基于真有效值轉(zhuǎn)換的寬頻帶電參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

黃燕

摘? 要：隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，特別是整流器、逆變器等非線性負(fù)荷的大量使用，系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，如電壓、電流波形嚴(yán)重畸變、高次諧波的出現(xiàn)，但是傳統(tǒng)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器大多是針對(duì)工頻50Hz而設(shè)計(jì)的，使用已有的測(cè)量?jī)x器已經(jīng)不能準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)在的電參數(shù)，文章研究分析了各種交流電參數(shù)的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了文中提出的基于真有效值轉(zhuǎn)換的電參數(shù)測(cè)試儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)50Hz-20kHz的寬頻帶輸入信號(hào)有較高準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：電參數(shù)測(cè)量;真有效值轉(zhuǎn)換;寬頻帶

中圖分類號(hào)：TM933? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0101-02

引言

目前常用的電能裝置有傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表、電子式電能表兩類。市面上出現(xiàn)的或者居家所使用的電能表基本上為電子式電能表。這種電能表可以實(shí)現(xiàn)功率、電流、頻率的測(cè)量。但是測(cè)量頻帶較窄，諧波存在的畸變信號(hào)存在較大誤差[1]。本系統(tǒng)采用真有效值轉(zhuǎn)換電路作為核心部分，對(duì)電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，真有效值轉(zhuǎn)換電路可以測(cè)量任何復(fù)雜波形而不必考慮波形種類和失真度，并且測(cè)量準(zhǔn)確度高、頻帶范圍寬、響應(yīng)速度快[2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，本系統(tǒng)主要分為三大模塊：信號(hào)輸入模塊、有效值轉(zhuǎn)換模塊和微處理器處理模塊。

信號(hào)輸入模塊是輸入的交流電壓、電流信號(hào)兩路分別經(jīng)過(guò)衰減、分流處理后，輸入到真有效值轉(zhuǎn)換器和頻率和相位測(cè)量模塊。得到對(duì)應(yīng)的測(cè)量值后由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過(guò)高速光電隔離后送入STM32F103VET6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在顯示器上顯示出來(lái)。

2 電參數(shù)測(cè)量原理

輸入u（t）和i（t）兩路信號(hào)，通過(guò)加法器產(chǎn)生u（t）+i（t），分別經(jīng)過(guò)有效值轉(zhuǎn)換電路得到Urms、（U+I）rms和Irms，然后將測(cè)得的數(shù)據(jù)送入到STM32F103VET6獲得功率的值以及其他可用電壓和電流計(jì)算得到的電參數(shù)。

2.2 頻率的測(cè)量原理

測(cè)量頻率的方法有兩種：模擬法和計(jì)數(shù)法。電子計(jì)數(shù)法是按照頻率的定義進(jìn)行測(cè)量，原理簡(jiǎn)單，隨著數(shù)字電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，逐步發(fā)展并漸漸代替了模擬法。

測(cè)頻法的基本原理就是對(duì)確定時(shí)間T內(nèi)被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)，則被測(cè)信號(hào)的頻率fx=N/T[3]。如圖3所示利用STM32的兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量：定時(shí)器2控制計(jì)數(shù)閘門，定時(shí)器3用作計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.3 相位的測(cè)量原理

本系統(tǒng)中測(cè)量相位采用的是過(guò)零檢相法[4]。該方法的原理是：首先將輸入的兩個(gè)被測(cè)信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較電路放大整形為兩個(gè)方波信號(hào)，其上升沿和下降沿分別對(duì)應(yīng)與被測(cè)信號(hào)的正向過(guò)零點(diǎn)和負(fù)向過(guò)零點(diǎn)，這兩個(gè)被測(cè)信號(hào)的上升沿（下降沿）之間的時(shí)間差即為這被測(cè)信號(hào)之間的相位差，如圖4所示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為了驗(yàn)證文中系統(tǒng)的性能，分別輸入頻率為50Hz、5kHz、9kHz、20kHz幅值為1V、2V、3V、4V的交流信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。交流電壓基準(zhǔn)源由FLUKE5502A多功能校準(zhǔn)器提供，轉(zhuǎn)換器輸出采用FLUKE8846A進(jìn)行測(cè)量。

從圖5可以明顯看出，使用本系統(tǒng)后，頻率范圍在50Hz～20kHz的交流信號(hào)可轉(zhuǎn)換成為誤差不超過(guò)0.00091的有效值。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用以真有效值轉(zhuǎn)換器為核心的寬頻帶電參數(shù)測(cè)試儀對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量，可以有效避免因高頻諧波引起的測(cè)量誤差，有非常好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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