CN105699935A - 一种电能表检定装置输出多种谐波的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电能表检定装置输出多种谐波的方法，包括采用电能表检定装置原有能输出工频波形、可叠加工频整数倍谐波的第一信号源，本方法还增加一个只产生次谐波及间谐波的第二信号源。所述方法将第一信号源的输出与第二信号源的输出通过运算放大器搭建的加法器叠加合成；即可将第一将信号源的工频信号、工频整数倍谐波信号和第二信号源输出的次谐波信号、间谐波信号叠加合成一个波形信号；再将合成信号输出到功率放大器放大输出。本发明解决了传统方法在1套信号源上难以叠加任意谐波的问题，适用于电能表检定装置不仅要输出工频信号以及工频整数倍谐波信号，还能叠加或输出次谐波和间谐波，用于研究、分析谐波对电能计量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能表检定装置输出多种谐波的方法，属计量检测设备技术领域。
背景技术
目前电子技术飞速发展，大量的非线性用电设备如电弧炼钢炉、冲击负荷、电力电子调频、电力机车牵引、电力充电设备接入电网。这些负荷的接入将对电网产生很大的干扰，不仅会产生50Hz工频整数倍的干扰谐波，还会产生频率大于50Hz但非工频整数倍频率的间谐波（如79Hz，63Hz，111Hz等），也可能会产生频率小于20Hz但非工频整数倍频率的次谐波（如9Hz，13Hz，11Hz等），现有的电能表检定装置只能产生检定电能表所需的工频输出，也可产生或在工频输出的基础上叠加2-21次谐波输出，即现有的电能表检定装置只能产生或叠加的谐波均为工频的整数倍频，无法产生或在工频基础上叠加非工频频率整数倍的间谐波和次谐波。
目前电能表检定装置产生工频信号输出的原理为：将1个周期的正弦波波形离散成N个点，以3600点为例，每2个离散点间相差0.1°。将每个离散点号及其对应角度的正弦值一一对应存储在RAM中，离散点点号作为RAM的存储地址，其对应角度正弦值作为存储数值。比如第1点，地址为0001，其数值为Asin0.1;第k点地址为：000k,其数值为Asin0.1k。工作时CPU将存储在RAM中的数值按顺序送到D/A进行数模转换变成模拟信号，即离散点数值从RAM发送到D/A的节拍频率为:50×3600=180000Hz。模拟信号再经功率放大器输出即可供检定使用。具体工作流程如图１原电能表检定装置第一信号源工作示意图所示。
第一信号源包括CPU、第一存储器RAM、数模转换器D/A、第一数模转换器D/A（1）、第二数模转换器D/A（2）、驱动电路和电压频率转换器。如图1所示。输出或叠加工频整数倍频率谐波的方法同上，还是将1个工频周期的波形离散成3600个点。将每个离散点号及其对应的函数值一一对应存储在RAM中。实践需要找到一种电能表检定装置输出多种谐波的方法，实现电能表检定装置不仅可输出工频、可叠加工频整数倍谐波，也能输出间谐波、次谐波。用于对电能表的综合误差进行检测和评估，为研究间谐波、次谐波对电能计量的影响提供理论依据。
发明内容
本发明的目的是，为了解决电能表检定装置采用传统方法无法在工频输出的基础上叠加输出次谐波、间谐波的状况，即解决传统方法存在叠加次谐波、间谐波时，会因合成波形的包络周期大、周期不确定、可能是为非整数或无限循环小数等情况而无法实现的问题，本发明提出一种电能表检定装置输出多种谐波的方法。
本发明的技术方案是，本发明一种电能表检定装置输出多种谐波的方法，保留电能表检定装置原有能输出工频波形、可叠加工频整数倍谐波的部分称为第一信号源，另外再增加一个次谐波信号源电路，称为第二信号源，第二信号源只产生次谐波及间谐波。
本发明方法将第一信号源的输出与第二信号源的输出通过运算放大器搭建的加法器叠加合成；即可将第一将信号源的工频信号、工频整数倍谐波信号和第二信号源输出的次谐波信号、间谐波信号叠加合成一个波形信号；再将合成信号输出到功率放大器放大输出。
所述第二信号源包括主电路、调幅电路和调频电路。
所述主电路包括CPU、第二存储器RAM(2)、第三数模转换器D/A(3)。工作时，CPU将1个周期的次谐波或间谐波信号离散成3600点，每个间隔为0.1°；将每个离散点号及其对应角度的正弦值一一对应存储在第二存储器RAM（2）中，离散点号作为第二存储器RAM（2）的存储地址，其对应角度正弦值作为存储数值；CPU将存储在第二存储器RAM（2）中的数值按顺序送到第三数模转换器D/A（3）进行数模转换变成模拟信号；输出波形的初始相位角设置和调整也通过主电路实现；电能表检定装置需输出三相电压和三相电流共6相输出，A、B、C各相差120°，这6相都共用第三存储器RAM（3）中的数据，只是读取第二存储器RAM（2）中数据的起始地址不一。
所述调幅电路包括CPU、第四数模转换器D/A(4)和第二驱动（2）电路。所述调幅电路负责通过控制主电路第三数模转换器D/A（3）输出直流信号的幅值来实现调整主电路第三数模转换器D/A(3)的基准电压。主电路中的第三数模转换器D/A（3）一个特性就是其输出信号的幅值与基准电压的大小成正比，通过CPU将所需设置的幅值数字值发送到第四数模转换器D/A(4)；第四数模转换器D/A(4)将该数字值转换为基准电压输出作为主电路第三数模转换器D/A（3）的基准电压，这样即可通过CPU改变第四数模转换器D/A(4)的输出电压来改变第三数模转换器D/A（3）的基准电压，实现输出信号的幅值控制。
所述调频电路包括CPU、第五数模转换器D/A(5)和第二电压频率转换器V/F(2)转换电路。所述调频电路负责控制主电路第三数模转换器D/A（3）输出波形的频率。第三数模转换器D/A（3）的另一个特性就是其输出信号的频率与转换节拍成正比，通过CPU将所需设置的频率数字值发送到第五数模转换器D/A(5)。第五数模转换器D/A(5)将该数字值转换为模拟电压输出到第二电压频率转换器V/F（2）转换电路，第二电压频率转换器V/F（2）转换电路将电压转换为频率信号输出到第二存储器RAM（2)和第三数模转换器D/A（3）作为第二存储器RAM(2)和第三数模转换器D/A(3)的送数及转换节拍，这样即可通过CPU改变第五数模转换器D/A(5)的输出电压，再经第二电压频率转换器V/F(2)变换来改变第三数模转换器D/A(3)的输出频率，实现输出信号的频率控制。
所述第二信号源与第一信号源都受第一信号源的CPU控制。
所述加法器叠加合成使用了2级运算放大电路，其中第一级采用的是反向加法电路，第二级再加一反相器。
所述加法器叠加合成电路如下：所述第二信号源产生了间谐波和次谐波输出后，再将第一信号源与第二信号源的输出信号进行相加，其中第一信号源的信号输出通过电阻R1一路接加法器的“－”端，另一路接电阻Rf，再通过电阻Rf连接加法器的输出端；第二信号源的输出通过电阻R2接加法器的“－”端，输入到加法电路；加法器的“+”端接地；加法器的输出端一路通过电阻Rs连接反向器的“－”端；加法器的输出端的另一路通过电阻Rf连接反向器的输出端；反向器的“+”端接地。其中，V1为第一信号源输出电压；V2为第二信号源输出电压。
本发明具体工作原理如图2工频、谐波、次谐波、间谐波信号发生工作示意图所示。
第二信号源的工作原理为：CPU将1个周期的次谐波或间谐波离散成3600个点，将每个离散点号及其对应角度的正弦值一一对应存储在第二存储器RAM2中，离散点点号作为第二存储器RAM2的存储地址，其对应角度正弦值作为存储数值。比如第1点，地址为0001，其数值为Asin0.1;第k点地址为：000k,其数值为Asin0.1k。工作时CPU将存储在第二存储器RAM2中的数值按顺序送到第三数模转换器D/A（3）进行数模转换变成模拟信号，第二信号源实现次谐波或间谐波的关键在于CPU控制第二存储器RAM2向第三数模转换器D/A（3）送数及第三数模转换器D/A（3）进行数模转换的频率来实现次谐波或间谐波的频率。
比如要实现20Hz的次谐波输出，20Hz的次谐波的周期为50ms,在50ms的周期内要实现3600个点完成数模转换，那CPU控制第二存储器RAM2向第三数模转换器D/A（3）将3600点数送到第三数模转换器D/A（3）进行数模转换，转换频率为：f=3600/50=72Hz。
同样要实现80Hz的间谐波输出时，80Hz的间谐波的周期为12.5ms,在12.5ms的时间内要完成3600个点的数模转换，即CPU控制第二存储器RAM2向第三数模转换器D/A（3）送数，第三数模转换器D/A（3）进行数模转换的频率为：f=3600/12.5=288Hz。
产生了间谐波和次谐波输出后，再将第一信号源与第二信号源的输出信号进行相加，其中第一信号源的信号输出接图3的V1端，输入到加法电路；第二信号源的输出接到图3的V2端，输入到加法电路。加法器具体电路如附图3所示：工频及谐波信号源和次谐波及间谐波信号源合成工作示意图，加法器电路使用了2级运算放大电路，其中第一级采用的是反向加法电路，输出为Vo=-Vi，因此随后再加一反相器。
图3中的R1=R2=Rf=Rs，Vo=-Rf/Rs[(-Rf/R1)×V1+(-Rf/R2)×V2]。因此加法器的最终输出结果为Vo=V1+V2。
本发明的有益效果是，本发明在电能表检定装置原有的工频输出、工频整数倍谐波输出的基础上，增加一套次谐波或间谐波信号发生器，再将2路信号通过运算放大器电路构建的加法器相加合成再输出，解决了传统方法在1套信号源上难以叠加任意谐波的问题。
本发明适用于电能表检定装置不仅要输出工频信号以及工频整数倍谐波信号，还能叠加或输出次谐波和间谐波，用于研究、分析谐波对电能计量的影响。
附图说明
图１是原电能表检定装置信号源工作示意图；
图2是工频、谐波、次谐波、间谐波信号发生工作示意图；
图3是工频及谐波信号源和次谐波及间谐波信号源合成工作示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
本实施例的工频、谐波、次谐波、间谐波的信号源组成及工作原理如图2所示，次谐波、间谐波的第二信号源包括主电路、调幅电路和调频电路。
本实施例第二信号源的主电路包括CPU、第二存储器RAM(2)和第三数模转换器D/A(3)，工作时CPU将1个周期的次谐波或间谐波信号离散成3600点，每个间隔为0.1°。将每个离散点号及其对应角度的正弦值一一对应存储在第二存储器RAM（2）中，离散点号作为第二存储器RAM（2）的存储地址，其对应角度正弦值作为存储数值。比如第1点，地址为0001，其数值为Asin0.1;第k点地址为：000k,其数值为Asin0.1k。工作时CPU将存储在第二存储器RAM（2）中的数值按顺序送到第三数模转换器D/A（3）进行数模转换变成模拟信号。输出波形的初始相位角设置和调整也通过主电路实现，比如要设置输出波形初始相位角为30°，那CPU即可从第一RAM取数的起始地址可从第300点开始。电能表检定装置需输出三相电压和三相电流共6相输出，A、B、C各相差120°，这6相都共用第三存储器RAM（3）中的数据，只是读取第二存储器RAM（2）中数据的起始地址不一。
本实施例第二信号源的调幅电路由CPU、第四数模转换器D/A(4)和第二驱动（2）电路组成，调幅电路负责通过控制主电路第三数模转换器D/A（3）输出直流信号的幅值来实现调整主电路第三数模转换器D/A(3)的基准电压。主电路中的第三数模转换器D/A（3）一个特性就是其输出信号的幅值与基准电压的大小成正比，本发明通过CPU将所需设置的幅值数字值发送到第四数模转换器D/A(4),第四数模转换器D/A(4)将该数字值转换为基准电压输出作为主电路第三数模转换器D/A（3）的基准电压，这样即可通过CPU改变第四数模转换器D/A(4)的输出电压来改变第三数模转换器D/A（3）的基准电压，实现输出信号的幅值控制。
本实施例第二信号源的调频电路包括CPU、第五数模转换器D/A(5)和第二电压频率转换器V/F(2)转换电路部分，调频电路负责控制主电路第三数模转换器D/A（3）输出波形的频率。第三数模转换器D/A（3）的另一个特性就是其输出信号的频率与转换节拍成正比，本发明通过CPU将所需设置的频率数字值发送到第五数模转换器D/A(5),第五数模转换器D/A(5)将该数字值转换为模拟电压输出到第二电压频率转换器V/F（2）转换电路，第二电压频率转换器V/F（2）转换电路将电压转换为频率信号输出到第二存储器RAM（2)和第三数模转换器D/A（3）作为第二存储器RAM(2)和第三数模转换器D/A(3)的送数及转换节拍，这样即可通过CPU改变第五数模转换器D/A(5)的输出电压，再经第二电压频率转换器V/F(2)变换来改变第三数模转换器D/A(3)的输出频率，实现输出信号的频率控制。
本实施例分为2套信号源，第一信号源负责输出工频信号及工频整数倍谐波；第二信号源负责输出次谐波与间谐波。第二信号源与第一信号源的工作原理基本相同，输出不同频率的谐波可通过如前所述的调频电路实现。将第一信号源与第二信号源的输出波形经运算放大器构建的加法器相加合成，再经反向器输出及实现了电能表检定装置可输出工频、工频整数倍谐波、次谐波和间谐波。具体详见附图3：工频及谐波信号源和次谐波及间谐波信号源合成工作示意。
为了加深对本发明的原理的理解，已经对附图中示出的优选实施例进行了描述，并使用特定的词语对这些实施例进行了描述。然而，这些特定的词语不用于限制本发明的范围，本发明应该被解释为包括本领域普通技术人员通常能够想到的所有实施例，各种对本方案的同等替换，应该都是在本专利的保护范围内。
Claims (2)
1.一种电能表检定装置输出多种谐波的方法，包括采用了电能表检定装置原有能输出工频波形、可叠加工频整数倍谐波的第一信号源，其特征在于，所述方法还增加一个只产生次谐波及间谐波的信号源，为第二信号源；所述方法将第一信号源的输出与第二信号源的输出通过运算放大器搭建的加法器叠加合成；即可将第一将信号源的工频信号、工频整数倍谐波信号和第二信号源输出的次谐波信号、间谐波信号叠加合成一个波形信号；再将合成信号输出到功率放大器放大输出；
所述第二信号源包括主电路、调幅电路和调频电路；
所述主电路包括CPU、第二存储器、第三数模转换器；工作时CPU将1个周期的次谐波或间谐波信号离散成3600点，每个间隔为0.1°；将每个离散点号及其对应角度的正弦值一一对应存储在第二存储器中，离散点号作为第二存储器的存储地址，其对应角度正弦值作为存储数值；CPU将存储在第二存储器中的数值按顺序送到第三数模转换器进行数模转换变成模拟信号；输出波形的初始相位角设置和调整也通过主电路实现；电能表检定装置需输出三相电压和三相电流共6相输出，A、B、C各相差120°，这6相都共用第三存储器中的数据，只是读取第二存储器中数据的起始地址不一；
所述调幅电路包括CPU、第四数模转换器和第二驱动电路；所述调幅电路负责通过控制主电路第三数模转换器输出直流信号的幅值来实现调整主电路第三数模转换器的基准电压；主电路中的第三数模转换器一个特性就是其输出信号的幅值与基准电压的大小成正比，通过CPU将所需设置的幅值数字值发送到第四数模转换器,第四数模转换器将该数字值转换为基准电压输出作为主电路第三数模转换器的基准电压，这样即可通过CPU改变第四数模转换器的输出电压来改变第三数模转换器的基准电压，实现输出信号的幅值控制；
所述调频电路包括CPU、第五数模转换器和第二电压频率转换器；所述调频电路负责控制主电路第三数模转换器输出波形的频率；第三数模转换器的另一个特性就是其输出信号的频率与转换节拍成正比，通过CPU将所需设置的频率数字值发送到第五数模转换器,第五数模转换器将该数字值转换为模拟电压输出到第二电压频率转换器，第二电压频率转换器转换为频率信号输出到第二存储器和第三数模转换器作为第二存储器和第三数模转换器的送数及转换节拍，这样即可通过CPU改变第五数模转换器的输出电压，再经第二电压频率转换器变换来改变第三数模转换器的输出频率，实现输出信号的频率控制；
所述加法器叠加合成方法如下：
所述第二信号源产生了间谐波和次谐波输出后，再将第一信号源与第二信号源的输出信号进行相加，其中第一信号源的信号输出通过电阻R1一路接加法器的“－”端，另一路接电阻Rf，再通过电阻Rf连接加法器的输出端；第二信号源2的输出通过电阻R2接加法器的“－”端，输入到加法电路；加法器的“+”端接地；加法器的输出端一路通过电阻Rs连接反向器的“－”端；加法器的输出端的另一路通过电阻Rf连接反向器的输出端；反向器的“+”端接地；R1=R2=Rf=Rs，Vo=-Rf/Rs[(-Rf/R1)×V1+(-Rf/R2)×V2]；因此加法器的最终输出结果为Vo=V1+V2；
其中，V1为第一信号源输出电压；V2为第二信号源输出电压。
2.根据权利要求1所述一种电能表检定装置输出多种谐波的方法，其特征在于，所述第二信号源与第一信号源都受第一信号源的CPU控制，所述加法器叠加合成使用了2级运算放大电路，其中第一级采用的是反向加法电路，第二级再加一反相器。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109298361A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-02-01 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 基于暂态录波型故障指示器的故障分析预处理方法 |
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2016
- 2016-05-03 CN CN201610285158.7A patent/CN105699935A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
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| CN109298361A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-02-01 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 基于暂态录波型故障指示器的故障分析预处理方法 |
| CN109298361B (zh) * | 2018-09-10 | 2020-08-14 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 基于暂态录波型故障指示器的故障分析预处理方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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