CN106154034B - 一种功率模块的谐波测量装置和方法 - Google Patents

一种功率模块的谐波测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率模块的谐波测量装置和方法，包括：频率计算单元，用于根据获取的输入电压的频率确定采样频率；电流计算单元，用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用该采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；谐波计算单元，用于对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到该输入电流不同次谐波的幅值，其中，频率计算单元、电流计算单元和谐波计算单元位于数字控制功率变换模块中。采用本发明实施例提供的方案，不需要外接单独的电力谐波分析仪和硬件电路，减轻了整个电路的负担，测量方便，节约了成本。

Description

一种功率模块的谐波测量装置和方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种功率模块的谐波测量装置和方法。
背景技术
在电力系统中，流过线性元件的电流和施加的电压是正弦波，但由于使用开关电源、整流器、变频器等非线性负载，当电流流过这些负载时，与所加的电压不成线性关系，就会形成非正弦电流，即基波电流发生畸变产生了谐波。谐波能够引起电力系统局部并联谐振和串联谐振，使得谐波含量放大，对设备造成损害，因此需要对产生的谐波进行测量。现有的对谐波进行测量的方式主要采用电力谐波分析仪测量电路中的谐波，由于需要在电路中外接单独的电力谐波分析仪，增加了整个电路的负担，成本高，并且在没有电力谐波分析仪的情况下无法进行测量。
发明内容
本发明实施例提供一种功率模块的谐波测量装置及方法，用以解决现有技术中存在的进行谐波测量时需要单独外接电力谐波分析仪造成的测量不方便、成本高的问题。
本发明实施例提供一种功率模块的谐波测量装置，包括：频率计算单元、电流计算单元、谐波计算单元，其中，所述频率计算单元、电流计算单元和谐波计算单元位于数字控制功率变换模块中：
频率计算单元，用于根据获取的输入电压的频率确定采样频率；
电流计算单元，用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；
谐波计算单元，用于对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到所述输入电流不同次谐波的幅值。
采用本发明实施例提供的装置，由于在已有功率变换模块基础上测量分析谐波含量，不需要外接单独的电力谐波分析仪，减轻了整个电路的负担，测量方便，节约了成本。
进一步的，上述装置，还包括：
谐波分析单元，用于根据输入电流的预设数量的不同次谐波的幅值的和与所述输入电流基波频率的幅值的比例关系，确定所述输入电流的谐波畸变率。
进一步的，所述频率计算单元，具体用于将所述输入电压极性变化之间的时长确定为所述输入电压的周期；根据所述输入电压的周期，确定输入电压的频率。
进一步的，所述频率计算单元，具体用于对输入电压进行采样，确定采样点的电压值变化过程中的峰值时刻；根据所述峰值时刻之间的时间差值确定所述输入电压的周期，并得到所述输入电压的频率。
进一步的，所述电流计算单元，具体用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上幅值为正的各采样点的电流值；按照所述输入电流的极性，将时间轴上幅值为正的各采样点的电流值，还原为与所述输入电流在时间轴上该采样点处相同的极性，得到时间轴上的各采样点对应的电流值。
进一步的，上述装置，还包括：
显示单元，用于显示所述输入电流不同次谐波的幅值或所述谐波畸变率。
进一步的，所述输入电流为对所述数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行转换处理得到的。
本发明实施例还提供了一种功率模块的谐波测量方法，包括：
根据获取的输入电压的频率确定采样频率；
在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；所述输入电流为对数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行转换处理得到的；
对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到所述输入电流不同次谐波的幅值。
采用本发明实施例提供的方法，由于在已有功率转换模块基础上测量谐波含量分析，不需要外接单独的电力谐波分析仪和电路，减轻了整个电路的负担，测量方便，节约了成本。
进一步的，上述方法，还包括：
根据输入电流的预设数量的不同次谐波的幅值的和与所述输入电流基波频率的幅值的比例关系，确定所述输入电流的谐波畸变率。
进一步的，所述根据获取的输入电压的频率确定采样频率，具体包括：
将所述输入电压极性变化之间的时长确定为所述输入电压的周期；根据所述输入电压的周期，确定输入电压的频率。
进一步的，所述根据获取的输入电压的频率确定采样频率，具体包括：
对输入电压进行采样，确定采样点的电压值变化过程中的峰值时刻；
根据所述峰值时刻之间的时间差值确定所述输入电压的周期，并得到所述输入电压的频率。
进一步的，所述在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值，具体包括：
在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上幅值为正的各采样点的电流值；
按照所述输入电流的极性，将时间轴上幅值为正的各采样点的电流值，还原为与所述输入电流在时间轴上该采样点处相同的极性，得到时间轴上的各采样点对应的电流值。
进一步的，上述方法，还包括：
显示所述输入电流不同次谐波的幅值或所述谐波畸变率。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的功率模块的谐波测量方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的功率模块的谐波测量方法的流程图；
图3为本发明实施例2提供的功率模块的谐波测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了给出使得谐波测量方便、降低成本的实现方案，本发明实施例提供了一种功率模块的谐波测量装置和方法，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供一种功率模块的谐波测量方法，如图1所示，包括：
步骤101、根据获取的输入电压的频率确定采样频率。
步骤102、在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用该采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值，该输入电流为对数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行转换处理得到的。
步骤103、对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到该输入电流不同次谐波的幅值。
本发明实施例中提供的谐波测量方法可以应用于数字控制功率变换模块的电路系统中，该方法可以通过电路系统中的处理器实现，例如可以采用微控制单元(MCU，MicroControl Unit)、数字信号处理芯片(DSP，Digital Signal Process)、ARM处理器等测量谐波畸变率。其中，输入电流的获取方式为：对数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行电流采样和转换，得到输入电流。
下面结合附图，用具体实施例对本发明提供的方法及装置进行详细描述。
实施例1：
以功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)功率转换模块为基础测量谐波为例，图2为本发明实施例1提供的谐波测量方法的流程图，具体包括如下处理步骤：
步骤201、获取输入电压的频率。
本步骤中，输入电压的频率可以通过以下两种方式确定，其中，输入电压为电源的输入电压。
第一种方式：可以通过输入电压极性检测电路检测输入电压的极性变化，具体的，对输入电压的L线电压和N线电压按照预设时间间隔进行采样，并通过AD采样端口输入处理器中，处理器确定L线电压和N线电压的差值，当差值的符号为正，输入电压极性为正。当确定输入电压极性变化开始，即输入电压由正变为负或者由负变为正开始，每隔单位时间t进行累加计数，当输入电压的极性再次变化时，确定累加计数的数量n，确定输入电压的半个周期为n×t，一个周期为2n×t，可以确定输入电压的频率为1/(2n×t)。
第二种方式：对输入电压进行采样，可以设置采样点之间的时间间隔很小，在采样过程中将输入电压的波形映射到正半轴方向上，确定采样点的电压值从的变化过程中的峰值时刻，确定连续峰值的时间差值，即为输入电压的周期。还可以比较连续数量采样点的电压平均值，例如，按照采样点的顺序，每次依次取5个采样点的电压值，确定5个采样点的电压平均值，比较各电压平均值的大小，可以取5个采样点的中间时刻作为这5个采样点的电压平均值对应的时间，采用上述确定峰值相同的方式确定各电压平均值中的峰值，并确定输入电压的频率，在此不再进行详细描述。
步骤202、根据输入电压的频率确定输入电流的采样频率。
根据时域采样定理，采样频率至少为该谐波分析的N次谐波频率的2倍时，对输入电流的波形进行采样，便可根据各采样值完全计算N次谐波的幅值。根据采样频率可以确定周期整数倍采样点的个数，例如：输入电压的波形的一个周期为10s，基波频率为0.1Hz，分析谐波含量分析到10次谐波，设置输入电流采样频率应大于输入电压的频率的10次谐波频率的2倍，确认电流采样频率，还可以同时根据实际傅里叶变换的计算精度确认电流采样频率。
本步骤中的输入电流是对数字控制功率变换模块PFC的电感电流或开关管电流进行电流采样和转换得到的。
步骤203、使用该采样频率对输入电流进行采样，得到各采样点对应的电流值。
本步骤中，输入电流波形的周期与输入电压波形的周期相同。在实际应用中，可以使用PFC电感电流近似等效输入电流进行谐波分析，电感的一端通过开关频率切换连接到输入电压，由于PFC电感电流的波形上叠加开关频率的锯齿波，该锯齿波通常为10KHz以上，只要经过分析的n次谐波频率小于10KHz就可以保证PFC电感电流近似等效输入电流。根据PFC电感电流进行谐波分析的值近似等效输入电流分析谐波含量的值。
步骤204、对一个周期的采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到电源的输入波形在频域内频率的幅值。
本步骤中，将时域内各采样点对应的电流值转换为频域内不同频率分量的幅值可以采用现有技术中的傅里叶变换方法，还可以采用现有技术中的快速傅里叶变换方法，由于在处理器例如DSP芯片中专门设计有可以使用C语言直接调用的傅里叶变换的内联库函数，通过调用该内联库函数可以实现将时域内输入电流值转换为频域内不同频率分量的幅值，具体处理过程在此不再进行详细描述。其中，傅里叶变换可以为快速傅里叶变换。
进一步的，由于硬件电路在采样PFC电流的时候加入了一个直流偏置量，因此先对输入电流采样的电流值进行补偿处理，即对直流输入量减去由于硬件电路引入的直流偏置量，将各采样点对应的电流值分别减去一个预设采样偏置，该预设采样偏置可以根据具体硬件进行设置。
步骤205、从频域内频率的幅值中提取预设数量的频率为输入电流波形的频率倍数的幅值。
其中，该预设数量可以根据经验和需要进行灵活设置。输入电流波形的频率倍数的幅值即为不同次谐波的幅值。
步骤206、根据提取的预设数量的频率为输入电流波形频率倍数的幅值与该输入电流基波频率的幅值的比例关系，确定输入电流的谐波畸变率。
本步骤中，输入电流的谐波畸变率具体可以采用如下公式确定：
其中，THD为输入电流波形的谐波畸变率，N为提取的谐波最大次数，I1为输入电流的基波频率的幅值，In为输入电流的第n次谐波的幅值。
步骤207、对输入电流的谐波畸变率进行滤波放大处理后发送给显示单元进行显示。
本步骤中，在显示单元显示谐波畸变率之前，为了防止显示时出现抖动，需要进行滤波处理。一般的，谐波畸变率是小数，可以将谐波畸变率放大m倍进行显示，例如，可以放大100倍后进行显示。其中，显示单元可以与数字控制功率转换模块相独立的显示装置，也可以为数字控制功率转换模块中原有的具有显示功能的单元。
通过本发明上述实施例1提供的方法，由于在已有电路的PFC整流电源模块基础上测量谐波含量分析和谐波畸变率，不需要外接单独的电力谐波分析仪和电路，减轻了整个电路的负担，测量方便，节约了成本。
实施例2：
基于同一发明构思，根据本发明上述实施例提供的功率模块的谐波测量方法，相应地，本发明实施例2还提供了功率模块的谐波测量装置，其结构示意图如图3所示，包括：频率计算单元301、电流计算单元302、谐波计算单元303，其中，所述频率计算单元301、电流计算单元302和谐波计算单元303位于数字控制功率变换模块中，其中：
频率计算单元301，用于根据获取的输入电压的频率确定采样频率；
电流计算单元302，用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；
谐波计算单元303，用于对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到所述输入电流不同次谐波的幅值。
进一步的，上述装置，还包括：
谐波分析单元304，用于根据输入电流的预设数量的不同次谐波的幅值的和与所述输入电流基波频率的幅值的比例关系，确定所述输入电流的谐波畸变率。
进一步的，所述频率计算单元301，具体用于将所述输入电压极性变化之间的时长确定为所述输入电压的周期；根据所述输入电压的周期，确定输入电压的频率。
进一步的，所述频率计算单元301，具体用于对输入电压进行采样，确定采样点的电压值变化过程中的峰值时刻；根据所述峰值时刻之间的时间差值确定所述输入电压的周期，并得到所述输入电压的频率。
进一步的，所述电流计算单元302，具体用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上幅值为正的各采样点的电流值；按照所述输入电流的极性，将时间轴上幅值为正的各采样点的电流值，还原为与所述输入电流在时间轴上该采样点处相同的极性，得到时间轴上的各采样点对应的电流值。
进一步的，上述装置，还包括：
显示单元305，用于显示所述输入电流不同次谐波的幅值或所述谐波畸变率。
进一步的，所述输入电流为对所述数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行转换处理得到的。
上述各单元的功能可对应于图1至图2所示流程中的相应处理步骤，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的方案，包括：频率计算单元，用于根据获取的输入电压的频率确定采样频率；电流计算单元，用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用该采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；谐波计算单元，用于对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到该输入电流不同次谐波的幅值，其中，频率计算单元、电流计算单元和谐波计算单元位于数字控制功率变换模块中。采用本发明实施例提供的方案，不需要外接单独的电力谐波分析仪和硬件电路，减轻了整个电路的负担，测量方便，节约了成本。
本申请的实施例所提供的功率模块的谐波测量装置可通过计算机程序实现。本领域技术人员应该能够理解，上述的模块划分方式仅是众多模块划分方式中的一种，如果划分为其他模块或不划分模块，只要功率模块的谐波测量装置具有上述功能，都应该在本申请的保护范围之内。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种功率模块的谐波测量装置，其特征在于，包括：频率计算单元、电流计算单元、谐波计算单元，其中，所述频率计算单元、电流计算单元和谐波计算单元位于数字控制功率变换模块中：
频率计算单元，用于根据获取的输入电压的频率确定采样频率；
电流计算单元，用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；
谐波计算单元，用于对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到所述输入电流不同次谐波的幅值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
谐波分析单元，用于根据输入电流的预设数量的不同次谐波的幅值的和与所述输入电流基波频率的幅值的比例关系，确定所述输入电流的谐波畸变率。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率计算单元，具体用于将所述输入电压极性变化之间的时长确定为所述输入电压的周期；根据所述输入电压的周期，确定输入电压的频率。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率计算单元，具体用于对输入电压进行采样，确定采样点的电压值变化过程中的峰值时刻；
根据所述峰值时刻之间的时间差值确定所述输入电压的周期，并得到所述输入电压的频率。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流计算单元，具体用于在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上幅值为正的各采样点的电流值；按照所述输入电流的极性，将时间轴上幅值为正的各采样点的电流值，还原为与所述输入电流在时间轴上该采样点处相同的极性，得到时间轴上的各采样点对应的电流值。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：
显示单元，用于显示所述输入电流不同次谐波的幅值或所述谐波畸变率。
7.如权利要求1-5任一所述的装置，其特征在于，所述输入电流为对所述数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行转换处理得到的。
8.一种功率模块的谐波测量方法，其特征在于，包括在数字控制功率变换模块中执行以下步骤：
根据获取的输入电压的频率确定采样频率；
在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值；所述输入电流为对数字控制功率变换模块的电感电流或开关管电流进行转换处理得到的；
对各采样点对应的电流值进行傅里叶变换，得到所述输入电流不同次谐波的幅值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
根据输入电流的预设数量的不同次谐波的幅值的和与所述输入电流基波频率的幅值的比例关系，确定所述输入电流的谐波畸变率。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据获取的输入电压的频率确定采样频率，具体包括：
将所述输入电压极性变化之间的时长确定为所述输入电压的周期；根据所述输入电压的周期，确定输入电压的频率。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据获取的输入电压的频率确定采样频率，具体包括：
对输入电压进行采样，确定采样点的电压值变化过程中的峰值时刻；
根据所述峰值时刻之间的时间差值确定所述输入电压的周期，并得到所述输入电压的频率。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上的各采样点对应的电流值，具体包括：
在获取的输入电流的波形的整数倍周期内使用所述采样频率对输入电流进行采样，得到时间轴上幅值为正的各采样点的电流值；
按照所述输入电流的极性，将时间轴上幅值为正的各采样点的电流值，还原为与所述输入电流在时间轴上该采样点处相同的极性，得到时间轴上的各采样点对应的电流值。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
显示所述输入电流不同次谐波的幅值或所述谐波畸变率。
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