CN109782057B - 变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法，测量电路包括电压传感器、电流传感器、电压调幅电路以及电流调幅电路；电压调幅电路的输入端连接电压传感器，输出端连接变频驱动控制芯片；电流调幅电路的输入端连接电流传感器，输出端连接变频驱动控制芯片；并外接有功功率仪测量有功功率。测量方法包括：变频驱动控制芯片实时测量电源输入的电压、电流有效值，计算出视在功率；根据视在功率计算出有功功率P。本发明通过产品出厂前或维修电压、电流测量电路后进行视在功率与有功功率的标定处理，不需要专门的有功功率芯片或其他功率芯片测量单相电源输入的有功功率，测量方便，精确度高，降低成本。

Description

变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法。

背景技术

在变频家电产品中，云端或远程控制端经常需要知道变频家电运行的有功功率，这样需要变频家电向远程控制端或云端提供有功功率。由于变频家电工作中的有功功率不是一个恒定值，它随被控对象的工作频率而不同。同时，功率因数也随工作频率而不同。目前的变频家电中或者不能实时测量有功功率，或者普遍采用额外的有功功率检测芯片来检测有功功率或电量，外设测量电路的测量方式虽然简单易实现有功功率的测量，但需要增加专用芯片，成本高，产品竞争力差。

在变频家电中，因变频驱动的控制芯片普遍采用32位ARM芯片或32/64位MCU芯片，并且芯片ADC口较多，位数通常都是12位及以上。因此，有必要考虑针对变频家电驱动控制芯片硬件及软件处理能力富余的特点，以及外设功率监测芯片存在的缺陷，设计一种检测单相交流电源的输入有功功率的测量方法，实现变频家电有功功率的实时测量。

发明内容

本发明在上述不足的基础上提供了一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法，采用产品出厂前或维修电压、电流测量电路后进行视在功率与有功功率的标定处理，变频驱动控制芯片实时检测视在功率，并计算有功功率，不需要专门的有功功率芯片测量单相电源输入的有功功率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路，包括变频驱动控制芯片，其特征在于，还包括电压传感器、电流传感器、电压调幅电路以及电流调幅电路；

所述电压调幅电路的输入端连接电压传感器，输出端连接变频驱动控制芯片；电压传感器采集电源电压信号经电压调幅电路由双极性转换为单极性，输出单相电源电压信号至变频驱动控制芯片；

所述电流调幅电路的输入端连接电流传感器，输出端连接变频驱动控制芯片；电流传感器采集电源电流信号经电流调幅电路由双极性转换为单极性，输出单相电源电流信号至变频驱动控制芯片。

优选的，所述电压传感器与电压调幅电路之间进一步串联第一低通滤波电路；电流传感器与电流调幅电路之间进一步串联第二低通滤波电路。

优选的，所述电压调幅电路以及电流调幅电路采用放大倍数为1的一级放大电路。

优选的，测量电路还包括至少一个单相有功功率仪，所述单相有功功率仪采用二进二出式接线方式，第二、三接线端子连接火线，第一接线端子连接零线，第四接线端子接入电流传感器输入端。

优选的，所述变频驱动控制芯片与单相有功功率仪之间串联通信接口适配器。

优选的，所述变频驱动控制芯片设有外接存储器。

一种变频家电单相电源输入有功功率测量方法，采用所述的测量电路，包括以下步骤：

S1：变频驱动控制芯片实时测量电源输入的电压U、电流有效值I、功率因数

并计算出视在功率S；

S2：根据视在功率S计算出有功功率P。

优选的，根据视在功率计算有功功率的方法为：

S3：单相有功功率仪测量所需功率范围内的各点有功功率，建立所需功率范围内的视在功率与有功功率对应关系表；

S4：查询视在功率与有功功率对应关系表获得所需的有功功率P。

优选的，还包括变频驱动控制芯片启动测量输入的视在功率S时同步发送通信命令至有功功率仪测量有功功率P，变频驱动控制芯片实时进行功率因数

校正。

优选的，进一步包括以下步骤：

ss1:变频驱动控制芯片在各个功率段测量并获得每个段的各点视在功率与有功功率后，对该功率段的有功功率和视在功率进行线性化处理，构成线性计算公式，同时记录该功率段的功率范围；

ss2：判断线性计算公式与实际功率曲线在各段功率中的线性误差是否能满足测量精度的要求；若是，按照线性计算公式由视在功率S计算出有功功率P；若否，将各段功率曲线根据精度要求分成多个直线小段，使各个直线小段与功率曲线的最大线性误差都能满足测量精度的要求，对各个直线小段有功功率和视在功率进行线性化处理，获得各个直线小段相应的线性计算公式，按照线性化公式由视在功率S计算出相应的有功功率P。

优选的，假设任意一个满足精度要求的功率段或直线小段的左端点为(S_m，P_m)，右端点为(S_n，P_n)，则任意一点(S_i，P_i)满足线性计算公式：

其中，S_m、P_m表示点(S_m，P_m)对应的视在功率与有功功率，S_n、P_n表示点(S_n，P_n)对应的视在功率与有功功率，(S_i，P_i)为任意点的视在功率与有功功率，即测量电源输入电压、电流有效值(U，I)，计算获得视在功率S_i后，通过线性计算公式计算出此时的有功功率P_i。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法，采用产品出厂前或维修电压、电流测量电路后进行视在功率与有功功率的标定处理，使用变频家电的变频驱动控制芯片实时检测单相电源输入电压、电流的有效值，获得单相电源输入视在功率。并外加高精度级别的单相有功功率仪进行所需功率范围内各点功率有功功率测量，获得所需功率范围内的视在功率与有功功率表对应关系表。本发明不需要专门的有功功率芯片或其他功率芯片来测量变频家电单相电源输入的有功功率，测量方便，降低成本。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的有功功率测量电路结构框图；

图2为上述实施例中调幅电路的具体原理图；

图3为调幅电路(电压调幅电路与电流调幅电路)中输入信号Ui的波形；

图4为调幅电路(电压调幅电路与电流调幅电路)中输出信号Uo的波形；

图5为本发明的另一个实施例的有功功率测量电路结构框图；

图6为上述实施例的视在功率S与有功功率P的关系曲线；

图7为本发明的第三个实施例的有功功率测量电路结构框图；

图8a为不满足精度的下凹段功率曲线分段成满足精度的直线小段；

图8b为不满足精度的上凸段功率曲线分段成满足精度的直线小段；

图9为功率直线的线性公式推导图；

其中，1-实际功率曲线，2-满足精度要求的整段功率直线，3-不满足精度的分段直线，4、单相有功功率仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路及方法，可以应用于变频家电的有功功率的实时测量，以变频驱动控制的ARM芯片为例讨论，32/64位MCU原理同ARM芯片。

参考图1、图2所示，图1为本发明的一种变频家电单相电源输入有功功率测量电路，变频驱动控制芯片设有多个ADC口，还包括电压传感器、电流传感器、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、电压调幅电路以及电流调幅电路，电压传感器连接第一低通滤波电路，第一低通滤波电路与电压调幅电路串联，电压调幅电路接入变频驱动控制芯片的一个ADC口；电流传感器连接第二低通滤波电路，第二低通滤波电路连接电流调幅电路，电流调幅电路接入变频驱动控制芯片的一个ADC口。电压传感器采集变频家电电源电压信息，电压传感器的输出电压信号经低通滤波后，经电压调幅电路由双极性转换为单极性，输出单相电源电压信号至ADC口；电流传感器采集变频家电电源电流信息，电流传感器的输出电流信号经低通滤波后，经电流调幅电路由双极性转换为单极性，输出单相电源电流信号至ADC口。

具体的，本发明使用变频驱动控制的ARM芯片通过检测变频家电输入的单相电源电压U和电流I来获得变频家电的单相电源输入有功功率P。为了检测变频家电输入的单相电源电压和电流，在变频家电控制电路中增加电压传感器和电流传感器，变频家电输入的单相电源电压信号接入ARM的任意一个闲置的ADC口，如ADCn口；变频家电输入的单相电源电流信号接入ARM的任意一个闲置的ADC口，如ADCm口。为了避免变频驱动中的高次谐波和外部的高频信号对ARM采样的干扰，需要在变频家电控制电路中增加低通滤波器LPF对电源输入电压、电流传感器的输出信号进行低通滤波，即第一低通滤波电路与第二低通滤波电路。根据香农采样定律，低通滤波器的截止频率f₀小于等于ARM对电源输入电压、电流采样频率f_s的一半。

在变频驱动控制中，由于变频驱动控制电路中ARM的ADC参考电压Vref为单极性的正电压，而电压、电流传感器和低通滤波器输出的信号为双极性信号，因此需要进行双极性/单极性转换。本实施例中系统在LPF与ARM芯片之间串联调幅电路，即电压调幅电路与电流调幅电路。本实施例中具体的电压调幅电路与电流调幅电路采用放大倍数为1的一级放大电路，即电压跟随器，将信号幅值上移1/2V_ref，电路结构参考图2所示，输入电压Ui与输出电压Uo波形参考图3、图4所示；对图2电路进行等效电路分析可知，输入电压Ui与输出电压Uo关系如下：

k1＝R4/R3＝1，即k1表示电路放大倍数，

由于

则

在实际电路中，一般有(R3+R4)/(R1+R2)＝1，则上式联立可知，

R3＝2*R2

R4＝2*k1*R2

R1＝(1+2*k1)*R2 (4)

由此，可确定该电路各个电阻参数(R1、R2、R3、R4)以及输出电压Uo。

本实施例中，第一低通滤波器的输出电压即电压调幅电路的输入电压Ui，ARM的ADC输入电压信号即电压调幅电路的输出电压Uo，输入电压Ui与输出电压Uo波形参考图3、图4所示；当Uo大于等于Vref/2时，用Uo减去Vref/2就获得了交流信号正半周的电压瞬时值；当Uo小于Vref/2时，用Vref/2减去采样值就获得了交流信号负半周的电流瞬时值。电流同理所示；根据电压采样瞬时值计算电压有效值公式：

以及电流采样瞬时值计算公式：

通过瞬时值求出交流信号的有效值(U,I)，即ARM就获得了变频家电电源输入交流电的电压有效值U以及电流有效值I，即视在功率S＝U*I可确定。由此变频家电单相电源输入有功功率

可确定，其中

表示功率因数，

表示电压与电流的相位差。

由于变频家电的电源输入端的电流包含较多的谐波，要想精确获得电流与电压的相角差

和功率因数

就需要进行多级的傅里叶级数展开计算，这样就会产生大量的计算，从而导致ARM的数据处理需要耗费的时间相对于变频驱动控制计算时间较长，变频驱动控制计算的实时性或有功功率计算的实时性出现问题。因此，上述有功功率测量电路不能实现有功功率瞬时值的精确测量，为了进一步实现有功功率瞬时值的准确测量，针对图1中测量电路进行进一步改进，在图1中测量电路的基础上，外加至少一个高精度等级的单相有功功率仪4实现所需功率范围内的各点功率的同时测量，参考图5所示，单相有功功率仪采用二进二出式接线方式，2、3接线口连接火线，1接线口连接零线，4接线口接入电流传感器输入端；有功功率仪测量所需范围内的有功功率，可以获得一个所需功率范围内的视在功率与有功功率对应关系表。

本发明采用产品出厂前或维修电压、电流测量电路后进行视在功率与有功功率的标定处理。即相应的有功功率测量方法为：变频驱动控制的ARM通过实时测量电源输入的电压U、电流有效值I并计算出视在功率S后，通过查询视在功率与有功功率对应关系表获得所需的有功功率P。本实施例中视在功率与有功功率对应关系表可以存储在ARM的FlashROM或EEPROM存储器中，退出标定后的实际使用时，ARM测量出电源输入的视在功率，通过查阅存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中的视在功率与有功功率对应关系表，就准确地获得了电源输入的有功功率。

由于变频家电在不同功率工作时，ARM对变频功率的功率因数校正的不同，导致了各个功率段点的功率因数

不同，参考图6所示的S/P关系曲线，即各个功率段点的斜率不同，各个功率段点间存在跳跃断点，因此，上述实施例中的有功功率的测量不够精确。对此，针对图5中的测量电路进行进一步改进，增加ARM与有功功率仪的通信功能，即，外部增加ARM与有功功率仪的串行通信接口适配器，连接ARM芯片的串行通信接口RDX、TXD信号端与有功功率仪的串行通信接口，参考图7所示。即相应的有功功率测量方法为：ARM启动测量输入的视在功率P并同步发送通信命令至有功功率仪测量有功功率P，ARM改变功率因数

实时校正；根据测量的各点的视在功率S与对应的有功功率P，建立视在功率与有功功率对应关系表；查表获得所需的有功功率P。本实施例中可以实现视在功率与有功功率的同步测量，测量精确，能够精确测量出各功率段跳跃断点的左右极限值，即在跳跃断点的左极限时，ARM能够启动测量电源输入的视在功率并发出通信命令给有功功率仪同步测量有功功率；ARM改变功率因数校正，变成右极限时，ARM实时启动测量电源输入的视在功率并发出通信命令给有功功率仪同时测量有功功率。反之从右极限到左极限亦然。

由于存储“视在功率与有功功率对应关系表”表的方法需要存储较多的数据量，在功率范围较宽时，就需要选用较大FlashROM或EEPROM容量的ARM，导致芯片成本上升。本实施例中ARM增加插拔外接存储器，标定时，将视在功率与有功功率对应关系表存储在外接存储器中，减少ARM的Flash或EEPROM容量。当标定完成后，去除该可插拔外接存储器，参考图7所示。

同时，对于上述的有功功率测量方法进行进一步优化，具体为：

ss1:ARM在各个功率段测量并获得每个段的各点视在功率与有功功率后，对该功率段的有功功率和视在功率进行线性化处理，构成线性计算公式，ARM同时记录该段的功率范围并计算公式的各项系数。

ss2：判断线性计算公式与实际功率曲线在各段功率中的线性误差是否能满足测量精度的要求；若是，按照线性计算公式由视在功率S计算出有功功率P；若否，将各段功率曲线根据精度要求分成多个直线小段，使各个直线小段与功率曲线的最大线性误差都能满足测量精度的要求，对各个直线小段有功功率和视在功率进行线性化处理，获得相应的线性计算公式，按照线性化公式由视在功率S计算出相应的有功功率P，同时记录该功率小段的功率范围和计算公式的各项系数。

具体的参考图6、图8a、图8b、图9所示，当各段功率曲线的线性误差不能满足测量精度的要求时，如图8a、8b所示，图8a显示不满足精度的下凹段功率曲线分段成满足精度的直线小段；图8b显示不满足精度的上凸段功率曲线分段成满足精度的直线小段；将实际功率曲线进行线性化处理，根据精度要求分成多个直线小段，使各个直线小段与功率曲线的最大线性误差都能满足测量精度的要求。设任意一个满足精度要求的功率段直线或直线小段的左端点为(S_m，P_m)，右端点为(S_n，P_n)，如图9所示，则任意一点(S_i，P_i)满足以下线性计算公式：

即

其中，S_m、P_m表示点(S_m，P_m)对应的视在功率与有功功率，S_n、P_n表示点(S_n，P_n)对应的视在功率与有功功率，(S_i，P_i)为任意点的视在功率与有功功率，即测量电源输入电压、电流有效值(U，I)，计算获得视在功率S_i后，通过线性计算公式计算出此时的有功功率P_i。则ARM每次测量电源输入电压、电流有效值，获得视在功率S_i后，将视在功率Si带入该段的线性计算公式(6)计算出此时的有功功率P_i。

由此，ARM测量各个功率段或功率直线小段的各点视在功率和有功功率后，依据2个端点(S_m，P_m)和(S_n，P_n)数值，获得各个功率段或功率直线小段的公式(6)。这样，根据ARM实时测量的视在功率S_i，以及这个视在功率所在的直线段，按照所在直线段的线性计算公式(6)计算出此时对应的有功功率P_i，而不需要在ARM的FlashROM或EEPROM中大量存储各点的视在功率和有功功率数值，避免标定测量的视在功率和有功功率数据量大导致在ARM中无法存储的问题。所以在数据量较大的标定时，将视在功率与有功功率对应关系表存储在可插拔的外接存储器中。标定结束后，因这些数据已没有用处了，将可插拔的外接存储器去除。

综上所述，变频家电出厂前或维修电压、电流测量电路后，可以采用以下方式进行处理：

1)按照图5或图7加入有功功率仪。

2)接通电源，让变频家电进入有功功率标定状态。

3)启动变频家电，让变频家电从0功率逐渐运行到变频家电所能运行的最大功率。

4)在变频家电从0功率逐渐运行到变频家电所能运行的最大功率的过程中，变频驱动控制芯片ARM获取各点的视在功率，有功功率仪获取各点的有功功率。

5)变频驱动控制芯片ARM获得有功功率仪测量的各点有功功率，并形成一个视在功率与有功功率对应关系表，存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中。

或者为：

6)建立视在功率与有功功率对应关系表后，不将该表存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中，而是存储在外接存储器中，如图7所示的可插拔外接存储器。ARM使用视在功率与有功功率对应关系表中该段的视在功率，将各个功率段的二个端点值代入线性计算公式(6)计算出该段的有功功率，与视在功率与有功功率对应关系表中的有功功率比较误差。

A)如果误差小于等于所需的误差要求，则该段的有功功率使用该段的线性计算公式(6)计算，并将该段线性计算公式(6)的各项系数和该段对应的视在功率范围存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中。

B)如果误差不满足要求，从误差满足要求处计算到不满足误差要求的这点，将这点的视在功率与有功功率对应关系表中二个值作为一个端点，与前面的端点构成一个直线小段，并计算这个直线小段线性计算公式(6)的各项系数，并将该直线小段线性计算公式(6)的各项系数和该直线小段对应的视在功率范围存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中。

C)将步骤B中这个端点与未计算的端点构成另一条直线小段，计算该直线小段的线性计算公式(6)。如果该直线小段满足误差要求，则将这该直线小段线性计算公式(6)的各项系数和该直线小段对应的视在功率范围存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中。否则，需要将这另一直线小段按照上面的方法，再次分段处理，直到直线小段的误差满足要求。

8)各个功率段标定处理完成后，标定到此完成。ARM退出有功功率标定状态，并给出指示或提示。

9)断电，去除标定使用的有功功率仪，去除可插拔的外接存储器与通信接口适配器，恢复到图1所示正常使用电路。

由此，ARM可以实际的通过单相电源输入的电压和电流有效值获得视在功率值，从而测量出单相电源输入的有功功率值。即，ARM测量出电源输入的电压和电流有效值，并计算出视在功率值S后，根据该视在功率查阅存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中的视在功率与有功功率对应关系表，由此获得对应点的有功功率P。或者根据视在功率查阅存储在ARM的FlashROM中或EEPROM中的视在功率范围，获得所需直线段的线性计算公式的各项系数，再根据获得的线性计算公式的各项系数和计算出对应点的有功功率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，变频家电单相电源输入有功功率测量电路包括变频驱动控制芯片以及至少一个单相有功功率仪；包括以下步骤：

变频驱动控制芯片实时测量电源输入的电压U、电流有效值I，并计算出视在功率S；

根据视在功率S计算出有功功率P：单相有功功率仪测量所需功率范围内的各点有功功率，建立所需功率范围内的视在功率与有功功率对应关系表，查询视在功率与有功功率对应关系表获得所需的有功功率P；

变频驱动控制芯片在各个功率段测量并获得每个段的各点视在功率与有功功率后，对该功率段的有功功率和视在功率进行线性化处理，构成线性计算公式，同时记录该功率段的功率范围；

判断线性计算公式与实际功率曲线在各段功率中的线性误差是否能满足测量精度的要求；若是，按照线性计算公式由视在功率S计算出有功功率P；若否，将各段功率曲线根据精度要求分成多个直线小段，使各个直线小段与功率曲线的最大线性误差都能满足测量精度的要求，对各个直线小段有功功率和视在功率进行线性化处理，获得各个直线小段相应的线性计算公式，按照线性化公式由视在功率S计算出相应的有功功率P。

2.根据权利要求1所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，还包括，变频驱动控制芯片启动测量输入的视在功率S时同步发送通信命令至有功功率仪测量有功功率P，变频驱动控制芯片实时校正功率因数

3.根据权利要求2所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，假设任意一个满足精度要求的功率段或直线小段的左端点为(S_m，P_m)，右端点为(S_n，P_n)，则任意一点(S_i，P_i)满足线性计算公式：

其中，S_m、P_m表示点(S_m，P_m)对应的视在功率与有功功率，S_n、P_n表示点(S_n，P_n)对应的视在功率与有功功率，(S_i，P_i)为任意点的视在功率与有功功率，即测量电源输入电压、电流有效值(U，I)，计算获得视在功率S_i后，通过线性计算公式计算出此时的有功功率P_i。

4.根据权利要求1所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，变频家电单相电源输入有功功率测量电路还包括电压传感器、电流传感器、电压调幅电路以及电流调幅电路；

所述电压调幅电路的输入端连接电压传感器，输出端连接变频驱动控制芯片；电压传感器采集电源电压信号经电压调幅电路由双极性转换为单极性，输出单相电源电压信号至变频驱动控制芯片；

所述电流调幅电路的输入端连接电流传感器，输出端连接变频驱动控制芯片；电流传感器采集电源电流信号经电流调幅电路由双极性转换为单极性，输出单相电源电流信号至变频驱动控制芯片。

5.根据权利要求4所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，所述电压传感器与电压调幅电路之间进一步串联第一低通滤波电路；电流传感器与电流调幅电路之间进一步串联第二低通滤波电路。

6.根据权利要求5所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，所述电压调幅电路以及电流调幅电路采用放大倍数为1的一级放大电路。

7.根据权利要求4所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，所述单相有功功率仪采用二进二出式接线方式，第二、三接线端子连接火线，第一接线端子连接零线，第四接线端子接入电流传感器输入端。

8.根据权利要求1所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，所述变频驱动控制芯片与单相有功功率仪之间串联通信接口适配器。

9.根据权利要求1所述的变频家电单相电源输入有功功率测量方法，其特征在于，所述变频驱动控制芯片设有外接存储器。

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