CN106772209B - 用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置，包括电子负载单元、驱动电路、反相器、反馈电路单元、电阻（R11）、电阻（R12）和电阻（R13）。本发明通过采用反馈的方法调节场效应管的导通电阻以实现匹配负载支路上二端的电压与被检表电阻的自动匹配，并将匹配信息转换成反馈信号输出给驱动电路；驱动电路根据反相器和反馈电路单元的输出信号大小，调节其输出的电压值；电子负载单元根据驱动电路的输出电压值调节内部MOSFET管的导通阻抗，以改变自身阻抗，从而实现负载的自动匹配。本发明装置实现负载自动匹配具有精度高、速度快和操作简单，此时产生的直流和偶次谐波波形满足标准的要求，保证了试验结果的准确。

Description

用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置

技术领域

一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置，属电能表计量技术领域。

背景技术

非线性用电设备的使用，会在电网中产生谐波，其对电能表的影响也越来越受到重视。针对几种典型的谐波类型，国家标准（GB/T17215.321-2008）提出了具体的谐波影响量试验方法和要求。其中，直流和偶次谐波影响量试验的目的是检测电流中的直流和偶次谐波对电能表计量特性的影响是否满足相应要求。试验中，标准表电流线路上的电流为全波，被检表电流线路上的电流为正半周导通且负半周截止的半波，匹配负载流过的电流为负半周导通且正半周截止的半波。平衡负载与被检表的电阻应相等，否则波形不满足要求，造成试验结果不准确。

为保证平衡电阻与被检表电阻相等，目前多采用手动的方法，使用与被检表同型号的被检表或电阻当平衡负载。由于试验时被检表的规格、型号和数量不相同，并且两个回路的导线连接不可能完全一致，因此每次试验都需重新调整匹配负载。传统方法具有操作不便、耗时长且测试结果不够准确的缺点。

公开号CN104698425公开了一种电能表直流偶次谐波试验的负载自动匹配方法，采用继电器和电阻并联的阵列作为匹配负载，通过控制继电器的闭合和关断，改变匹配负载的电阻值，以实现和被检测表电阻的匹配。试验时，继电器需不停动作直至匹配负载和被检表的电阻相等，继电器频繁动作易产生电弧且自动匹配耗时较长。

发明内容

本发明的目的是为了克服了现有技术的不足，提供一种用于电能表直流和偶次谐波影响量试验的负载自动匹配装置，实现电能表直流和偶次谐波影响量试验中匹配负载和被检表电阻的快速、准确的自动匹配。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置，包括：电子负载单元、驱动电路、反相器、反馈电路单元、R11电阻、R12电阻和R13电阻。

所述电子负载单元和电阻R13串联，构成一条支路，电阻R11和电阻R12串联，构成另一条支路，二条支路并联为负载支路，负载支路的两个端点分别为I+和I-；反馈电路单元输入端11和27分别连接被检表的两端IM-和I+；反馈电路单元的输入端12和27分别连接二极管D2的阴极和I+；反馈电路单元的输入端13和14分别连接电阻R12的两端Fv+和I-，以取电阻R12两端的电压作为参考信号；反馈电路单元的输出端15和驱动电路输入端20连接；反相器的输入端16和17分别连接电阻R13的两端Fv-和I-，反相器的输出端18和驱动电路的输入端19连接，将电阻13二端的电压信号反相并输出；驱动电路的输出端21和22分别连接电子负载单元输入端28和29，电子负载单元一端口23和I+连接，电子负载单元另一端口24和Fv-连接。

所述反馈电路单元，包括：第一有效值转换器AD1、第二有效值转换器AD2、比较器A2、电容C2、电容C3、电阻R21、二极管D3、乘法器、电阻R22、电阻R23、电容C4、第二放大器A3和电阻R24。

第一有效值转换器AD1将被检表电流线路二端的交流电压信号转换成直流电压信号，第二有效值转换器AD2将匹配负载支路两端的交流电压信号转换成直流电压信号；电容C2和电容C3并联，且两端分别连接比较器A2的反相端和输出端；第一有效值转换器AD1和第二有效值转换器AD2的输出分别连接比较器A2的反相端和同相端，比较器A2的输出端经过电阻R21和二极管D3，连接到乘法器的一个输入端；从取样电阻R12上获取参考波形信号，以差分的形式传输到乘法器的输入端13和14；乘法器输出端经过电阻R22，连接到第二放大器A3的反相端，第二放大器A3的正相端接地；电阻R23和电容C4并联，且两端分别连接第二放大器A3的反向端和输出端；第二放大器A3的输出端与电阻R24连接。

反馈电路单元的作用是，被检表两端的电压信号反映了被检表的阻抗大小，匹配负载两端的电压信号反映了电子负载两端的阻抗大小；将被检表两端的电压和匹配负载支路（该支路包括电子负载单元、电阻R11、电阻R12和电阻R13）两端的电压接到反馈电路单元，反馈电路单元比较两者的电压大小，将被检表和匹配负载支路之间阻抗的匹配情况反馈给驱动电路。

所述驱动电路，包括：第三放大器A4、电容C7、电阻R41、电阻R42、第一开关S1、MOSFET管Q7、第四放大器A5、电容C8、电阻R43、电阻R44、第二开关S2和MOSFET管Q8。

所述第三放大器A4的同相端和第四放大器A5的同相端连接，第三放大器A4的反相端和第四放大器A5的反相端连接；电容C7的两端分别连接第三放大器A4的反相端和输出端；第三放大器A4输出端经电阻R41，连接到第一开关S1的输入端；电阻R42的两端分别连接电源VCC和第二开关S2的控制端；MOSFET管Q7的漏极和第一开关S1的控制端连接，MOSFET管Q7的源极接地；电容C8的两端分别连接第四放大器A5的反相端和输出端；第四放大器A5输出端经电阻R43，连接到第二开关S2的输入端；电阻R44的两端分别连接电源VCC和第二开关S2的控制端；MOSFET管Q8的漏极和第二开关S2的控制端连接，MOSFET管Q8的源极接地；通过控制MOSFET管Q7和MOSFET管Q8的导通与截止，进而控制第一开关S1和第二开关S2的断开与闭合，控制信号由时序提取电路产生。

驱动电路的作用是实现对电子负载单元内部MOSFET管导通电阻的控制。

所述的反相器，包括：电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电容C1、第一放大器A1组成；电阻R31连接到第一放大器A1的反相端，电阻R32连接到第一放大器A1的同相端；电阻R33和电容C1并联，且两端分别连接第一放大器A1的反相端和输出端，第一放大器A1的同相端经电阻R34接地。

反相器的作用是，将电阻R13上的电压反相，保证反相器的输出信号与反馈电路单元的输出信号相位一致，反相器的输出作为驱动电路的输入信号。当电子负载单元的阻抗在驱动电路的控制下发生改变时，电阻R13上电压也会发生变化。

所述电子负载单元，包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6、电阻R601~R612、电容C5、电容C6、第一稳压二极管ZD1和第二稳压二极管ZD2组成。

所述电阻R601、电阻R602、电阻R603、电容C5和第一稳压二极管ZD1并联；MOSFET管Q1、MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并联；电阻R604两端分别连接第一稳压二极管ZD1的阴极和MOSFET管Q1的栅极；电阻R605两端分别连接第一稳压二极管ZD1的阴极和MOSFET管Q2的栅极；电阻R606两端分别连接第一稳压二极管ZD1的阴极和MOSFET管Q3的栅极；第一稳压二极管ZD1的阳极与MOSFET管Q1的源极连接；电阻R610、电阻R611、电阻R612、电容C6和第二稳压二极管ZD2并联；MOSFET管Q4、MOSFET管Q5和MOSFET管Q6并联；电阻R607二端分别连接第二稳压二极管ZD2的阴极和MOSFET管Q4的栅极；电阻R608二端分别连接第二稳压二极管ZD2的阴极和MOSFET管Q5的栅极；电阻R609二端分别连接第二稳压二极管ZD2的阴极和MOSFET管Q6的栅极；第二稳压二极管ZD2的阳极与MOSFET管Q4的源极连接；MOSFET管Q1的漏极和MOSFET管Q4的漏极连接，MOSFET管Q2的漏极和MOSFET管Q5的漏极连接，MOSFET管Q3的漏极和MOSFET管Q6的漏极连接。

根据驱动电路输出电压值，电子负载单元的阻值改变，使得匹配负载支路的阻抗和电能表的阻抗匹配。

本发明一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置的工作原理如下：反馈电路通过比较匹配负载支路上二端的电压与被检表二端的电压以判断二者的阻抗是否匹配，并将匹配信息转换成反馈信号输出给驱动电路；驱动电路根据反相器和反馈电路单元的输出信号大小，调节其输出的电压值；电子负载单元根据驱动电路的输出电压值调节内部MOSFET管的导通阻抗，以改变自身阻抗，从而实现负载的自动匹配。时序提取电路提取匹配负载支路的信号时序，以控制驱动电路工作，使匹配负载支路在正半周导通的半波信号和负半周导通的半波信号下均能正常工作。

所述装置实现负载自动匹配的步骤如下：

步骤1：反馈电路单元取被检表两端电压和匹配负载支路两端电压；

步骤2：将步骤1取到的两个电压波形，分别由第一有效值转化器AD1和第二有效值转化器AD2进行有效值转换，然后根据比较器的输出信号，得到被检表和匹配负载阻值大小的关系；

步骤3：乘法器将电阻R12两端的电压波形与步骤2中比较器的输出电压相乘，经过反相后，作为反馈信号输入到驱动电路；

步骤4：电阻R13两端的反相信号作为驱动电路的另一个输入信号；

步骤5：在步骤3和步骤4驱动电路二个输入信号共同作用下，第三放大器A4和第四放大器A5输出两路信号，由时序提取电路控制，使驱动电路输出一路放大器的信号，另一路输出高电平。

步骤6：步骤5中高电平信号使MOSFET管完全导通，放大器信号调节MOSFET管的阻值，以完成阻抗匹配调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明用反馈的方法调节场效应管的导通电阻以实现与被检表电阻的自动匹配。通过本发明装置实现负载自动匹配具有精度高、速度快和操作简单的优点，此时产生的直流和偶次谐波波形满足标准的要求，保证了试验结果的准确。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的反馈电路单元结构示意图；

图3本发明的反相器结构示意图；

图4是本发明的驱动电路示意图；

图5是本发明的电子负载单元结构示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示。

本实施例一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置包括电子负载单元、驱动电路、反相器、反馈电路单元、R11电阻、R12电阻和R13电阻。

本实施例中，电子负载单元和电阻R13串联，构成一条支路，电阻R11和电阻R12串联，构成另一条支路，二条支路并联为负载支路，负载支路的两个端点分别为I+和I-；反馈电路单元输入端11和27分别连接被检表的两端IM-和I+；反馈电路单元的输入端12和27分别连接二极管D2的阴极和I+；反馈电路单元的输入端13和14分别连接电阻R12的两端Fv+和I-，以取电阻R12两端的电压作为参考信号；反馈电路单元的输出端15和驱动电路输入端20连接；反相器的输入端16和17分别连接电阻R13的两端Fv-和I-，反相器的输出端18和驱动电路的输入端19连接，将电阻13二端的电压信号反相并输出；驱动电路的输出端21和22分别连接电子负载单元输入端28和29，电子负载单元一端口23和I+连接，电子负载单元另一端口24和Fv-连接。

如图1所示，按照GB/T17215的要求，电流发生器输出标准的正弦电流，其有效值为

；由于二极管D1的作用，流过被检表电流线路的电流为正半周导通而负半周截止的半波电流；由于二极管D2的作用，流过匹配负载的电流为负半周导通而正半周截止的半波电流；被检表两端的电压和匹配负载两端电压均作为反馈电路单元的输入信号，并且取电阻R12两端的电压作为参考信号也输入到反馈电路单元；反相器取电阻R13两端的电压进行反相输入到驱动电路，而反馈电路单元的输出也输入到驱动电路，驱动电路进而输出信号，通过改变电子负载单元的阻值，以实现在直流和偶次谐波试验中的负载自动匹配。

图2所示是本发明的反馈电路单元结构示意图，第一有效值转换器AD1将被检表电流线路二端的交流电压信号转换成直流电压信号，第二有效值转换器AD2将匹配负载支路两端的交流电压信号转换成直流电压信号；第一有效值转换器AD1和第二有效值转换器AD2的输出分别连接比较器A2的反相端和同相端，比较器A2的输出端经过电阻R21和二极管D3，连接到乘法器的一个输入端；从取样电阻R12上获取参考波形信号，以差分的形式传输到乘法器的输入端13和14；乘法器输出端经过电阻R22，连接到放大器A3的反相端，放大器A3的反相端接地；电阻R23和电容C4并联，且两端分别连接放大器A3的反向端和输出端，放大器A3的输出端与电阻R24连接，输出信号。

图3所示是本实施例的反相器结构示意图。

本实施例中的反相器，包括：电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C1、放大器A1组成；电阻R31连接到放大器A1的反相端，电阻R32连接到放大器A1的同相端；电阻R33和电容C1并联，且两端分别连接放大器A1的反相端和输出端，放大器A1的同相端经电阻R34接地。

图4所示是本实施例的驱动电路示意图。

本实施例的驱动电路中的第三放大器A4的同相端和第四放大器A5的同相端连接，第三放大器A4的反相端和第四放大器A5的反相端连接；电容C7的两端分别连接第三放大器A4的反相端和输出端；第三放大器A4输出端经电阻R41，连接到第一开关S1的输入端；电阻R42的两端分别连接电源VCC和第二开关S2的控制端；MOSFET管Q7的漏极和第一开关S1的控制端连接，MOSFET管Q7的源极接地；电容C8的两端分别连接第四放大器A5的反相端和输出端；第四放大器A5输出端经电阻R43，连接到第二开关S2的输入端；电阻R44的两端分别连接电源VCC和第二开关S2的控制端；MOSFET管Q8的漏极和第二开关S2的控制端连接，MOSFET管Q8的源极接地；通过控制MOSFET管Q7和MOSFET管Q8的导通与截止，进而控制第一开关S1和第二开关S2的断开与闭合，控制信号由时序提取电路产生。

当端口26控制信号为低电平时，MOSFET管Q7截止，第一开关S1控制端为高电平，第一开关S1闭合；同时，端口25控制信号为高电平，MOSFET管Q8导通，第二开关S2控制端为低电平，第二开关S2断开；为保证电子负载正常工作，驱动电路输出端口22此时为高电平。同样的，当端口25控制信号为低电平时，MOSFET管Q8截止，第二开关S2控制端为高电平，第二开关S2闭合；同时，端口26控制信号为高电平，MOSFET管Q7导通，第一开关S1控制端为低电平，第一开关S1断开；为保证电子负载正常工作，驱动电路输出端口21此时为高电平。

图5所示是本发明的电子负载单元结构示意图，当开关S1导通时，MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3均工作在可变电阻区，端口29和时序提取电路端口22连接，此时输出高电平，MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6均导通；同样的，当开关S2导通时，MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6均工作在可变电阻区，端口28和时序提取电路端口21连接，此时输出高电平，MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3均导通。

本实施例实现负载自动匹配的步骤如下：

步骤1：反馈电路单元取被检表两端电压和匹配负载支路两端电压。

步骤2：将步骤1取到的两个电压波形，分别由第一有效值转化器AD1和第二AD2有效值转化器进行有效值转换，然后根据比较器的输出信号，得到被检表和匹配负载阻值大小的关系。

步骤3：乘法器将电阻R12两端的电压波形与步骤2中比较器的输出电压相乘，经过反相后，作为反馈信号输入到驱动电路。

步骤4：电阻R13两端的反相信号作为驱动电路的另一个输入信号。

步骤5：在步骤3和步骤4驱动电路二个输入信号共同作用下，第三放大器A4和第四放大器A5输出两路信号，由时序提取电路控制，使驱动电路输出一路放大器的信号，另一路输出高电平。

步骤6：步骤5中高电平信号使MOSFET管完全导通，放大器信号调节MOSFET管的阻值，以完成阻抗匹配调节。

Claims (3)

1.一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置，其特征在于，所述装置包括电子负载单元、驱动电路、反相器、反馈电路单元、电阻R11、电阻R12和电阻R13；

所述电子负载单元和电阻R13串联，构成一条支路，电阻R11和电阻R12串联，构成另一条支路，二条支路并联为匹配负载支路，匹配负载支路的两个端点分别为I+和I-；反馈电路单元的第一输入端（11）和第二输入端（27）分别连接被检表的两端IM-和I+；反馈电路单元的第三输入端（12）和第二输入端（27）分别连接二极管D2的阴极和I+；反馈电路单元的第四输入端（13）和第五输入端（14）分别接电阻R12的两端Fv+和I-，以取电阻R12两端的电压作为参考信号；反馈电路单元的输出端（15）和驱动电路第一输入端（20）连接；反相器的第一输入端（16）和第二输入端（17）分别连接电阻R13的两端Fv-和I-，反相器的输出端（18）和驱动电路的第二输入端（19）连接，将电阻R13二端的电压信号反相并输出；驱动电路的第一输出端（21）和第二输出端（22）分别连接电子负载单元第一输入端（28）和第二输入端（29），电子负载单元的第三端口（23）连接I+，电子负载单元的第四端口（24）和Fv-连接；

所述电子负载单元，包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6、电阻R601、电阻 R602、电阻 R603、电阻 R604、电阻 R605、电阻 R606、电阻R607、电阻 R608、电阻 R609、电阻 R610、电阻 R611、电阻R612、电容C5、电容C6、第一稳压二极管（ZD1）和第二稳压二极管（ZD2）；

电阻R601、电阻R602、电阻R603、电容C5和第一稳压二极管（ZD1）并联；MOSFET管Q1、MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并联，电阻R604两端分别连接第一稳压二极管（ZD1）的阴极和MOSFET管Q1的栅极；电阻R605两端分别连接第一稳压二极管（ZD1）的阴极和MOSFET管Q2的栅极；电阻R606两端分别连接第一稳压二极管（ZD1）的阴极和MOSFET管Q3的栅极；第一稳压二极管（ZD1）的阳极与MOSFET管Q1的源极连接；电阻R610、电阻R611、电阻R612、电容C6和第二稳压二极管（ZD2）并联；MOSFET管Q4、MOSFET管Q5和MOSFET管Q6并联，电阻R607的二端分别连接第二稳压二极管（ZD2）的阴极和MOSFET管Q4的栅极；电阻R608的二端分别连接第二稳压二极管（ZD2）的阴极和MOSFET管Q5的栅极；电阻R609二端分别连接第二稳压二极管（ZD2）的阴极和MOSFET管Q6的栅极；第二稳压二极管（ZD2）的阳极与MOSFET管Q4的源极连接；MOSFET管Q1的漏极和MOSFET管Q4的漏极连接；MOSFET管Q2的漏极和MOSFET管Q5的漏极连接；MOSFET管Q3的漏极和MOSFET管Q6的漏极连接；

反馈电路通过比较匹配负载支路上二端的电压与被检表二端的电压以判断二者的阻抗是否匹配，并将匹配信息转换成反馈信号输出给驱动电路；驱动电路根据反相器和反馈电路单元的输出信号大小，调节其输出的电压值；电子负载单元根据驱动电路的输出电压值调节内部MOSFET管的导通阻抗，以改变自身阻抗，从而实现负载的自动匹配；

所述反馈电路单元，包括第一有效值转换器（AD1）、第二有效值转换器（AD2）、比较器（A2）、电容C2、电容C3、电阻R21、二极管D3、乘法器、电阻R22、电阻R23、电容C4、第二放大器（A3）和电阻R24；

所述第一有效值转换器（AD1）将被检表电流线路二端的交流电压信号转换成直流电压信号，第二有效值转换器（AD2）将匹配负载支路两端的交流电压信号转换成直流电压信号；电容C2和电容C3并联，且两端分别连接比较器（A2）的反相端和输出端；第一有效值转换器（AD1）和第二有效值转换器（AD2）的输出分别连接比较器（A2）的反相端和同相端，比较器（A2）的输出端经过电阻R21和二极管D3，连接到乘法器的一个输入端；从电阻R12上获取参考波形信号，以差分的形式传输到乘法器的第二输入端（13）和第三输入端（14）；乘法器输出端经过电阻R22，连接到第二放大器（A3）的反相端，第二放大器（A3）的正相端接地；电阻R23和电容C4并联，且两端分别连接第二放大器（A3）的反向端和输出端；第二放大器（A3）的输出端与电阻R24连接；

所述驱动电路，包括第三放大器（A4）、电容C7、电阻R41、电阻R42、第一开关（S1）、MOSFET管Q7、第四放大器（A5）、电容C8、电阻R43、电阻R44、第二开关（S2）和MOSFET管Q8；

所述第三放大器（A4）的同相端和第四放大器（A5）的同相端连接，第三放大器（A4）的反相端和第四放大器（A5）的反相端连接；电容C7的两端分别连接第三放大器（A4）的反相端和输出端；第三放大器（A4）输出端经电阻R41，连接到第一开关（S1）的输入端；电阻R42的两端分别连接电源（VCC）和第一开关（S1）的控制端；MOSFET管Q7的漏极和第一开关（S1）的控制端连接，MOSFET管Q7的源极接地；电容C8的两端分别连接第四放大器（A5）的反相端和输出端；第四放大器（A5）输出端经电阻R43，连接到第二开关（S2）的输入端；电阻R44的两端分别连接电源（VCC）和第二开关（S2）的控制端；MOSFET管Q8的漏极和第二开关（S2）的控制端连接，MOSFET管Q8的源极接地；通过控制MOSFET管Q7和MOSFET管Q8的导通与截止，进而控制第一开关（S1）和第二开关（S2）的断开与闭合，控制信号由时序提取电路产生。

2.根据权利要求1所述的用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置，其特征在于，所述反相器，包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C1、第一放大器（A1）；所述电阻R31连接到第一放大器（A1）的反相端，电阻R32连接到第一放大器（A1）的同相端；电阻R33和电容C1并联，且两端分别连接第一放大器（A1）的反相端和输出端，第一放大器（A1）的同相端经电阻R34接地。

3.根据权利要求1所述的用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置，其特征在于，所述装置实现负载自动匹配的步骤如下：

（1）反馈电路单元取被检表两端电压和匹配负载支路两端电压；

（2）将步骤（1）取到的两个电压波形，分别由第一有效值转化器和第二有效值转化器进行有效值转换，然后根据比较器（A2）的输出信号，得到被检表和匹配负载阻值大小的关系；

（3）乘法器将电阻R12两端的电压波形与步骤（2）中比较器（A2）的输出电压相乘，经过反相后，作为反馈信号输入到驱动电路；

（4）电阻R13两端的反相信号作为驱动电路的另一个输入信号；

（5）在步骤（3）和步骤（4）驱动电路二个输入信号共同作用下，第三放大器（A4）和第四放大器（A5）输出两路信号，由时序提取电路控制，使驱动电路输出一路放大器的信号，另一路输出高电平；

（6）上一步骤中高电平信号使MOSFET管完全导通，放大器信号调节MOSFET管的阻值，以完成阻抗匹配调节。

Images