CN108896819B

CN108896819B - 一种功率因素测量电路

Info

Publication number: CN108896819B
Application number: CN201810918897.4A
Authority: CN
Inventors: 高云广; 赵志诚; 曹刚; 张文杰; 贺玫璐; 王鑫
Original assignee: Shanxi Zidong Dibo Technology Co Ltd; Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Shanxi Zidong Dibo Technology Co Ltd; Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2038-08-14
Also published as: CN108896819A

Abstract

本发明属于电路测量技术领域，公开了一种功率因素测量电路，包括过零比较电路，相位差测量电路，平均值滤波电路，电压变换电路，CPU及A/D转换终端采集电路，相位差测量电路包括多路选择开关，检测回路交流电流Iin和检测回路交流电压Uin分别经过零比较电路后，分别输出第一方波信号和第二方波信号，第一方波信号输入多路选择开关的C端，第二方波信号输入多路选择开关的con端，多路选择开关的H端接地，多路选择开关的输出端与平均值滤波电路的输入端连接，平均值滤波电路的输出端与电压变换电路的输入端连接，平均值滤波电路的输出端与CPU及A/D转换终端采集电路连接。本发明适用于电力系统的功率因素测量，对输入信号的要求不高，适用范围大大增加。

Description

一种功率因素测量电路

技术领域

本发明涉及电路测量技术领域，具体涉及一种可由系统的交流电流和交流电压直接获得系统功率因素的电路。

背景技术

目前的功率因素测量可以通过测量电压和电流相位差结合CPU计算得到，也可由专用功率芯片结合CPU测得。中国专利公开号CN1033111A，公开日1989年5月24日，专利名称为多路功率因素、周波测量联机系统，公开了一种功率因素测量方法，将被测电压和电流信号经互感器调整输出，分别进入各自的过零比较，两比较器输出脉冲前沿的时间差就代表相位差，通过定时器测量再经CPU计算得到功率因素。其缺点是电流和电压信号必须都是正弦波时，这种测量方法才有效，当为非正弦信号或存在干扰情况下会造成频率不准或者频繁过零现象，使测量结果带来很大的误差。

另一种方法是利用专用功率芯片结合CPU计算功率因素，先分别求出有功功率和视在功率，二者的比值即是功率因素，其缺点是由于都是通过脉冲计数来推算，计算量比较大，所以对CPU和编程要求较高，适用范围有限。

发明内容

为适应电力测量领域的实际需求，本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种功率因素测量电路，可由系统的交流电流和交流电压直接获得与系统功率因素角成比例的直流电压，经由A/D转换及CPU测量并计算功率因素。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种功率因素测量电路，包括过零比较电路，相位差测量电路，平均值滤波电路，电压变换电路，CPU及A/D转换终端采集电路，所述相位差测量电路包括多路选择开关，检测回路交流电流Iin和检测回路交流电压Uin分别经所述过零比较电路后，分别输出第一方波信号和第二方波信号，所述第一方波信号输入所述多路选择开关的C端，所述第二方波信号输入所述多路选择开关的con端，所述多路选择开关的H端接地，所述多路选择开关的输出端与所述平均值滤波电路的输入端连接，所述平均值滤波电路的输出端与所述电压变换电路的输入端连接，所述平均值滤波电路的输出端与所述CPU及A/D转换终端采集电路连接。

所述过零比较电路包括第一精密电压互感器、第二精密电流互感器，第一运放器，第一比较器、第二比较器，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第一电容；第一精密电压互感器的一次侧连接检测回路交流电压Uin，二次侧一端连接第一运放器的负输入端，二次侧另一端连接第一运放器的正输入端并与地相连；第一二极管阳极与第一运放器的负输入端相连，第二二极管的阳极与第一运放器的正输入端连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极相连；第一电阻和第一电容并联后连接在第一运放器的输出端与负输入端之间形成负反馈；第一比较器的正输入端与第一运放器的输出端相连，第一比较器的负输入端接地，第一比较器的输出端连接第二电阻，第二电阻的另一端通过第三电阻与正电源连接，同时第二电阻的另一端与所述多路选择开关的C端连接；第二精密电流互感器的一次侧接检测回路交流电压Iin，二次侧一端连接第二比较器的负输入端，二次侧另一端连接第二比较器的正输入端并与地相连；第三二极管的阳极与第二比较器的负输入端相连，第四二极管的阳极与第二比较器的正输入端相连，第三二极管的阴极与第四二极管的阴极相连；第四电阻接于第二比较器的正输入端端与负输入端之间；第二比较器的输出端通过第五电阻与正电源连接，同时第二比较器的输出端与多路选择开关的con端连接。

所述平均值滤波电路包括第二运放器、第三运放器，第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻，第二电容、第三电容和第四电容，用于将方波电压信号进行两次低通滤波得到平均值；所述第六电阻的一端与多路选择开关的输出端连接，另一端与第二运放器的输入负端相连，第二运放器的输入正端接地，第七电阻与第二电容并联连接后连接在第二运放器的输入负端与输出端之间，所述第二运放器、第六电阻、第七电阻和第二电容用于构成一阶低通滤波电路；所述第八电阻的一端与第二运放器的输出端连接，另一端与经第三电容与第三运放器的输入负端连接，所述第八电阻的另一端还经第九电阻后与第三运放器的输入正端连接，所述第三运放器的输入正端经第四电容与地连接，所述第三运放器的输出端与输入负端连接，所述第二运放器、第八电阻、第九电阻、第三电容和第四电容用于构成二阶低通滤波电路。

所述电压变换电路包括第四运放器、第十电阻、第十一电阻和第十二电阻，所述第十电阻的一端与所述第三运放器的输出端连接，另一端与所述第四运放器的输入负端连接，所述第四运放器的输入正端经第十二电阻接地，所述第四运放器的输出端经第十一电阻与输入负端连接；所述第四运放器的输出端与所述CPU及A/D转换终端采集电路的输入端连接。

所述CPU及A/D转换终端采集电路包括A/D转换电路及CPU芯片，所述A/D转换电路用于将所述电压变换电路输出的模拟信号转化为数字信号后输出至CPU芯片，所述CPU芯片用于根据所述数字信号计算出相位差，并最终计算出功率因素。

所述的一种功率因素测量电路，还包括第一正电源，第一负电源，第二正电源和第二负电源；所述第一正电源和第一负电源为一对隔离电源，所述第二正电源和第二负电源为一对隔离电源；所述第一运放器、第二运放器、第三运放器和第四运放器的正电源端与所述第一正电源连接，负电源端与第一负电源连接；所述第一比较器和第二比较器的正电源端与所述第二正电源连接，负电源端与第二负电源连接。

由于采用上述技术方案，本发明具有采样精度高，输出可调的效果，其有益效果在于，通过多路选择开关构成的相位差测量电路克服测量非正弦信号时计算误差，平均值滤波电路可减少干扰所带来的随机误差，同时电压变换电路可以适当调节输入输出比例，输出可以满足不同采集芯片要求的特定直流电压，增强了系统的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种功率因素测量电路的结构框图；

图2为本发明实施例提出的一种功率因素测量电路的电路原理图；

图3为电路各部分输出波形图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种功率因素测量电路，包括过零比较电路1，相位差测量电路2，平均值滤波电路3，电压变换电路4，CPU及A/D转换终端采集电路5。其中，所述过零比较电路的输入端与检测回路交流电流Iin和检测回路交流电压Uin连接，输出端与所述相位差测量电路2的输入端连接，相位差测量电路2的输出端与所述平均值滤波电路3的输入端连接，平均值滤波电路3的输出端与所述电压变换电路4的输入端连接，电压变换电路4的输出端与所述CPU及A/D转换终端采集电路5的输入端连接。

具体地，如图2所示，所述过零比较电路包括第一精密电压互感器6、第二精密电流互感器19，第一运放器11，第一比较器16、第二比较器23，第一电阻9、第二电阻17、第三电阻18、第四电阻22、第五电阻24，第一二极管7、第二二极管8、第三二极管20、第四二极管21和第一电容10；所述相位差测量电路2包括多路选择开关25。

其中，第一精密电压互感器6的一次侧连接检测回路交流电压Uin，二次侧一端连接第一运放器11的负输入端，二次侧另一端连接第一运放器11的正输入端并与地相连；第一二极管7阳极与第一运放器11的负输入端相连，第二二极管8的阳极与第一运放器11的正输入端连接，第一二极管7的阴极与第二二极管8的阴极相连；第一电阻9和第一电容10并联后连接在第一运放器11的输出端与负输入端之间形成负反馈；第一比较器16的正输入端与第一运放器11的输出端相连，第一比较器16的负输入端接地，第一比较器16的输出端连接第二电阻17，第二电阻17的另一端通过第三电阻18与正电源14连接，同时第二电阻17的另一端与所述多路选择开关25的C端连接。

其中，第二精密电流互感器19的一次侧接检测回路交流电压Iin，二次侧一端连接第二比较器23的负输入端，二次侧另一端连接第二比较器23的正输入端并与地相连；第三二极管20的阳极与第二比较器23的负输入端相连，第四二极管21的阳极与第二比较器23的正输入端相连，第三二极管20的阴极与第四二极管21的阴极相连；第四电阻22接于第二比较器23的正输入端端与负输入端之间；第二比较器23的输出端通过第五电阻24与正电源14连接，同时第二比较器23的输出端与多路选择开关25的con端连接。第三电阻18和第五电阻24为上拉电阻，第二电阻17为限流电阻。

本实施例中，将交流电流Iin和交流电压Uin分别接入过零比较电路1，交流电流Iin比交流电压Uin相位滞后45度。交流电压Uin经第一精密电压互感器6以及由第一运放器11、第一电阻9和第一电容10构成的I/V变换电路，将电流信号转换成小电压信号40，实现信号的采样，并通过第一比较器16对信号进行过零比较，输出方波信号42接至多路选择开关25的C端。交流电流Iin经第二精密电压互感器19以及第四电阻22实现 I/V变换，由B点输出小电压信号41，并通过比较器23对信号进行过零比较，比较器23的输出端输出方波信号43，该方波信号输入至多路选择开关25的con端，所述多路选择开关25的H端接地。通过多路选择开关25的con端控制，对多路选择开关25的C端或H端波形选择输出，最终由D端输出脉宽与相位差成比例的方波电压信号44。通过这种方法克服了仅测量输出脉冲前沿的时间差来测量非正弦信号时计算误差。

进一步地，如图2所示，所述平均值滤波电路3包括第二运放器29、第三运放器34，第六电阻26、第七电阻27、第八电阻30、第九电阻32，第二电容28、第三电容31和第四电容33，用于将方波电压信号进行两次低通滤波得到平均值。

其中，所述第六电阻26的一端与多路选择开关25的输出端连接，另一端与第二运放器29的输入负端相连，第二运放器29的输入正端接地，第七电阻27与第二电容28并联连接后连接在第二运放器29的输入负端与输出端之间，所述第二运放器29、第六电阻26、第七电阻27和第二电容28用于构成一阶低通滤波电路。

其中，所述第八电阻30的一端与第二运放器29的输出端连接，另一端与经第三电容31与第三运放器34的输入负端连接，所述第八电阻30的另一端还经第九电阻32后与第三运放器34的输入正端连接，所述第三运放器的输入正端经第四电容33与地连接，所述第三运放器的输出端与输入负端连接，所述第二运放器34、第八电阻30、第九电阻32、第三电容31和第四电容33用于构成二阶低通滤波电路。

方波电压信号44经一阶低通滤波电路后，在E点输出锯齿形脉动直流信号45，二阶低通滤波信号再次对锯齿形脉动直流信号45进行滤波，将高频信号滤除，只剩下直流分量即得到平均值，在F点输出直流信号46。相位差测量电路2和平均值滤波电路3整体上采用了面积法来测量相位差，克服了测量非正弦信号及干扰所带来的误差。

进一步地，如图2所示，所述电压变换电路4包括第四运放器37、第十电阻35、第十一电阻36和第十二电阻38，所述第十电阻35的一端与所述第三运放器34的输出端连接，另一端与所述第四运放器37的输入负端连接，所述第四运放器37的输入正端经第十二电阻38接地，所述第四运放器的输出端经第十一电阻36与输入负端连接；所述第四运放器的输出端与所述CPU及A/D转换终端采集电路5的输入端连接。

其中，电压变换电路4接至平均值滤波电路3输出，第四运放器37，第十电阻35、第十一电阻36和第十二电阻38构成反相比例电路，通过改变第十一电阻36与第十电阻35比例关系来调节比例参数，输出满足不同采集芯片要求的特定直流电压47，通过G点输出。

进一步地，所述CPU及A/D转换终端采集电路5包括A/D转换电路及CPU芯片，所述A/D转换电路用于将所述电压变换电路4输出的模拟信号转化为数字信号后输出至CPU芯片，所述CPU芯片用于根据所述数字信号计算出相位差，并最终计算出功率因素。

进一步地，本发明是实施例的一种功率因素测量电路，还包括第一正电源12，第一负电源13，第二正电源14和第二负电源15；所述第一正电源12和第一负电源13为一对隔离电源，所述第二正电源12和第二负电源13为一对隔离电源；所述第一运放器11、第二运放器29、第三运放器34和第四运放器37的正电源端与所述第一正电源12连接，负电源端与第一负电源13连接；所述第一比较器16和第二比较器23的正电源端与所述第二正电源14连接，负电源端与第二负电源15连接。

本发明具有采样精度高，输出可调的效果，通过多路选择开关构成的相位差测量电路克服测量非正弦信号时计算误差，平均值滤波电路可减少干扰所带来的随机误差，同时电压变换电路可以适当调节输入输出比例，输出可以满足不同采集芯片要求的特定直流电压，增强了系统的适用性。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种功率因素测量电路，其特征在于，包括过零比较电路（1），相位差测量电路（2），平均值滤波电路（3），电压变换电路（4），CPU及A/D转换终端采集电路（5），所述相位差测量电路（2）包括多路选择开关（25），检测回路交流电流Iin和检测回路交流电压Uin分别经所述过零比较电路后，分别输出第一方波信号（42）和第二方波信号（43），所述第一方波信号（42）输入所述多路选择开关（25）的C端，所述第二方波信号（43）输入所述多路选择开关（25）的con端，所述多路选择开关（25）的H端接地，所述多路选择开关（25）的输出端与所述平均值滤波电路（3）的输入端连接，所述平均值滤波电路（3）的输出端与所述电压变换电路（4）的输入端连接，所述电压变换电路（4）的输出端与所述CPU及A/D转换终端采集电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种功率因素测量电路，其特征在于，所述过零比较电路包括第一精密电压互感器（6）、第二精密电流互感器（19），第一运放器（11），第一比较器（16）、第二比较器（23），第一电阻（9）、第二电阻（17）、第三电阻（18）、第四电阻（22）、第五电阻（24），第一二极管（7）、第二二极管（8）、第三二极管（20）、第四二极管（21）和第一电容（10）；

第一精密电压互感器（6）的一次侧连接检测回路交流电压Uin，二次侧一端连接第一运放器（11）的负输入端，二次侧另一端连接第一运放器（11）的正输入端并与地相连；第一二极管（7）阳极与第一运放器（11）的负输入端相连，第二二极管（8）的阳极与第一运放器（11）的正输入端连接，第一二极管（7）的阴极与第二二极管（8）的阴极相连；第一电阻（9）和第一电容（10）并联后连接在第一运放器（11）的输出端与负输入端之间形成负反馈；第一比较器（16）的正输入端与第一运放器（11）的输出端相连，第一比较器（16）的负输入端接地，第一比较器（16）的输出端连接第二电阻（17），第二电阻（17）的另一端通过第三电阻（18）与电源连接，同时第二电阻（17）的另一端与所述多路选择开关（25）的C端连接；

第二精密电流互感器（19）的一次侧接检测回路交流电压Iin，二次侧一端连接第二比较器（23）的负输入端，二次侧另一端连接第二比较器（23）的正输入端并与地相连；第三二极管（20）的阳极与第二比较器（23）的负输入端相连，第四二极管（21）的阳极与第二比较器（23）的正输入端相连，第三二极管（20）的阴极与第四二极管（21）的阴极相连；第四电阻（22）接于第二比较器（23）的正输入端端与负输入端之间；第二比较器（23）的输出端通过第五电阻（24）与正电源连接，同时第二比较器（23）的输出端与多路选择开关（25）的con端连接。

3.根据权利要求2所述的一种功率因素测量电路，其特征在于，所述平均值滤波电路（3）包括第二运放器（29）、第三运放器（34），第六电阻（26）、第七电阻（27）、第八电阻（30）、第九电阻（32），第二电容（28）、第三电容（31）和第四电容（33），用于将方波电压信号进行两次低通滤波得到平均值；

所述第六电阻（26）的一端与多路选择开关（25）的输出端连接，另一端与第二运放器（29）的输入负端相连，第二运放器（29）的输入正端接地，第七电阻（27）与第二电容（28）并联连接后连接在第二运放器（29）的输入负端与输出端之间，所述第二运放器（29）、第六电阻（26）、第七电阻（27）和第二电容（28）用于构成一阶低通滤波电路；

所述第八电阻（30）的一端与第二运放器（29）的输出端连接，另一端与经第三电容（31）与第三运放器（34）的输入负端连接，所述第八电阻（30）的另一端还经第九电阻（32）后与第三运放器（34）的输入正端连接，所述第三运放器的输入正端经第四电容（33）与地连接，所述第三运放器的输出端与输入负端连接，所述第二运放器（34）、第八电阻（30）、第九电阻（32）、第三电容（31）和第四电容（33）用于构成二阶低通滤波电路。

4.根据权利要求3所述的一种功率因素测量电路，其特征在于，所述电压变换电路（4）包括第四运放器（37）、第十电阻（35）、第十一电阻（36）和第十二电阻（38），所述第十电阻（35）的一端与所述第三运放器（34）的输出端连接，另一端与所述第四运放器（37）的输入负端连接，所述第四运放器（37）的输入正端经第十二电阻（38）接地，所述第四运放器的输出端经第十一电阻（36）与输入负端连接；所述第四运放器的输出端与所述CPU及A/D转换终端采集电路（5）的输入端连接。

5.根据权利要求3所述的一种功率因素测量电路，其特征在于，所述CPU及A/D转换终端采集电路（5）包括A/D转换电路及CPU芯片，所述A/D转换电路用于将所述电压变换电路（4）输出的模拟信号转化为数字信号后输出至CPU芯片，所述CPU芯片用于根据所述数字信号计算出相位差，并最终计算出功率因数。

6.根据权利要求3所述的一种功率因素测量电路，其特征在于，还包括第一正电源（12），第一负电源（13），第二正电源（14）和第二负电源（15）；所述第一正电源（12）和第一负电源（13）为一对隔离电源，所述第二正电源（14 ）和第二负电源（15 ）为一对隔离电源；所述第一运放器（11）、第二运放器（29）、第三运放器（34）和第四运放器（37）的正电源端与所述第一正电源（12）连接，负电源端与第一负电源（13）连接；所述第一比较器（16）和第二比较器（23）的正电源端与所述第二正电源（14）连接，负电源端与第二负电源（15）连接。