CN108037351A - 一种变频电源功率因素测量方法 - Google Patents

Abstract

发明提出了一种变频电源功率因素测量方法，在角频率跟踪进入稳态后，根据角频率收敛值及状态变量计算实时基波信号相位，从而得到电压、电流相位差及功率因素。与现有技术相比，本发明具有可动态跟踪变频电源基波频率，功率因素测量结果不受谐波影响，不需采用复杂的锁相环电路，对信号平稳性要求不高，并可同时测量瞬时频率、幅值、视在功率等优点。

Description

一种变频电源功率因素测量方法

技术领域

本发明涉及电参数测量领域，尤其涉及一种变频电源功率因素测量方法。

背景技术

变频电源电参数包括电压、电流有效值，功率因素，有功功率，无功功率，峰值电压，峰值电流等，其中，功率因素是变频电源参数测量的关键点和难点。传统的交流电工测量仪器适用于测量正弦波和工频信号，并不能准确测量含有谐波的变频电源。目前，功率因数测量的主要方法有：①过零点法。过零点法是测量电流、电压相位差最直接的方法，但测量结果受谐波和非周期分量影响严重；②DFT法。由于 DFT 法可在频域分离基波和谐波信号，使得 DFT 法在功率因数测量领域得到了广泛运用，但DFT法不能测量瞬时功率，并需采用硬件锁相环保证整周期截取、整数倍采样，否则泄漏效应和栅栏效应使得测量值存在明显偏差；③希尔伯特变换法。采用希尔伯特变换法需预先知道基波频率，做窄带滤波处理；④小波变换法。建立在短时 DFT 算法基础上的小波变换法可测量得到瞬时功率因素，但对小波窗内信号的平稳性要求较高。

发明内容

为解决以上问题，本发明旨在提出一种新的基于迭代、计算量小的功率因素测量方法，解决以上方法测量结果受谐波影响、需采用复杂的锁相环电路、不能测量瞬时功率、需预知基波频率等问题。此外，应用本发明所提出的技术，可同时得到基波信号的瞬时频率、幅值及瞬时功率。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现。

A预处理。预设状态变量及增益系数、的初值。其中，为输入信号经低通滤波器的输出，为输入信号经带通滤波器的输出，为输入信号经带阻滤波器输出，代表预估变频电源基波信号角频率，、与滤波器阻尼、增益有关，当滤波器固有频率与输入信号角频率相等时，有：

。

B 迭代计算得到基波角频率。具体方法为根据ADC采样的电压、电流数据迭代计算，跟踪得到电压、电流基波信号角频率。计算算法为：

①计算状态方程

②计算自适应律

③迭代执行①、②。

频率跟踪进入稳态后，为基波角频率估计值，为超前 90°的信号。

C 瞬时频率、幅值及瞬时功率计算。具体方法为根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的瞬时频率、幅值及瞬时视在功率，具体算法为：

瞬时频率：

瞬时幅值：

令电压的瞬时幅值为，电流瞬时幅值为，则可求得瞬时视在功率：

。

D 功率因素计算。具体方法为根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的电压、电流的瞬时相位及相位差，并由相位差得到功率因素。算法如下：

电压、电流的瞬时相位：

令所求得的电压相位为、电流相位为：

则功率因素为：

。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明提出了一种有别现有技术的变频电源功率因素计算方法。在频率跟踪进入稳态后，根据角频率收敛值及状态变量的稳态值计算基波信号相位，从而得到电压、电流相位差及功率因素。与现有技术相比，本发明的主要优点有：①可动态跟踪变频电源基波频率；②测量结果不受谐波影响；③不需采用复杂的锁相环电路；④可同时测量瞬时频率、幅值、功率；⑤对信号平稳性要求不高。

附图说明

图1为测试电压、电流波形图。

图2为基波电流频率跟踪曲线图。

图3为迭代计算处理后的电压、电流波形图。

图4为瞬时视在功率数据曲线图。

图5为功率因素数据曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域一般技术人员可以提出本发明的多种相关设计。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

一种变频电源功率因素测量方法，所述算法包括：

A预处理。预设状态变量及增益系数、的初值。其中，为输入信号经低通滤波器的输出，为输入信号经带通滤波器的输出，为输入信号经带阻滤波器的输出，代表预估变频电源基波信号角频率，、与滤波器阻尼、增益有关，当滤波器固有频率与输入信号角频率相等时，有：

。

B 迭代计算得到基波角频率。具体方法为根据ADC采样的电压、电流数据迭代计算，跟踪得到电压、电流基波信号角频率。计算算法为：

①计算状态方程

②计算自适应律

③迭代执行①、②

频率跟踪进入稳态后，为基波角频率估计值，为超前 90°的信号。

C 瞬时频率、幅值及瞬时功率计算。具体方法为根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的瞬时频率、幅值及瞬时视在功率，具体算法为：

瞬时频率：

瞬时幅值：

令电压的瞬时幅值为，电流瞬时幅值为，则可求得瞬时视在功率：

。

D 功率因素计算。具体方法为根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的电压、电流的瞬时相位及相位差，并由相位差得到功率因素。算法如下：

电压、电流的瞬时相位：

令所求得的电压相位为、电流相位为：

则功率因素为：

。

例：电机单相测试是获取电机参数的重要手段，其原理为通过变频器向电机施加电压，控制电机相电流，使得相电流符合测试规范，再通过测量非工频线电压、相电流的相位差求得功率因素，进而求得电机的转子电感和定转子漏感。实验采用TMSLF2808作为处理器，以s为周期采样电压、电流信号，运行算法。预处理设置角频率初值rad/s（100Hz），，，自适应增益。发明算法状态方程及自适应律的离散化式子如下表示。

图1为单相测试电压、电流波形图，单相测试激励信号频率为20Hz。受零电流钳位效应的影响，变频器输出的电压并不是标准的正弦波，并存在谐波分量。图2为基波电流频率跟踪曲线，虽然初始角频率的设置值远离单相测试信号的角频率，但算法仍可准确跟踪到测试信号的角频率。图3为迭代计算处理后的电压、电流波形，经过本发明提出的算法处理后，电压波形消除了谐波和零电流钳位效应的影响。图4为通过计算电压、电流的幅值计算得到的瞬时视在功率数据曲线，单相测试变频器输出视在功率在150W上下波动。图5为根据电压、电流相位差计算得到的功率因素数据曲线，实际的功率因素数值在0.94附近波动。利用本发明提出的功率因素测量方法可准确计算得到转子电感及定转子漏感。

Claims (5)

1.一种变频电源功率因素测量方法，其特征在于，具体步骤包括：

A预处理：预设状态变量及增益系数、的初值；

B 迭代计算：根据ADC采样的电压、电流数据迭代计算，跟踪得到电压、电流基波信号角频率；

C 瞬时频率、幅值及瞬时功率计算：根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的瞬时频率、幅值及瞬时功率；

D 功率因素计算：根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的电压、电流的瞬时相位及相位差，并由相位差得到功率因素。

2.根据权利要求1所述的一种变频电源功率因素测量方法，其特征在于，在步骤A中，为输入信号经低通滤波器的输出，为输入信号经带通滤波器的输出，为输入信号经带阻滤波器输出，代表预估变频电源基波信号角频率，代表预估变频电源基波信号角频率，、与滤波器阻尼、增益有关，当滤波器固有频率与输入信号角频率相等时，有：

。

3.根据权利要求1所述的所述的一种变频电源功率因素测量方法，其特征在于，在步骤B中，计算算法为：

①计算状态方程

②计算自适应律

③迭代执行①、②

频率跟踪进入稳态后，为基波角频率估计值，为超前 90°的信号。

4.根据权利要求3所述的所述的一种变频电源功率因素测量方法，其特征在于，在步骤C中，根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的瞬时频率、幅值及瞬时视在功率，具体算法为：

瞬时频率：

瞬时幅值：

令电压的瞬时幅值为，电流瞬时幅值为，则可求得瞬时视在功率：

。

5.根据权利要求3所述的所述的一种变频电源功率因素测量方法，其特征在于，在步骤D中，根据电压、电流角频率收敛值及频率收敛进入稳态时的状态变量、计算基波信号的电压、电流的瞬时相位及相位差，并由相位差得到功率因素；算法如下：

电压、电流的瞬时相位：

令所求得的电压相位为、电流相位为：

则功率因素为：

。