CN1042999A - 一种计量电功率电能真有效值的数字仪器仪表或装置 - Google Patents

Abstract

一种计量电功率电能真有效值的电子数字仪器仪表或装置，由数字显示装置、加法器、乘法器、开方器等部分组成。主要利用集成真有效值变换器获得完全不受谐波影响、成本低廉、结构简单和高精度的标准功率计、标准电度表以及单三相有/无功功率计、电度表。用本原理制成的电子电度表，可以以更高精度完全取代测量电能的工业挂表，即传统的转盘式电度表。

Description

本发明系关于电功率、电能计量测试的仪器仪表或装置。

电子数字功率计、电度表所采用的原理繁多。本发明归纳起来主要单元有：电压互感器（或分压器）、电流互感器（或分流器）、加法器、减法器、平方电路及常规显示电路便构成单相功率表。如果用转换开关配合电压/频率（或模/数）转换器将正比于功率的直流电压转换为频率，用电子式或电磁式计数器作为显示器，就构成单相电度表。若采用两表法或三表法的原理，输入两相或三相电流电压，通过叠加的方法便构成三相功率表或电度表。当然还应当有内附直流稳压电源供电。近20年来，电子功率计、电度表有了很大的发展，根据在黑龙江省专利服务中心，对苏联、美国、瑞士、西德、日本等国家近20年内共计366条专利文献的检索情况[详见附件1，文献检索清单（英文）]，就其原理方法综合归纳为模拟乘法器、时分割乘法器、霍尔乘法器、四分之一和差平方法、时分割取样法、平方律乘法器、乘法器配合频谱分析、随机取样法、热偶乘法器共计九大类。前四类仅适用于正弦波形的电压、电流被测量，当正弦波形发生畸变时，仪器仪表读数不能反映谐波分量产生的功率;而后五类的仪器仪表，虽具有抗谐波畸变的能力，但又受到一定的限制。其中乘法器配合频谱分析的仪器，虽然精度很高，但结构又过分复杂，只适于实验室应用，不能作为工业上使用。余下四类，由于是近似方法的原理，精度低或过载能力不强，也限制了它们的应用推广。兹取近来广为流行的几种原理进行具体的分析如下：

1、模拟乘法器法

功率的测量是要完成一个“向量的点乘积”，即P＝UIcosφ。已广泛使用的集成模拟乘法器可实现这种功能。设两个正弦量为：

Uy＝ ysinωt

Ux＝Asinωt+jBsinωt

则乘法器的输出为：

Uo＝Uy·Ux

＝

ysinωt[Asinωt+Bsin（ωt± (π)/2 ）]

＝A

ysin²ωt+B

ysinωt·sin（ωt± (π)/2 ）

＝A

y（ 1/2 - 1/2 cos2ωt）+B

y 1/2 [cos (π)/2 -cos（2ωt+ (π)/2 ）]

用滤波器滤去第2、3项后，得恒定分量为：

其中：

y-正弦量Uy的峰值

A-正弦量Ux的峰值的水平投影即 A＝ xcos

故得：

对于正弦波，峰值为有效值的 $\sqrt{2}$ 倍，所以：

Uo＝UyUxcosφ

上式表明：在输入正弦量的条件下，模拟乘法器输出的恒定分量等于功率的有效值。

在两输入量（或其中于之一）含有谐波时，推导如下：设Uy中有二次谐波U

Uy＝

ysinωt+U

sin2ωt

Ux＝Asinωt+Bsin（ωt± (π)/2 ）

则：

Uo＝Uy·Ux

＝（ ysinωt+ sin2ωt）[Asinωt+Bsin（ωt± (π)/2 ）]

＝ ysinωt[Asinωt+Bsin（ωt± (π)/2 ）]

从上式可见：前三项与无谐波时相同，而新增加的后三项，不含反映谐波功率的恒定分量。所以，当用滤波器滤去交流成分后、乘法的输出只反映基波功率，不反映谐波功率，测出的不是功率的真实值。

2、时分割乘法器法

该法属脉冲调宽积分型，与脉冲调宽型积分数字电压表原理相近。先将被测电压之一Ux接到一积分器的一个输入端，积分器的输出电压与一辅助高频三角波电压比较。在三角波控制下，通过倒相开关将±Es标准直流电压反复轮流接到积分器的另一输入端，使C反复正反向充电。设积分电容为C、积分电阻分别为r₁、r₂，因积分电容C上电荷不能堆积，所以：

$-\frac{1}{C}{\∫}_{t_1}^{t_1}(-\frac{U_X}{r_1}+\frac{E_S}{r_2})\mathrm{dt}-\frac{1}{C}{\∫}_{t_1}^{t_1}(\frac{U_X}{r_1}-\frac{E_S}{r_2})\mathrm{dt}=0$

三角波一个周期，上述充放电进行一次，通常取三角波频率为200KHz（周期T＝5 10^-6秒），在这么短的时间内，可以认为正弦量Ux的瞬时值不变，故上式的被积函数可提到积分号外，并积分：

( (u_x)/(r₁) + (E_S)/(r₂) )T₁+( (U_X)/(r₁) - (E_S)/(r₂) )=0

解得：U_X= (r₁E_S)/(r₂T) (T₁-T₂)

或T₁-T₂= (r₂T)/(r₁E_S) U_X

其中：T₁为充电时间，T₂为放电时间

T₁+T₂＝T为三角波周期。

上述积分器充放电的动作与一倒相开关相连，该开关能正反相接通被测电压Uy，由开关引出输出为：

Uo=Uy(T₁-T₂)

=Uy (r₂T)/(r₁Es) Ux

= (r₂T)/(r₁Es) Ux·Uy

上式是Ux和Uy的瞬时值乘积。因Ux、Uy本身按正弦规律，所以输出Uo（t）的瞬时值包络类似于正弦全波整流波形。实际应用时通过滤波器滤去交流成份，所得恒定分量是功率的平均值，但在显示时不需要平均值而是用有效值，所以显示时须乘以正弦波波峰因数 $\sqrt{2}$ 。当Ux、Uy或二者之一发生畸变时，显然再乘 就不正确了，所以此种功率计无抗谐波能力。

3、计算型时分割乘法器

本法是藉助微机进行。分割点不很多、一般是几十或几百个点、主要受器件及微机运算速度限制。设：

Ux＝

sinωt

Uy＝

sin（ωt+φ）

取 (π)/2 时刻后的Uy为U

U ＝

sin（ωt+φ+ (π)/2 ）

＝

cos（ωt+φ）

则：

其中n为每周期内分割的点数。此法计算完全靠微机进行，因分割点不能很多、误差较大，一般在±0.5%以下。

4、四分之一和差平方乘法器法

本法是根据公式

xy= ((x+y)²-(x-y)²)/4

把乘积化为和差的平方，就可以在不用乘法器的条件下实现乘法功能。这当x、y为直流量时，它是正确的，当x、y为正弦交流时，令

＝Xe^jo＝X

＝Ye^jφ＝Ycosφ+jsinφ

则：（x+y）²-（x-y）²

＝[（X+Ycosφ）+jYsinφ]²-[（X-Ycosφ）-jYsinφ]²

＝4XYcosφ-2（Y²sin²φ-jXYsinφ）

由此： ((x+y)²-(x-y)²)/4

=xycos - (y²sin²φ-jxysinφ)/2

=P- (y²sin²φ-jxysinφ)/2

由上式可见，当φ＝0时，四分之一和差平方正好等于功率P。当φ≠0时，则式中第2项引起误差。在有谐波条件下，将有3个附加项、误差更大、所以说此法无抗谐波能力，一般这类功率计精度低于±0.5%。

由于上述种种缺点的存在，至今尚未研制出精度高、线路简单、造价低廉，适于有谐波条件下工作令人满意的工业用电子功率计、电度表，采取代目前传统的感应式电度表。

本发明的目的是为了克服上述的种种缺点，提出具有余弦/真有效值变换为原理的电子数字功率计、电度表。它的特点是线路结构简单、完全不受被测信号波形的影响、精度高、成本低，能够直接投入工业上使用。它的构成是由电压互感器（或分压器）、电流互感器（或分流器）将输入的电压电流信号予以衰减。数字功率计的主体由两个加法器、两个减法器、三个真有效值变换器、平方电路及常规显示电路构成。如果通过转换开关、配上电压/频率（或模/数）转换器，将正比于功率的直流电压转换为频率、用电子或电磁计数器作为显示器，就构成单相数字电度表。有关上述运算部分也可由微机完成。若采用两表法或三表法的原理，输入两相或三相电压，然后把各相叠加便成为三相功率表或电度表，本发明使用常规变压器、整流器、稳压器产生稳压电源供给仪器工作时使用。本发明方案的工作原理：设被测电功率（或电能）电路的交流电压为

＝Ue^jo

交流电流为 ＝Ie^jφ，把向量I转化为交流电阻R上的压降，即U_I＝IR，则上述各电压的向量关系可表示为一个三角形，示于附图[1]，其中向量

₀为向量 ₁和

的向量差。上面三角形的每个边都经过真有效值变换，因此获得了以附图[1]各边为基础构成的三角形，示于附图[2]。应用余弦定理有U 2₀＝U²+U 2₁-2UU₁COSφ等式，经数学变换，根据交流电路电功率的定义可得到P＝UIcosφ＝ (U²+U² ₂-U² ₀)/(2R) 方程式。依据该方程中各参量的关系，设计本发明具有余弦/真有效值变换为原理的电子数字功率计、电度表。

当输入信号含有谐波时，由于谐波分量参与量值的合成和真有效值变换，故附图[2]三角形量值关系转化为附图[3]的三角形量值关系，而附图[3]的三角形反映了输入信号基波和各次谐波的共同作用结果的实际关系，所以由此得到的功率为基波功率有效值和各次谐波功率有效值的总和。附图[4]为单相有功无功真有效值变换功率计电度表原理方框图。在附图[4]中，测量电功率时，开关K₁接通、K₂断开。被测信号的电压

经分压器R₂、R₃衰减为

₁，被测信号的电流经符号为[CT1]的电流互感器衰减，并在电流互感器[CT1]的负载R₁上形成正比于电流的电压

₁。电压

₁和 ₁经符号为[ICI]的运算放大器，符号为[R₄、R₅、R₆、R₇]构成的减法器形成差值电压

₀＝

₁- ₁，正弦电压 ₀， ₁，

₁分别送入三个符号为[RMS1，RMS2，RMS3]的真有效值变换器，经真有效值变换后的输出是大小与被测交流有效值成比例的直流电压U₀、U₁、U₁。它们经接成平方形式的符号为[M1、M2、M3]乘法器（亦可利用运算放大器构成）变为U 2₀、U 2₁、U 2₁。符号为[IC2]的运算放大器、符号[R₈、R₉、R₁₀、R₁₁]的电阻组成了倒相加法器，其作用是形成一（U 2₁+U 2₁）。此值与经符号为[R₁₂]的电阻来的电压U 2₀一起加在由符号为[IC3]的运算放大器、符号为[R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅]的电阻构成的加法器上，该加法器完成求和、除2、倒相的功能，因此它的输出为 (U² ₀+［-(U² ₁+U² _I)］)/(2R₁) ＝ (U² ₁+U² _I-U² _D)/(2R₁) 亦即该加法器输出的直流电压与被测功率的有效值成正比，故可用直流数字电压表显示。因信号已被衰减，故显示单位应乘以刻度系数。在附图[4]中测量电能时，接通符号为[K₂]的开关，同时断开符号为[K₁]的开关，将以符号[IC3]为主体构成加法器输出的直流电压，经符号为[V/F1]的电压/频率变换器变为时脉冲频率，经电子或电磁计数器计数。被测功率愈大、脉冲频率愈高，则在一定时间内计数愈多，所以计数器的计数反映被测的电能值。附图[4]的下部为无功功率（电度）表的原理框图。依据定义，无功功率 $\mathrm{Q=}\sqrt{S^2\mathrm{-P}{}^2}$ ，其中S＝UI为视在功率，测无功功率时，接通符号为[K₃]的开关，断开符号为[K₄]的开关，同时断开开关[K₁]和[K₂]。这部分线路，由符号[M5]的乘法器形成S＝UI;符号为[M4]、[M5]的乘法器形成S²和P²，由符号为[IC4]和符号为[R₁₆、R₁₇R₁₈、R₁₉]组成的减法器形成S²-P²，由符号为[r]的运算放大器搭成的开方器，它的输出为 $Q=\sqrt{S^2-P^2}$ 。同理，接通开关[K₄]，同时断开开关[K₁、K₂、K₃]，经电压/频率变换器[V/F2]可测无功电能（Varh）。附图[5]是在本发明基础上，计算部分具体地采用微机的三相有功无功功率（或电度）表框图。被测的三相交流电压U_A、U_B、U_C分别通过符号为[R₂₀、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅]的分压器衰减后经[IC5、IC6、IC7]压随器引出;而被测三相交流电流

_A、 _B、

_C经三个符号为[CT2、CT3、CT4]的电流互感器衰减后，在互感器的负载[R₂₆、R₂₇、R₂₈]上转化为电压

_IA、

_IB、

_IC。取其中的A相电压 _A经[IC8、R₂₉、R₃₀、R₃₁]的微调放大器，作为该通道传输系数的细调。

^′ _IA经符号为[IC11]运放构成的压随器，再经符号为[IC12、R₄₂、R₄₃、R₄₄]组成的放大器调节该路传输系数。然后 ^′ _A与

_IA一起加到由符号[IC13、R₃₈、R₃₉、R₄₀、R₄₁]组成的减法器，以获得差值电压

被送到符号为[RMS4、RMS5、RMS6]三个集成真有效值变换器变换为和它们交流有效值相等的直流电压-U_DA、U^′ _A、U_IA。同样地，B相和C相电压电流也经同样处理（图中略）。最后得到-U_DA、-U_DB、-U_DC、;U^′ _A、U^′ _B、U^′ _C;U_IA、U_IB、U_IC9个直流电压，它们被同时加到程控多路模拟开关输入端，在微机[μP]控制下，依次传递到符号为[A/D]的模/数转换器变为数字量后，再读入微机存储区，全部数据传输完毕、微机进行下述运算：

=Q_A+Q_B+Q_C

利用微机内的定时单元，乘入时间t，即可得到电能：

Wh＝（P_A+P_B+P_C）t

Varh＝（Q_A+Q_B+Q_C）t

当然，无论功率和能量在显示前还要乘上刻度系数。上述微机化真有效值三相有功/无功功率表和电度表适于实验室使用。对于工业用三相有功/无功电度表，因停电时微机存储丢失信息故宜用图[4]的运算放大器构成。

应用本发明原理可制成完全不受波形影响的真有效值功率计、电度表或相应的装置，其精度主要取决于真有效值变换器的精度。整机精度一般为±0.03%～±0.2%。因此适于制造高精度电功率和电能标准。由于线路简单不需要特殊元器件，成本较现有的数字功率计大幅度降低，也为使电子电度表彻底取代工业挂表（即传统转盘式电度表）提供了切实条件，将引起电能测试的重大改进。

附图1是被测电功率的电压电流向量图;

附图2是当不含谐波时经真有效值变换后的电压关系图;

附图3是当有谐波时经真有效值变换后的电压关系图;

附图4是单相有功/无功真有效值功率计、电度表原理方框图;

附图5是微机化三相真有效有功/无功率计、电度表原理方框图;

附图6是单相标准电度表框图;

附图7是单相电度表框图。

实施例

1、实验室用三相真有效值有/无功精密功率计、电能表按图[5]微机方案制成

电压部分：用精密金属膜电阻作为分压器[R₂₀、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅]，衰减系数为380/3.8V，每相分压器总电阻（R₂₀+R₂₁）为500KΩ，各相相同。分压精度应不低于±0.02%。用低飘仪表用运算放大器OP-07作为联接的压随器[IC5、IC6、IC7]。运算放大器[IC8、IC9、IC10]以及电阻[R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅R₃₆、R₃₇]组成微调放大器，以调整各路传输系数。

电流部分：电流互感器[CT2、CT3、CT4]为有源自平衡式电流互感器，精度为0.01级额定变比为5A/0.1A;负载R₂₆＝R₂₇＝R₂₈＝1Ω。在此电阻上所取得的额定电压为0.1V，为了适应真有效值变换器动态范围的要求，此电压应放大38倍。使用运放[IC11]作为压随器，使用[IC12、R₄₂、R₄₃、R₄₄]组成的放大器作为放大。此二运放均使用OP-07。

变换部分：通过减法器[IC13、R₃₈、R₃₉、R₄₀、R₄₁]，得到差值电压。[IC13]选OP-07低飘运放。真有效值变换器[RMS2、RMS3、RMS4]使用高精度真有效值变换器AD637，变换精度±0.02%。采用2片“八选一”CD4051作为程控多路模拟开关。模拟开关的前后都应加上用OP-07运放构成的压随器作为阻抗匹配（图中略）。

模/数转换器[A/D]用14位的。微机用TP80/A单板计算机改装，系统程序为4K字节，存入2片2716EPROM中。

显示部分：用5位“三合一”7段发光二极管C102显示：通过一片74LS244作为锁存器和一片74LS154作为译码器和微机的数据与地址总线联接（图中略）。显示窗口共有两个：一个供显示有功或无功功率;一个供显示有功/无功电能。由微机键盘操纵显示种类。

电源部分：由下列部分组成。

（1）电源变压器T₁，50瓦，220V/ 20V，10V

（2）桥式整流：3组，20V，1A;20V，1A;10V，3A

（3）π型滤波：3组，2×1000μF    100Ω，2W

2×1000μF    100Ω，2W

2×4700μF    50Ω，5W

（4）三端稳压器：3组    7815    提供+15V

7915    提供-15V

7805    提供+5V

整机由模拟部分、微机部分、显示部分、电源部分4块印刷电路板构成，采用高质量、厚2mm的敷箔板制造，装于通用机箱内。整机调整精度应在±0.045%以内。

2、单相0.03级真有效值标准电度表

采用图[6]原理电路

电压部分：采用锰铜线绕电组做分压器，分压比100/1V。分压精度为±0.01%，分压器总电阻R₄₈+R₄₉＝10KΩ。分压后的电压经运放[IC14]搭成的压随器取出。由[IC15、R₅₀、R₅₁、R₅₂]组成的放大器作为该通道传输系数微调之用（运放均为OP-07）得到电压 ′。

电流部分：经电流互感器CT5衰减。互感器为0.01级。额定变比为10A、5A、2.5A/0.1A。负载电阻R₅₇＝1Ω，额定时在[R₅₇]上取出的电压为0.1V。此电压由运放[IC17]搭的压随器及运放[IC18]电阻[R₅₈、R₅₉、R₆₀]组成的放大器引出。本级放大倍数为10。额定输出

₁为1V。本部分运放均为OP-07。

变换部分：通过[IC16、R₅₃、R₅₄、R₅₅、R₅₆]构成的减法器得到差值电压U₀。[IC16]选OP-07低飘运放。U、U₁、U₀接至“八选一”程控模拟开关CD4051。在微机控制下依此通过开关至符号为[RMS7]集成真有效值变换器变为与它们交流有效值相等的直流电压U、U₁、U₀采用AD637真有效值变换器精度为±0.02%。每变换完一个电压都要经符号为[V/F]的电压/频率变换器（CD4046 0.01级）变为频率，并在符号为[C]的计数器上计数。计数器由4片74LS161二进制计数器构成，容量为64K二进制数。该16位二进制数进入微机（微机为16位）。每次变换先由微机对计数器清零，并放过U′、（或U₁、U₀）之一进行变换，变换后的数字是存入微机随机存储器内。待全部三个电压传递变换完了，由微机按 $\mathrm{P\; ＇=}\frac{U^2{}_1{\mathrm{+U}}^2{}_I{\mathrm{-U}}^2{}_D}{{\mathrm{2R}}_{\mathrm{57}}}$ 计算功率。再乘以刻度系数得到P（刻度系数的作用是将衰减了的电压倍数予以还原），按微机内定时器所测时间乘以P即得到所测电能Wh。

Wh＝Pt

微机使用96系列16位单片机。系统程序为2K字节。

显示部分：由6位7段发光二极管（C002）作为显示。数据由微机控制经符号为[L]的锁存器（由2片74LS244三态门组成）进入显示器。显示命令由微机发出，经1片74LS154译码器控制显示器。

电源部分：同实施例1

3、单相电子电度表

采用图[7]原理电路。

电压部分：由电阻[R₆₄、R₆₅]组成的分压器分压，分压比为220V/1.1V，采用精密金属膜电阻、分压精度为±0.1%。分压器总电阻为（R₆₄+R₆₅）＝500KΩ。分压后的电压

₁经[IC19]组成的压随器引出。由[IC20、R₆₆、R₆₇、R₆₈]组成的放大器作为该通道传输系数微调之用。

电流部分：由符号为[CT6]的电流互感器引入，互感器额定变比为5A/0.1A（或2.5A/0.1A、10A/0.1A）。精度为0.1级。互感器负载[R81]为1Ω金属膜电阻，精度为±0.1%。电压

₁由此电阻引出，经[IC24]构成压随器及[IC25、R₈₂、R₈₃、R₈₄]组成的放大器，使额定电流为5A时，此放大器输出为1.1V。

变换部分：经[IC20、IC25]出来的电压

′和

₁送至由[IC21、R₆₉、R₇₀、R₇₁、R₇₂]组成的减法器，得到差值电压 ₀＝ ′-

₁。 ′、

₁和

₀各通过一个由运放搭成的符号为[V/I₁、V/I₂、V/I₃]的电压/电流变换器，该变换器输出电流i₁、i₂、i₃为0～5mA。将i₁、i₂、i₃送入3个“电流型”真有效值变换器，符号为[RMS.8、RMS.9、RMS.10]（型号为BH301）。从这里得到正比于交流真有效值的直流电压：U₁/K，U₂/K，U₀/K，此处K为变换系数。

运算部分：通过符号为[X 2₁、X 2₂、X 2₃]，由运放构成的平方器得到（ (U₁)/(K) ）²、（ (U₂)/(K) ）²、（ (U_D)/(K) ）²。通过由[IC22、R₇₃、R₇₄、R₇₅、R₇₆]构成的倒相加法器得到-（ (U＇+U₂)/(K) ）²。通过由[IC23、R₇₈、R₇₉IR₇₇〕组成的倒向比例加法器得到：-（- (U＇²+U_I ²)/(K²) + (U² _D)/(K²) ）K＇= (U^＇2+U² _I-U² _D)/(2R₈₁) -其中K′为总刻度系数。

经符号为[V/F]的电压频率变换器、变为频率，通过电磁或电子计数器显示电能Kwh。

电源部分：

（1）电源变压器T₃2W 220/20V，20V

（2）两组整流器：    25V    0.5A

（3）两组滤波器：    4×1000μF    2×50

（4）正负稳压块：    7815    7915    各一块

全部电路装在一块100×100mm印刷板上，电源变压器固定于机架上。整机装在塑料壳内。

注：按本方案施行的电度表作为民用挂表成本仍较高。当投产制造时须将图[7]主要电子部分用大规模集成技术制成专用芯片。售价将比目前所有的单相电子式电度表都明显地降低，专用芯片已经与有关厂家达成意向协议。

Claims (3)

1、一种计量电功率电能真有效值的电子数字仪器仪表或装置，它有数字显示装置P(或Q)、加法器IC₁、IC₂、IC₃、IC₄，乘法器M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、开方器r，其特征在于利用余弦定理通过运算放大器和真有效值变换器RMS1、RMS2、RMS3、利用余弦定理，把电压电流向量的点乘积转化为代数运算。

2、根据权利要求1所述的具有余弦/真有效值变换的电子数字电度表，其特征在于利用V/F变换器、电磁计数器构成电能计量的仪器仪表或装置。

3、根据权利要求1所述的具有余弦/真有效变换的电子数字功率表、电度表，其特征在于利用微机来完成变换后的直流量代数运算，完成电功率和电能的测量功能。

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