CN102735922A - 一种低成本单相谐波电能表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本单相谐波电能表，包括采样计量部分、存储部分、主控单元MCU、电源部分、通信部分、显示部分，其特征是：采样计量部分前端采样得到电流电压信号，一路电流信号通过低通滤波器后送入计量芯片，另一路电流信号直接进入计量芯片，电压采样信号直接进入计量芯片，通过计量芯片进行计量得到基波电流信号和总电流信号，电压信号，基波电能，总电能。本发明结构合理，解决了不使用专用谐波计量芯片的普通电能表不能计量谐波的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相谐波电能表。
背景技术
随着科学技术的发展，工业生产和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，因此我们必须对非线性用电设备产生的谐波进行治理，这就要求我们首先要完成谐波的计量。
目前，市场上的绝大多数电能表不具备谐波计量功能， CN101382588A公开了一种谐波电能表的专利，该谐波电能表的谐波电能计量模块包括电压、电流变换单元及DSP计算模块，DSP计算模块包括FFT变换模块以及谐波参数的幅值和相位的补偿模块。即该谐波电能表计量谐波需要专用的计量单元，需要高速采样且在内部采用复杂的数字信号处理才能得到谐波电能等信息。这对谐波电能表的设计，采样芯片的选择非常局限，成本非常高，不利于谐波电能表的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理，具有准确计量谐波的功能的低成本单相谐波电能表。
本发明的技术解决方案是：
一种低成本单相谐波电能表，包括采样计量部分、存储部分、主控单元MCU、电源部分、通信部分、显示部分，其特征是：采样计量部分前端采样得到电流电压信号，一路电流信号通过低通滤波器后送入计量芯片，另一路电流信号直接进入计量芯片，电压采样信号直接进入计量芯片，通过计量芯片进行计量得到基波电流信号和总电流信号，电压信号，基波电能，总电能。
所述低通滤波器是由两个两阶椭圆低通滤波器级联组成的4阶滤波器，每个两阶椭圆滤波器由三个单运算放大器配合若干电阻电容组成，其中的两个运算放大器配合相应电阻电容实现两阶椭圆滤波的功能，另一个单运算放大器的电压增益为1，其输入电阻趋近于无穷，输出电阻趋近于零，在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离。
两个两阶椭圆低通滤波器中的第一个两阶椭圆滤波器由运算放大器U1、U2、U3，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2组成，运算放大器的正输入端接地，负输入端接信号，信号从R1端输入，R1的另一端和C1串联配合U1形成一阶低通滤波， R2和C2串联与U2又形成一阶滤波，其中R1、C1分别与R2、C2的值相等；U2两端接的电阻R4是负反馈电阻，使系统工作稳定；R5，R6和U3在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离，R3的一端连接于U3的输出，另一端连接在U1的负输入端，将后端信号反馈到前面的输入端。两个两阶椭圆低通滤波器中的第二个二阶低通椭圆滤波器由U4、U5、U6，R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，C3，C4组成，R7与C3串联和U4构成一阶低通滤波，R10和C4串联与U5又形成的一阶滤波，R9的一端连接在U5的负输入端，另一端连接在U3的输出端，其中R7、C3分别与R10、C4的值相等；U5两端接的电阻R12是负反馈电阻，作用就是稳定工作点；R13，R14和U6在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离；R11的一端连接于U6的输出，另一端连接在U4的负输入端，将后端信号反馈到前面的输入端。
本发明在电流采样环节设计一种低成本的低通滤波电路，然后利用普通计量芯片也具有两路电流采样回路的特点，同时计量基波电流和总电流，从而可以通过总电流减去基波电流得到谐波电流，也可以通过计算得出基波和谐波的有功电能以及谐波畸变率等数据，解决了不使用专用谐波计量芯片的普通电能表不能计量谐波的问题。
本发明的滤波电路使用4阶椭圆低通有源滤波器，从总电流中提取出基波电流，从而实现谐波电能和基波电能的计量，进而实现谐波电能的计量。
本发明所设计的滤波器截止频率为60Hz，通带内的纹波系数小于0.05dB，具有良好的滤波特性。本设计对截止频率留有余量，当电网电流频率略有变化时也不会对基波信号造成不可忽视的衰减；阻带的截止特性好，对100Hz信号具有大于18dB的衰减，对于实际应用中含量较大的三次谐波信号(150Hz)具有56dB以上的衰减，对于其他高频信号也有40dB左右的衰减，完全满足我们的需要。
通过上述基波电流信号及总电流信号和电压信号，可以计算出谐波电流，基波有功功率和总有功功率，再通过两者相减就可以求得谐波总有功功率，还可以计算得到电流畸变率等电网参数。
本发明的低成本谐波电能表能准确计量谐波电能，其滤波电路解决了普通电能表计量芯片不能计量谐波电能的问题，相较于专用的谐波计量芯片，本发明的通用性强，电能表不需要使用专用的计量芯片，就能准确计量谐波电能。本发明具有低成本易维护的优点可以很方便的投入大量使用。发明中的滤波电路可以应用于目前存在的大多数电能表中来谐波计量。
附图说明
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的谐波电能表的结构框图；
图2为本发明的谐波电能表采样计量部分的结构框图；
图3为低通滤波电路的原理图。
具体实施方式
一种低成本单相谐波电能表，包括采样计量部分、存储部分、主控单元MCU、电源部分、通信部分、显示部分，采样计量部分前端采样得到电流电压信号，一路电流信号通过低通滤波器后送入计量芯片，另一路电流信号直接进入计量芯片，电压采样信号直接进入计量芯片，通过计量芯片进行计量得到基波电流信号和总电流信号，电压信号，基波电能，总电能。
所述低通滤波器是由两个两阶椭圆低通滤波器级联组成的4阶滤波器，每个两阶椭圆滤波器由三个单运算放大器配合若干电阻电容组成，其中的两个运算放大器配合相应电阻电容实现两阶椭圆滤波的功能，另一个单运算放大器的电压增益为1，其输入电阻趋近于无穷，输出电阻趋近于零，在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离。
两个两阶椭圆低通滤波器中的第一个两阶椭圆滤波器由运算放大器U1、U2、U3，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2组成，运算放大器的正输入端接地，负输入端接信号，信号从R1端输入，R1的另一端和C1串联配合U1形成一阶低通滤波， R2和C2串联与U2又形成一阶滤波，其中R1、C1分别与R2、C2的值相等；U2两端接的电阻R4是负反馈电阻，使系统工作稳定；R5，R6和U3在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离，R3的一端连接于U3的输出，另一端连接在U1的负输入端，将后端信号反馈到前面的输入端。两个两阶椭圆低通滤波器中的第二个二阶低通椭圆滤波器由U4、U5、U6，R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，C3，C4组成，R7与C3串联和U4构成一阶低通滤波，R10和C4串联与U5又形成的一阶滤波，R9的一端连接在U5的负输入端，另一端连接在U3的输出端，其中R7、C3分别与R10、C4的值相等；U5两端接的电阻R12是负反馈电阻，作用就是稳定工作点；R13，R14和U6在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离；R11的一端连接于U6的输出，另一端连接在U4的负输入端，将后端信号反馈到前面的输入端。
计量部分加入一个滤波电路，结合普通的计量芯片，准确的分离出基波电流，从而得到总电能和基波电能，然后用总电能减去基波电能就能得到我们所需要的谐波电能，这就使普通电能表也能准确的计量谐波，其结构框图如图2所示。
(1) 对电流进行采样后得到总电流信号I（t）；
(2) 总电流信号经过本发明设计的低通滤波器，得到基波电流信号I基（t），设计的低通滤波器在信号频率50Hz左右的衰减很小，幅频特性较为平坦，纹波小于0.05dB；
(3) 根据上述的基波电流信号、总电流信号及电压信号，计算出电网的基波功率，基波电流有效值，总电流有效值，以及总功率。
(4) 主控MCU根据采样计量部分得到的基波电流信号和总电流信号、基波功率、总功率和基波电能、总电能，用总电能减去基波电能就能得到我们所需要的总谐波电能；总电流减去基波电流信号可以得到谐波电流信号，用谐波电流除以基波电流就可以得到谐波电流畸变率。
如图2，输入的电流信号中含有基波和谐波信号，本发明将一路总电流信号送入计量芯片，另一路电流信号送入低通滤波器滤除谐波分量后送入计量芯片。低通滤波器的目的就是滤除除基波之外的其他谐波信号保证在通带内尤其是45-55Hz之间有较小的纹波，我们采用4阶的椭圆滤波器实现低通滤波，其在45-55Hz之间的纹波小于0.05dB，且其截止特性好，对100Hz信号具有大于18dB的衰减，对于需滤除主要信号(150Hz)具有56dB以上的衰减，对于其他高频信号也有40dB左右的衰减，完全满足我们的需要。
4阶的椭圆有源滤波器，不仅保证了滤波器具有较好的截止特性，而且通带内的纹波也控制在较小的范围内，50Hz附近的衰减只有0.01714dB。
当传递函数的极点与虚轴的距离比较远时，其上升时间比较短，这说明系统响应速度比较快，但纹波比较大，说明系统的响应速度比较好，但是总体上系统的动态性能比较差，说明其稳态性能比较差；当传递函数的极点与虚轴的距离比较近时，其上升时间比较长，这说明系统响应速度比较慢，但纹波较小，总体上系统的动态性比较好，其稳态性能比较好；综合考虑响应速度即截止特性和纹波本发明所设计的4阶椭圆低通滤波器，在45-55Hz之间的纹波小于0.05dB，且其截止特性好，对100Hz信号具有大于18dB的衰减，对于需滤除主要信号(150Hz)具有56dB以上的衰减，对于其他高频信号也有40dB左右的衰减。
根据上述的基波电流信号和总电流信号，计算出电网的基波功率，基波电流有效值，总电流有效值，以及总功率和总谐波功率。
Claims (3)
1.一种低成本单相谐波电能表，包括采样计量部分、存储部分、主控单元MCU、电源部分、通信部分、显示部分，其特征是：采样计量部分前端采样得到电流电压信号，一路电流信号通过低通滤波器后送入计量芯片，另一路电流信号直接进入计量芯片，电压采样信号直接进入计量芯片，通过计量芯片进行计量得到基波电流信号和总电流信号，电压信号，基波电能，总电能。
2.根据权利要求1所述的一种低成本单相谐波电能表，其特征是：所述低通滤波器是由两个两阶椭圆低通滤波器级联组成的4阶滤波器，每个两阶椭圆滤波器由三个单运算放大器配合若干电阻电容组成，其中的两个运算放大器配合相应电阻电容实现两阶椭圆滤波的功能，另一个单运算放大器的电压增益为1，其输入电阻趋近于无穷，输出电阻趋近于零，在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离。
3. 根据权利要求2所述的一种低成本单相谐波电能表，其特征是：两个两阶椭圆低通滤波器中的第一个两阶椭圆滤波器由运算放大器U1、U2、U3，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，电容C1、C2组成，运算放大器的正输入端接地，负输入端接信号，信号从R1端输入，R1的另一端和C1串联配合U1形成一阶低通滤波， R2和C2串联与U2又形成一阶滤波，其中R1、C1分别与R2、C2的值相等；U2两端接的电阻R4是负反馈电阻，使系统工作稳定；R5，R6和U3在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离，R3的一端连接于U3的输出，另一端连接在U1的负输入端，将后端信号反馈到前面的输入端；两个两阶椭圆低通滤波器中的第二个二阶低通椭圆滤波器由U4、U5、U6，R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，C3，C4组成，R7与C3串联和U4构成一阶低通滤波，R10和C4串联与U5又形成的一阶滤波，R9的一端连接在U5的负输入端，另一端连接在U3的输出端，其中R7、C3分别与R10、C4的值相等；U5两端接的电阻R12是负反馈电阻，作用就是稳定工作点；R13，R14和U6在电路当中用作电压跟随器，实现两阶椭圆滤波器与输出的隔离；R11的一端连接于U6的输出，另一端连接在U4的负输入端，将后端信号反馈到前面的输入端。
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