、R35和電容C49 的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運算放大器U10A的輸出端接電阻R65、電容C57的另一端和電阻R62、電容C55的一端，電容C55的另一端接所述直流偏置信號，電阻R62的另一端輸出直流脈動電壓信號。
如圖5所示，所述直流脈動電流信號產生電路的輸入端接交流電壓信號CT+、 CT-，所述交流電壓信號CT+、CT-分別接電流互感器CT1的1、2管腳，電流互感器CT1的4管腳分別連接電阻R36、R50和電容C50的一端，電阻R50的另一端分別連接電阻R64、電容C58的一端和運算放大器U10B反相輸入端，運算放大器U10B的同相輸入端連接電阻R51的一端，電阻R51、R36和電容C102的另一端均連接所述直流偏置信號，所述運算放大器U10B的輸出端接電阻R64、電容C58的另一端和電阻R63、電容C56的一端，電容C56的另一端接所述直流偏置信號，電阻R63的另一端輸出直流脈動電流信號。
優選地，所述運算放大器U10A、U10B和U10C的型號均為TLV2374，所述電阻R30的規格為220K/2W,電阻R35、R36的規格為22R/0.1％,電阻R48～R51、R64、 R65的阻值均為10KΩ，電阻R62、R63的電阻值分別為10KΩ、47Ω，電容C49、 C50、C55～C58的電容值分別為100pF、100pF、0.1μF、0.1μF、0.1μF、0.1μF。
所述輸入運算放大模塊的工作原理是：基準電壓Vref經過電阻R21、R22 進行均值分壓，經過集成運算放大器U10C跟隨，輸出0.5*Vref的電壓信號，為交流電壓和交流電流信號提供直流偏置信號。交流電壓信號AC_L、AC_N經過限流電阻R30和電壓互感器PT1的1、2引腳進行隔離，由PT1的3、4引腳和取樣電阻R35輸出給運算放大器U10A，運算放大器U10A將電壓採樣的交流信號和直流偏置信號進行運算放大，輸出A/D轉換模塊可以識別的直流脈動電壓信號。交流電壓信號CT+、CT-經電流互感器CT1的1、2引腳進行隔離，由CT1的 3、4引腳和取樣電阻R36輸出給運算放大器U10B，運算放大器U10B將電流採樣的交流信號和直流偏置信號進行運算放大，輸出A/D轉換模塊可以識別的直流脈動電流信號。
一般交流信號運算放大電路由於交流信號存在正負信號，運放供電電源需要正負雙電源供電，以保證交流信號負電壓不丟失，採用雙電源供電成本高，電路複雜，本實用新型採用單電源即可給運算放大器進行供電，在運算放大器的同相輸入端直接加入直流偏置基準電壓Gadc，通過運放進行加法運算，將交流電壓信號和交流電流信號的負半周抬升至0V以上。
以上所述只是本實用新型的優選實施方式，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也被視為本實用新型的保護範圍。