CN113050016A - 一种四端法补偿电容模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四端法补偿电容模拟器，包括等幅度超前移向电路、模数转换器DAC、电压/电流V/I转换电路、采样电阻Rs、模拟乘法器、低通滤波器以及积分器。

Description

一种四端法补偿电容模拟器
技术领域
本发明涉及补偿电容技术领域，特别涉及一种四端法补偿电容模拟器。
背景技术
近年来，随着电力行业的快速发展，电力系统中大量使用并联电容器对运行线路进行功率因数补偿，无功补偿电容的工作容量都很大，这些电力补偿电容器长期挂网运行，频繁进行投切操作。为了保补偿电容的可靠性，需要定期进行检测。
现在补偿电容的测试方法采用四端法测量，可在不拆线的情况下测量电容量等参数。但是国内这些补偿电容测试仪质量参差不齐，需要计量部门对其定期校准，确保测试仪的准确度，但是，受到标准电容制作工艺的影响，无法制造出容量很大的标准电容，标准容量一般都比较小，很难满足测试仪的校准需求。
发明内容
根据本发明实施例提供的方案解决的技术问题是受到标准电容制作工艺的影响，无法制造出容量很大的标准电容，标准容量一般都比较小，很难满足测试仪的校准需求。
根据本发明实施例提供的一种四端法补偿电容模拟器，包括：
等幅度超前移相电路，将输入的第一电压信号进行等幅度移相处理，得到与所述 第一电压信号幅度相同且相位超前
Figure 315777DEST_PATH_IMAGE001
的第二电压信号；
与所述等幅度超前移相电路输出端连接的模数转换器，用于根据用户设置的分压比例控制系数D将所述第二电压信号进行分压衰减处理，得到分压衰减后的第三电压信号；
与所述模数转换器输出端连接的电压电流转换电路，用于根据电压电流转换电路的比例系数K将所述第三电压信号进行电压电流转换，得到第一电流信号；
与所述电压电流转换电路输出端连接的采样电阻
Figure 170601DEST_PATH_IMAGE002
，用于对所述第一电流信号 进行采样，得到第四电压信号；
分别与所述采样电阻和所述第一电压信号连接的模拟乘法器，用于将所述第一电压信号和所述第四电压信号相乘，得到第五电压信号；
与所述模拟乘法器输出端连接的低通滤波器，用于滤除所述第五电压信号中的交流电压信号，得到第六电压信号；
分别与所述低通滤波器输出端和所述等幅度超前移相电路输入端连接的积分器，用于对所述低通滤波器输出的第六电压信号进行积分处理，得到第七电压信号，以便所述等幅度超前移相电路根据所述积分器输出的第七电压信号，对所述第一电压信号进行移相处理，得到与所述第一电压信号相位超前90°的电压信号。
根据本发明实施例提供的方案，可以任意模拟的标准电容的大小，用于校准电力行业中补偿电容测试仪的准确度，解决了电力行业中对补偿电容测试仪校准的难题，满足补偿电容模拟器校准的需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种四端法补偿电容模拟器的示意图；
图2是本发明实施例提供的补偿电容模拟器的工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明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。
图1是本发明实施例提供的一种四端法补偿电容模拟器的示意图，如图1所示，包括：
等幅度超前移相电路，将输入的第一电压信号进行等幅度移相处理，得到与所述 第一电压信号幅度相同且相位超前
Figure 950338DEST_PATH_IMAGE001
的第二电压信号；
与所述等幅度超前移相电路输出端连接的模数转换器，用于根据用户设置的分压比例控制系数D将所述第二电压信号进行分压衰减处理，得到分压衰减后的第三电压信号；
与所述模数转换器输出端连接的电压电流转换电路，用于根据电压电流转换电路的比例系数K将所述第三电压信号进行电压电流转换，得到第一电流信号；
与所述电压电流转换电路输出端连接的采样电阻
Figure 283230DEST_PATH_IMAGE002
，用于对所述第一电流信号 进行采样，得到第四电压信号；
分别与所述采样电阻和所述第一电压信号连接的模拟乘法器，用于将所述第一电压信号和所述第四电压信号相乘，得到第五电压信号；
与所述模拟乘法器输出端连接的低通滤波器，用于滤除所述第五电压信号中的交流电压信号，得到第六电压信号；
分别与所述低通滤波器输出端和所述等幅度超前移相电路输入端连接的积分器，用于对所述低通滤波器输出的第六电压信号进行积分处理，得到第七电压信号，以便所述等幅度超前移相电路根据所述积分器输出的第七电压信号，对所述第一电压信号进行移相处理，得到与所述第一电压信号相位超前90°的电压信号。
其中，所述等幅度超前移相电路包括场效应管Rx。
其中，所述第七电压信号为
Figure 97602DEST_PATH_IMAGE003
；其中，所述
Figure 857748DEST_PATH_IMAGE004
为积分器的初始电压；所述
Figure 124781DEST_PATH_IMAGE005
为常数；所述U为第一 电压信号的峰值。
其中，所述等幅度超前移相电路，还用于根据所述积分器输出的第七电压信号，对 所述场效应管Rx的电阻进行调节，得到与所述第一电压信号相位超前
Figure 526944DEST_PATH_IMAGE006
的电压信号。
具体地说，所述等幅度超前移相电路，具体用于当相角为
Figure 195822DEST_PATH_IMAGE007
时，
Figure 861290DEST_PATH_IMAGE008
，所述第七电压信号继续升高，使场效应管Rx变小，相角
Figure 615619DEST_PATH_IMAGE001
增大，直至
Figure 290314DEST_PATH_IMAGE009
；当相角为
Figure 14032DEST_PATH_IMAGE010
时，
Figure 443877DEST_PATH_IMAGE011
，所述第七电压信号继续降低，使场效应管Rx变 大，相角
Figure 357606DEST_PATH_IMAGE012
减小，直至
Figure 632730DEST_PATH_IMAGE013
,最终相角稳定在
Figure 213884DEST_PATH_IMAGE014
。
图2是本发明实施例提供的补偿电容模拟器的工作原理示意图，如图2所示，由于 补偿电容测试仪的工作原理为四端法测量，就是在电容两端加测试电压
Figure 549050DEST_PATH_IMAGE015
，而流过电容的 电流
Figure 215655DEST_PATH_IMAGE016
用电流钳形表测量。
由于电容C的容抗为
Figure 294469DEST_PATH_IMAGE017
(1)
上式中
Figure 730130DEST_PATH_IMAGE018
为复阻抗的虚部，代表90°相移；
Figure 501777DEST_PATH_IMAGE019
为测试信号的角频率；c为模拟电容 值。
电容两端的测试电压
Figure 655677DEST_PATH_IMAGE020
就等于流过电容的电流
Figure 538183DEST_PATH_IMAGE021
与电容的容抗
Figure 562771DEST_PATH_IMAGE022
相乘，即
Figure 505319DEST_PATH_IMAGE023
(2)
因此
Figure 880936DEST_PATH_IMAGE024
(3)
为了达到模拟电容的目的，只要将电流
Figure 301553DEST_PATH_IMAGE021
信号成比例的转换为测试电压信号
Figure 974456DEST_PATH_IMAGE015
的 函数，即:
Figure 87905DEST_PATH_IMAGE025
(4)
其中
Figure 950819DEST_PATH_IMAGE026
为电压转换为电流信号的比例系数。同时将电流信号的相角超前移动 90°，此时电容就变为
Figure 112810DEST_PATH_IMAGE027
(5)
只要改变
Figure 174307DEST_PATH_IMAGE028
的大小就可以改变电容的大小，且与输入电压信号大小无关。因此，只 要将电流成比例的转换成电压的函数，且将电流信号相角超前移动90°，就可以达到模拟电 容的目的。
如图1所示，补偿电容模拟器由等幅度超前移向电路、DAC、V/I转换电路、采样电阻Rs、模拟乘法器、低通滤波器、积分器等组成。
补偿模拟电容是用于校准补偿电容测试仪的，补偿模拟电容器是当做标准，用于考核补偿电容测试仪测量电容的准确度的。
等幅度超前移相电路输出幅度等于输入信号的幅度，但是输出的信号相对于输入 信号相位超前了
Figure 396341DEST_PATH_IMAGE029
，该相位超前的
Figure 808868DEST_PATH_IMAGE030
是与电容C和 Rx大小相关，一旦C和Rx的大小固定了，那么相角也就固定了。但是本发明的模拟补偿电容 器，要求是模拟大的标准电容，模拟理想的标准电容就要求流过电容的电流相位要超前模 拟电容两端电压90°，本发明就是要在C不变的情况下通过控制Rx，让
Figure 774550DEST_PATH_IMAGE031
等幅度超前移向电路：由电阻R1、电阻R2、 电容C、场效应管Rx、运算放大器A组成移向电路。当R1=R2=R时，改移相电路输出和输入幅度 相等，相位超前
Figure 956132DEST_PATH_IMAGE032
；该电路主要用于将输入信号等幅度 的移相，即经过该电路后，输出信号和输入信号幅度一样，但相位超前了
Figure 83488DEST_PATH_IMAGE033
。
DAC:要用四象限乘法型模数转换器DAC，D（0<D<1）为模数转换器的分压比例控制系数；该器件将输入信号与D相乘，进行分压衰减，信号衰减的大小受D控制。
V/I转换电路：电压电流转换电路的比例系数为K；该电路是将电压信号成比例的转换为电流信号。
采样电阻：对输出电流Io进行采样;该电阻主要用来对电流信号采样，转换为电压信号。
模拟乘法器：四象限模拟乘法器;该模拟乘法器主要用来将两个模拟信号进行相乘。
低通滤波器：用于滤除交流分量;该器件主要是将交流信号滤除，保留直流信号。
积分器：对直流信号进行积分;该电路主要是对输入信号进行积分。
下面结合图1对本发明进行说明
四端法模拟补偿电容输出电流超前输入电压相角稳定在
Figure 983311DEST_PATH_IMAGE034
的原理
P1点为输入信号为
Figure 487105DEST_PATH_IMAGE035
：
Figure 788773DEST_PATH_IMAGE036
(6)
式中：
Figure 87031DEST_PATH_IMAGE037
为输入信号的峰值，
Figure 408903DEST_PATH_IMAGE038
为输入正弦信号的角频率，
Figure 778704DEST_PATH_IMAGE039
为时间。
P3点为输出信号为P1点为输入信号为
Figure 669300DEST_PATH_IMAGE040
经过超前移相电路后得到：
Figure 404038DEST_PATH_IMAGE041
(7)
式中：
Figure 12874DEST_PATH_IMAGE042
为经过超前相移电路后的超前相角。
P4点的信号为P3点的信号
Figure 858470DEST_PATH_IMAGE043
与四象限乘法型DAC的分压控制字相乘得到：
Figure 869151DEST_PATH_IMAGE044
(8)
式中：
Figure 40370DEST_PATH_IMAGE045
四象限乘法型DAC的分压比例控制系数。
P4点的信号经过电压电流转换（V/I）电路得到输出电流
Figure 136502DEST_PATH_IMAGE046
为：
Figure 785789DEST_PATH_IMAGE047
(9)
式中：
Figure 650977DEST_PATH_IMAGE048
为电压电流转换（V/I）电路的比例系数。
P5点的信号为输出电流
Figure 727517DEST_PATH_IMAGE049
经过采样电阻
Figure 310945DEST_PATH_IMAGE050
得到：
Figure 498344DEST_PATH_IMAGE051
(10)
式中：
Figure 483617DEST_PATH_IMAGE052
为采样电阻。
P6点的信号为P5点的信号
Figure 731059DEST_PATH_IMAGE053
与输入信号
Figure 801783DEST_PATH_IMAGE054
相乘得到：
Figure 813381DEST_PATH_IMAGE055
(11)
令
Figure 653161DEST_PATH_IMAGE056
(12)
由于电压电流转换（V/I）电路的比例系数
Figure 946870DEST_PATH_IMAGE057
、四象限乘法型DAC的分压比例控制系 数
Figure 114677DEST_PATH_IMAGE058
、输入信号的峰值
Figure 971775DEST_PATH_IMAGE059
采样电阻
Figure 603745DEST_PATH_IMAGE060
等参数对于模拟的某一个电容值时，这些参数都 是固定不变的，因此
Figure 255306DEST_PATH_IMAGE061
为常数。
则P6点的信号
Figure 110742DEST_PATH_IMAGE062
为：
Figure 505951DEST_PATH_IMAGE063
； (13)
P6点的信号
Figure 726848DEST_PATH_IMAGE064
经过低通滤波器后，将交流信号
Figure 814890DEST_PATH_IMAGE065
滤除掉，只 剩下直流信号
Figure 285185DEST_PATH_IMAGE066
，因此得到P7点的信号为
Figure 484086DEST_PATH_IMAGE067
：
Figure 762751DEST_PATH_IMAGE068
(14)
由于当电路稳定后,相角
Figure 21694DEST_PATH_IMAGE069
为常数
Figure 713707DEST_PATH_IMAGE070
；
P8点的信号为P7点的信号为
Figure 450719DEST_PATH_IMAGE071
经过积分后得到：
Figure 911787DEST_PATH_IMAGE072
(15)
式中：
Figure 341631DEST_PATH_IMAGE073
为积分器的初始电压；
当相角为
Figure 252431DEST_PATH_IMAGE074
时，
Figure 793134DEST_PATH_IMAGE075
，P8点电压继续升高，导致场效应管两端呈现 的电阻Rx越来越小，相角
Figure 374288DEST_PATH_IMAGE076
不断增大，直至
Figure 709454DEST_PATH_IMAGE077
；当相角为
Figure 110480DEST_PATH_IMAGE078
时，
Figure 189294DEST_PATH_IMAGE079
， P8点电压继续降低，导致场效应管两端呈现的电阻Rx越来越大，相角
Figure 890534DEST_PATH_IMAGE080
不断减小，直至
Figure 396602DEST_PATH_IMAGE081
，最终相角稳定在
Figure 550502DEST_PATH_IMAGE082
。
模拟电容大小调节原理：
模拟补偿电容要两个必要条件才能成为模拟补偿电容：1）电流相位要超前电压相位90°，这是必须的，如果不超前90°，那么就不是标准电容；2）本发明是要调节模拟补偿电容的大小，用于校准补偿电容测试仪，相当于要产生不同大小的模拟电容当做标准电容，去校准补偿电容测试仪。
根据公式(6)可知输入信号为：
Figure 433008DEST_PATH_IMAGE083
(19)
将输入信号公式（19）转换为复数表示
Figure 723175DEST_PATH_IMAGE084
(20)
其中，
Figure 665723DEST_PATH_IMAGE085
代表输入信号的有效值，
Figure 41341DEST_PATH_IMAGE086
代表电压相角为0°
由于相角
Figure 399641DEST_PATH_IMAGE087
根据公式（9）可知输出电流为：
Figure 872210DEST_PATH_IMAGE088
(21)
将输出电流公式（21）转换为复数表示
Figure 654834DEST_PATH_IMAGE089
(22)
其中，
Figure 580065DEST_PATH_IMAGE090
代表输出电流的有效值，
Figure 742056DEST_PATH_IMAGE091
代表电流相角为0°
等效电容复阻抗等于输入电压除以模拟的电流
Figure 69132DEST_PATH_IMAGE092
(23)
其中，
Figure 228849DEST_PATH_IMAGE093
代表电容阻抗的大小，
Figure 641376DEST_PATH_IMAGE094
电容复阻抗 定义
Figure 341479DEST_PATH_IMAGE095
(24)
其中，
Figure 460744DEST_PATH_IMAGE096
代表电容阻抗的大小，QUOTE
Figure 915996DEST_PATH_IMAGE097
根据公式（23）和公式（24）可知所以
Figure 753502DEST_PATH_IMAGE098
(25)
由于输入信号
Figure 319613DEST_PATH_IMAGE099
已知，电压电流转换电路的比例系数为K是固定的，因此 只要改变
Figure 759297DEST_PATH_IMAGE100
就可以改变四端法输出电容的大小。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种四端法补偿电容模拟器，其特征在于，包括：
等幅度超前移相电路，将输入的第一电压信号进行等幅度移相处理，得到与所述第一 电压信号幅度相同且相位超前
Figure 414334DEST_PATH_IMAGE001
的第二电压信号；
与所述等幅度超前移相电路输出端连接的模数转换器，用于根据用户设置的分压比例控制系数D将所述第二电压信号进行分压衰减处理，得到分压衰减后的第三电压信号；
与所述模数转换器输出端连接的电压电流转换电路，用于根据电压电流转换电路的比例系数K将所述第三电压信号进行电压电流转换，得到第一电流信号；
与所述电压电流转换电路输出端连接的采样电阻
Figure 800315DEST_PATH_IMAGE002
，用于对所述第一电流信号进行 采样，得到第四电压信号；
分别与所述采样电阻和所述第一电压信号连接的模拟乘法器，用于将所述第一电压信号和所述第四电压信号相乘，得到第五电压信号；
与所述模拟乘法器输出端连接的低通滤波器，用于滤除所述第五电压信号中的交流电压信号，得到第六电压信号；
分别与所述低通滤波器输出端和所述等幅度超前移相电路输入端连接的积分器，用于对所述低通滤波器输出的第六电压信号进行积分处理，得到第七电压信号，以便所述等幅度超前移相电路根据所述积分器输出的第七电压信号，对所述第一电压信号进行移相处理，得到与所述第一电压信号相位超前90°的电压信号。
2.根据权利要求1所述的四端法补偿电容模拟器，其特征在于，所述等幅度超前移相电路包括场效应管Rx。
3.根据权利要求2所述的四端法补偿电容模拟器，其特征在于，所述第七电压信号为
Figure 924260DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，所述
Figure 522732DEST_PATH_IMAGE004
为积分器的初始电压；所述
Figure 930580DEST_PATH_IMAGE005
为常数；所 述U为第一电压信号的峰值。
4.根据权利要求3所述的四端法补偿电容模拟器，其特征在于，所述等幅度超前移相电 路，还用于根据所述积分器输出的第七电压信号，对所述场效应管Rx的电阻进行调节，得到 与所述第一电压信号相位超前
Figure 221884DEST_PATH_IMAGE006
的电压信号。
5.根据权利要求4所述的四端法补偿电容模拟器，其特征在于，所述等幅度超前移相电 路，具体用于当相角为
Figure 754496DEST_PATH_IMAGE007
时，
Figure 796139DEST_PATH_IMAGE008
，所述第七电压信号继续升高，使场效应 管Rx变小，相角
Figure 933860DEST_PATH_IMAGE009
增大，直至
Figure 255119DEST_PATH_IMAGE010
；当相角为
Figure 478290DEST_PATH_IMAGE011
时，
Figure 559510DEST_PATH_IMAGE012
所述第七电压 信号继续降低，使场效应管Rx变大，相角
Figure 348474DEST_PATH_IMAGE001
减小，直至
Figure 247160DEST_PATH_IMAGE010
，最终相角稳定在
Figure 82261DEST_PATH_IMAGE006
。
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