CN101408568A - 一种测量交流电的电信号相位的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量交流电的电信号相位的方法及装置。该方法包括如下过程：通过电信号瞬时值及其对应的电信号变化率求得电信号相位正弦值和余弦值，根据所述电信号相位正弦值和余弦值求得交流电的电信号的相位。该装置包括相互连接的电信号相位正弦值和余弦值生成单元和相位计算单元；所述电信号相位正弦值和余弦值生成单元根据电信号瞬时值及其对应的电信号变化率求得电信号相位正弦值和余弦值并输出至相位计算单元，所述相位计算单元根据所述电信号相位正弦值和余弦值计算出交流电信号的相位。本发明的相位测量方法和装置，克服了通用方法不能对单相交流电实时运算相位的问题。而且，本发明的方法和装置测量出的相位更稳定、准确。

Description

一种测量交流电的电信号相位的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测量交流电的电信号相位的方法，本发明还涉及一种测量交流电的电信号相位的装置。

背景技术

三相交流电的相位测量通常可以通过三相综合矢量及坐标变换来求出相位。这种方法对于只有单相电压或者缺相的交流点而言，无法计算相位。

单相交流电的测量方法通常是根据其电信号过零点来计算频率并估算相位的。如图1所示，具体的实现方法为：通过比较器及相关电路在电信号由负到正过零处产生上升沿信号，检测相邻两个上升沿的时间间隔，此时间间隔即为周期T，周期T的倒数即为频率。任一时刻与先前最近一个过零点的时间间隔为t，则此时刻的相位用角度表示即为

上述方法分别测得目标电压与逆变器输出的逆变电压的相位和频率后，即可根据相差和频差调频调相。这种现有技术的不足之处在于：过零点的采集必须准确。如果过零点附近有抖动或者较低的正弦度导致过零点电压畸变，都将导致上升沿信号与实际过零点有偏离。这时，由于其它点的相位都是以过零点为依据的，这样将导致一个周期内，电压相位的判断不准。这会使得锁相调节存在比较大的误差。

发明内容

本发明就是为了克服以上的不足，提出了一种准确测量交流电的电信号相位的方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供一种测量交流电的电信号相位的方法，包括如下过程：通过电信号瞬时值及其对应的电信号变化率求得电信号相位正弦值和余弦值，根据所述电信号相位正弦值和余弦值求得交流电的电信号的相位。

优选地，所述电信号为电压信号，所述过程包括如下步骤：

A.采集交流电压瞬时值，并用

表示，其中u为电压瞬时值，V是电压幅值，

为交流电压的相位值；

B.根据所述电压瞬时值得到电压变化率，并用表示，其中u′为电压变化率，ω为电压的角速度；

C.设 $x=\frac{u^{\′}}{\mathrm{\ω}},$ 则 $V=\sqrt{u^2+x^2},$ 可以得出

求

的反余弦和

的反正弦得出交流电压的相位值。

所述待测量相位的交流电为目标电压，所述步骤C之前还包括如下步骤：通过捕获目标电压相邻两个过零上升沿或过零下降沿得到目标电压的周期T，根据 $\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{T}$ 计算出目标电压的角速度。

所述电压变化率通过如下方法得到：在固定采样频率下，通过电压的变化量除以采样时间间隔得出。

所述交流电为单相交流电。

所述电信号为电流信号。

为实现上述目的，本发明提供一种测量交流电的电信号相位的装置，包括相互连接的电信号相位正弦值和余弦值生成单元和相位计算单元；所述电信号相位正弦值和余弦值生成单元根据电信号瞬时值及其对应的电信号变化率求得电信号相位正弦值和余弦值并输出至相位计算单元，所述相位计算单元根据所述电信号相位正弦值和余弦值计算出交流电信号的相位。

优选地，所述电信号为电压信号，所述电信号相位正弦值和余弦值生成单元包括交流电压瞬时值采集模块、电压变化率计算模块和正弦值和余弦值计算模块；所述交流电压瞬时值采集模块采集出交流电压瞬时值并输出至电压变化率计算模块和正弦值和余弦值计算模块，所述电压变化率计算模块根据所述交流电压瞬时值计算出电压变化率并输出至正弦值和余弦值计算模块，所述正弦值和余弦值计算模块根据交流电压瞬时值和电压变化率计算出电压相位正弦值和余弦值。

所述电信号为电流信号。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明的相位测量方法和装置，克服了通用方法不能对单相电压实时运算相位的问题。而且，本发明的方法和装置并不会因为过零点处上升沿的偏移而发生偏移。不用依托于每个周期过零处的上升沿，克服了电压/电流畸变导致过零点相位辨别的误差。这样测量出的相位更稳定、准确。本发明准确测量出交流电相位后，可以更精确地锁相。本发明可以应用在逆变锁相和不间断电源系统等领域，具有很高的实用意义。

附图说明

图1是现有通过过零点检测相位时过零点偏差对相位计算产生影响的示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种测量交流电的电压相位的方法，包括如下处理过程：通过电压瞬时值及其对应的电压变化率求得电压相位正弦值和余弦值，根据所述电压相位正弦值和余弦值求得交流电压的相位。

如图2所示，所述处理过程具体包括如下步骤：

第一步：采集单相交流电的实时电压，得到电压瞬时值。电压瞬时值u可以按比例对应具有与单相交流电同相位的余弦值，公式如下：

其中u为电压瞬时值，V是电压幅值，

即交流电压的相位值。

电压瞬时值通过交流电压瞬时值采集模块直接采样得出，交流电压瞬时值采集模块包括比例缩放电路、偏置电路和模数转换电路。所述比例缩放电路对电压瞬时值进行一定比例缩放，偏置电路将缩放后的电压信号加偏置以便于模数转换电路将模拟电压瞬时值信号转换成数字电压瞬时值信号。

第二步：根据分时采集的电压信号的瞬时值得到电压的变化率。电压变化率u′也可以按比例对应具有与单相交流电同相位的正弦值的相反数：其中u′为电压变化率，ω为电压的角速度。

电压微分值(电压的变化率)的求得采用如下方法：在固定采样频率下，通过电压的变化量除以采样时间间隔得出。电压变化率也可以通过硬件微分电路获得。由于采样的离散性，可以将前述电压瞬时值的采样结果进行数值微分。此数值微分可以采用差商近似、后差商近似、中心差商近似计算。也可以采用插值法或样条求导。

第三步：通过电压瞬时值及其对应的电压变化率，求得对应的电压相位正弦值和余弦值，并根据电压相位正弦值和余弦值求取电压的相位。设 $x=\frac{u^{\′}}{\mathrm{\ω}},$ 则单相电压模值也可以称电压峰值V的求取为： $V=\sqrt{u^2+x^2}.$ 求出V后可以得出

分别求

和

的反余弦和反正弦就可以得出

的值，也即相位角的值。

第三步之前可以先求出交流电压的角速度ω。

本发明可以应用在不间断电源(UPS)上，UPS在锁相时需要分别测量出目标电压和逆变电压的相位，从而控制逆变电压跟踪并锁相目标电压。目标电压的角速度可以通过测量目标电压的频率进行求取。目标电压的频率仍然用捕获交流电压上升沿/下降沿的方法。这里要强调的是，对于前述传统的用过零点测相位的方法，过零点上升沿与实际过零点存在的偏差会影响最终相位的测量结果。但如果只是用过零点上升沿来计算频率则不存在这个问题，因为周期的求取只要求每个周期的同一点之间的时间间隔，并没有要求必须在过零处，综合多对相邻上升沿/下降沿的时间间隔，就可以得到相对稳定的时间间隔。所以上升沿/下降沿相对过零处相差的偏移并不影响周期的运算。本发明可以将多次求得的周期经滤波后得到一个较为可靠的周期。并进而得到一个准确的频率(周期的导数)。有了目标电压的频率，就可以根据 $\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{T}$ 计算出目标电压的角速度ω。逆变电压角速度为逆变给定固定相位偏移量除以对应控制时间Δt。即：ω＝θ_step/Δt，其中，θ_step为固定相位偏移量，Δt为控制时间。

本发明的方法不仅可以用于单相电压交流电的相位测量，还可以适用于三相电压交流电的相位测量。本发明不仅可以用于交流电电压的相位测量，也可以适用于交流电的电流的相位测量；此时，只需将电压信号的采集、处理换成电流信号的采集、处理即可，其他不变，此处不再赘述。使用本发明的方法可以准确求得交流电的相位，从而使得逆变电压与目标电压之间能够精确锁相。

如图3所示，一种测量交流电的电压相位的装置，包括相互连接的电压相位正弦值和余弦值生成单元和相位计算单元；所述电压相位正弦值和余弦值生成单元根据电压瞬时值及其对应的电压变化率求得电压相位正弦值和余弦值并输出至相位计算单元，所述相位计算单元根据所述电压相位正弦值和余弦值计算出交流电压的相位。

所述电压相位正弦值和余弦值生成单元包括交流电压瞬时值采集模块、电压变化率计算模块和正弦值和余弦值计算模块；所述交流电压瞬时值采集模块采集出交流电压瞬时值并输出至电压变化率计算模块和正弦值和余弦值计算模块，所述电压变化率计算模块根据所述交流电压瞬时值计算出电压变化率并输出至正弦值和余弦值计算模块，所述正弦值和余弦值计算模块根据交流电压瞬时值和电压变化率计算出电压相位正弦值和余弦值。

本发明还提供一种测量交流电的电流相位的装置，包括相互连接的电流相位正弦值和余弦值生成单元和相位计算单元；所述电流相位正弦值和余弦值生成单元根据电流瞬时值及其对应的电流变化率求得电流相位正弦值和余弦值并输出至相位计算单元，所述相位计算单元根据所述电流相位正弦值和余弦值计算出交流电流的相位。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量交流电的电信号相位的方法，其特征在于：包括如下过程：通过电信号瞬时值及其对应的电信号变化率求得电信号相位正弦值和余弦值，根据所述电信号相位正弦值和余弦值求得交流电的电信号的相位。

2.根据权利要求1所述的测量交流电的电信号相位的方法，其特征在于：所述电信号为电压信号，所述过程包括如下步骤：

A.采集交流电压瞬时值，并用

表示，其中u为电压瞬时值，V是电压幅值，

为交流电压的相位值；

B.根据所述电压瞬时值得到电压变化率，并用

表示，其中u′为电压变化率，ω为电压的角速度；

C.设 $x=\frac{u^{\′}}{\mathrm{\ω}},$ 则 $V=\sqrt{u^2+x^2},$ 可以得出

求

的反余弦和

的反正弦得出交流电压的相位值。

3.根据权利要求2所述的测量交流电的电信号相位的方法，其特征在于：所述待测量相位的交流电为目标电压，所述步骤C之前还包括如下步骤：通过捕获目标电压相邻两个过零上升沿或过零下降沿得到目标电压的周期T，根据 $\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{T}$ 计算出目标电压的角速度。

4.根据权利要求3所述的测量交流电的电信号相位的方法，其特征在于：所述电压变化率通过如下方法得到：在固定采样频率下，通过电压的变化量除以采样时间间隔得出。

5.根据权利要求1-3任一所述的测量交流电的电信号相位的方法，其特征在于：所述交流电为单相交流电。

6.根据权利要求1所述的测量交流电的电信号相位的方法，其特征在于：所述电信号为电流信号。

7.一种测量交流电的电信号相位的装置，其特征在于：包括相互连接的电信号相位正弦值和余弦值生成单元和相位计算单元；所述电信号相位正弦值和余弦值生成单元根据电信号瞬时值及其对应的电信号变化率求得电信号相位正弦值和余弦值并输出至相位计算单元，所述相位计算单元根据所述电信号相位正弦值和余弦值计算出交流电信号的相位。

8.根据权利要求7所述的测量交流电的电信号相位的装置，其特征在于：所述电信号为电压信号，所述电信号相位正弦值和余弦值生成单元包括交流电压瞬时值采集模块、电压变化率计算模块和正弦值和余弦值计算模块；所述交流电压瞬时值采集模块采集出交流电压瞬时值并输出至电压变化率计算模块和正弦值和余弦值计算模块，所述电压变化率计算模块根据所述交流电压瞬时值计算出电压变化率并输出至正弦值和余弦值计算模块，所述正弦值和余弦值计算模块根据交流电压瞬时值和电压变化率计算出电压相位正弦值和余弦值。

9.根据权利要求7所述的测量交流电的电信号相位的装置，其特征在于：所述电信号为电流信号。

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