CN1402012A - 三相交流电的频率测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种涉及电频率测量方法及应用的三相交流电的频率测量方法和装置，通过采集三相实时电压/电流信号，求取电压/电流旋转矢量的角速度，再折算出频率，三相交流电的频率测量装置包括采样电路，其特征在于，经采样电路采样后，各相电压/电流经电平偏移电路，将交流信号处理成直流信号，所得各相直流信号经AD采样电路，模数转换后得三相实时电压/电流输入频率计算电路，在频率计算电路中计算旋转矢量的角速度，最后折算出频率，本发明抗干扰能力强，精度高，可应用于信号不稳定、不平衡、谐波含量大等恶劣环境，可广泛适用于各种需要测量频率的装置，如三相交流供电设备，三相交流检测仪表，及各种三相交流监测监护装置。

Description

三相交流电的频率测量方法和装置

技术领域

本发明涉及电频率测量方法及应用，尤其涉及一种三相交流电的频率测量方法和装置。

背景技术

现有的交流电频率测量方法为：将交流电信号通过整形电路整形为方波信号，检测方波相邻两个上升沿或下降沿的时间间隔T，求倒数得出频率，如图1所示。常规的频率测量方法是通过测量两次过零点的时间间隔来折算频率，但当市电谐波比较大，或者在过零点附近有来回抖动，势必存在多个过零点，导致频率误测较大，而且，对于这种误测难以找到比较合理的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种被检测三相信号源的稳定性不影响测量结果的三相交流电的频率测量方法，以及采用这种频率测量方法的三相交流电的频率测量装置。

本发明所采用的频率测量方法为：采集三相实时电压/电流信号，求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，再折算出频率f。

所述求取电压/电流旋转矢量的角速度ω可通过三相至两相的坐标变换，采用公式：

X_α＝(2X_a-X_b-X_c)/3

X_β＝(X_b-X_c)/3^1/2

求出旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β，计算参数旋转矢量模长：

X_m＝(X_α ²+X_β ²)^1/2

根据旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β计算出相应的全象限的旋转矢量角θ，然后，把当前旋转矢量角θ_i减去上次的旋转矢量角θ_i-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，其中n为单位时间内采集的次数，再套用公式f＝ω/2π，折算出频率f；旋转矢量角θ根据θ＝arccos(X_α/X_m)或θ＝arcsin(X_β/X_m)计算，其所处象限值由X_α和X_β的值的极性判别；折算出的频率f可经滤波处理或每周期求平均值后得到准确的频率值。

采用这种频率测量方法的三相交流电的频率测量装置的技术方案为：它包括采样电路，接收三相交流电的各相交流电压/电流，经采样电路采样后，各相电压/电流经电平偏移电路，将交流信号处理成直流信号，所得各相直流信号经AD采样电路，模数转换后得三相实时电压/电流输入频率计算电路，在频率计算电路中求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，再折算出频率f。

角速度ω可通过三相至两相的坐标变换，采用公式：

X_α＝(2X_a-X_b-X_c)/3

X_β＝(X_b-X_c)/3^1/2

求出旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β，计算参数旋转矢量模长：

X_m＝(X_α ²+X_β ²)^1/2

根据旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β计算出相应的全象限的旋转矢量角θ，然后，把当前旋转矢量角θ_i减去上次的旋转矢量角θ_i-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，其中n为单位时间内采集的次数，再套用公式f＝ω/2π，折算出频率f；旋转矢量角θ根据θ＝arccos(X_α/X_m)或θ＝arcsin(X_β/X_m)计算，其所处象限值由X_α和X_β的值的极性判别；相角差Δθ可先滤波处理，折算频率f后，再滤波处理得到稳定准确的频率f。

本发明的技术原理及有益效果为：旋转矢量是三相电经PARK变换的结果，对于三相交流信号，可作如下表述：

X＝2/3*(x_a+x_be^j2π/3+x_ce^-j2π/3)

其中x_a、x_b、x_c可代表任何三相变量，如果有平衡三相电，则

x_a＝X_mcosωt

x_b＝X_mcos(ωt-2π/3)

x_c＝X_mcos(ωt-2π/3)

则：X＝X_me^jωt

当三相平衡电压或电流经上述变换后为一个旋转的空间矢量，矢量旋转的角频率和单相电角频率相同。

这种频率测量方法采用旋转矢量角的相角差来测量频率，在一个市电周期后，旋转矢量角必定旋转360度，回到原来位置。根据ω＝n*Δθ和f＝ω/2π，即f＝n*Δθ/2π，这样，在理论上保证了频率测量的准确性，如图2所示，一标准交流电旋转矢量示意图，其中旋转矢量用X表示，旋转矢量角用θ表示。

对于稳定性较差的交流电，如图3所示，体现在旋转矢量的模值上有抖动，及在旋转过程的来回摆动，但一个市电周期内，旋转矢量转过的角度必然是360度，所以对频率测量不造成影响。

同样，如图4所示，市电不平衡时，甚至产生缺相，旋转矢量端点在椭圆上运行，矢量旋转速度不恒定，但在一个市电周期内，旋转矢量转过的角度仍然为360度，因此，也不影响频率测量。

即便对于谐波含量(但不超过基波含量)较高时，旋转矢量端点运动轨迹如图5所示，矢量在旋转过程中有反向旋转的情况，但在一个市电周期内，旋转矢量转过的角度仍然为360度，因此，频率测量的精度同样可以获得保证。

因此，使用这种通过测量出旋转矢量的转速，从而计算出三相交流电的频率的方法，使得三相信号源的稳定性不影响测量结果，即使三相信号源的电信号不稳、不平衡甚至产生缺相、谐波含量较高时，可获取稳定可靠的频率值，因此这种方法抗干扰能力强，精度高，而且本发明克服了常规频率检测方法中，当交流电信号波形异常时，过零点的辨别处理极度困难的问题；折算出的频率经滤波处理或每周期求平均值后得到频率值，使得到的频率值更可靠、准确，进一步提高了本发明的实用性；在采用这种频率测量方法的三相交流电的频率测量装置中，计算出的相角差Δθ先滤波处理，折算频率后，再滤波处理得到准确的频率，使得这种频率测量方法更适用于现实的应用过程和装置中，使这种频率测量方法在工程中的应用更趋于合理及实用，使本发明在三相交流电信号极不稳定、三相极度不平衡、谐波含量很大等恶劣环境下测量出可靠、准确的三相交流电的频率，进一步提高了本发明的实用性。

总之，本发明抗干扰能力强，精度高，可应用于三相交流电信号不稳定、三相不平衡、谐波含量大等恶劣环境，三相信号源的稳定性不影响测量结果，克服了常规频率检测方法中过零点辩别处理困难的问题，可广泛适用于各种需要测量频率的装置，如三相交流供电设备，三相交流检测仪表，及各种三相交流监测监护装置。

附图说明

图1为现有交流电频率测量方法示意图；

图2为标准交流电旋转矢量示意图；

图3为不稳定交流电旋转矢量示意图；

图4为缺相交流电旋转矢量示意图；

图5为谐波含量较高时交流电旋转矢量示意图；

图6为三相交流电的频率测量装置的结构示意图；

图7为三相交流电的频率测量装置的频率计算流程示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的工作过程为：采集三相实时电压/电流信号X_a、X_b、X_c，求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，再折算出频率f。

求取电压/电流旋转矢量的角速度ω是根据电压/电流旋转矢量在三相坐标系的实时值X_a、X_b、X_c，通过三相至两相的坐标变换，可采用公式：

X_α＝(2X_a-X_b-X_c)/3

X_β＝(X_b-X_c)/3^1/2

求出旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β，计算参数旋转矢量模长：

X_m＝(X_α ²+X_β ²)^1/2

根据旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β计算出相应的全象限的旋转矢量角θ，然后，把当前旋转矢量角θ_i减去上次的旋转矢量角θ_i-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，其中n为单位时间内采集的次数，再套用公式f＝ω/2π，折算出频率f。

其中，旋转矢量角θ可根据θ＝arccos(X_α/X_m)或θ＝arcsin(X_β/X_m)计算，其所处象限值由X_α和X_β的值的极性判别。

折算出的频率f可经滤波处理或每周期求平均值后得到准确的频率值。

下面再举一应用本发明的三相交流电的频率测量装置，根据图6和图7，一电压采样电路61，接收三相交流电的各相交流电压u_A、u_B、u_C，经电压采样电路61采样后，各相电压u’_A、u’_B、u’_C经电平偏移电路62，将交流信号处理成直流信号，所得各相直流信号u”_A、u”_B、u”_C经AD采样电路63，模数转换后得三相实时电压V_a、V_b、V_c输入频率计算电路64，在此频率测量装置中，由于采样信号是电压信号，三相实时电压V_a、V_b、V_c即为前面所述的三相坐标系的实时值X_a、X_b、X_c，在频率计算电路64中：

计算旋转矢量在两相静止坐标系的实时值V_α、V_β，此处实时值V_α、V_β代表采集三相交流电的电压信号，与前述的实时值X_α、X_β实质相同，采用公式：

V_α＝(2V_a-V_b-V_c)/3

V_β＝(V_b-V_c)/3^1/2

计算参数旋转矢量模长V_m，旋转矢量模长V_m与前述旋转矢量模长X_m实质相同，V_m(V_α ²-V_β ²)^1/2

计算旋转矢量角θ，可根据θ＝arccos(V_α/V_m)或θ＝arcsin(V_β/V_m)计算，其所处象限值由V_α和V_β的值的极性判别。

把当前旋转矢量角θ_i减去上次的旋转矢量角θ_i-1，得到相角差Δθ，同时，把当前旋转矢量角存放为上次的旋转矢量角，可用于下一次计算相角差Δθ。

利用公式ω＝n*Δθ，求得旋转矢量的角速度ω。

最后，套用公式f＝ω/2π，折算出频率f。

在处理过程中，相角差Δθ可先滤波处理，折算出频率f后，再滤波处理得到稳定准确的频率f。

旋转矢量角θ尽量实现可容错，保证其值大于或等于0度并且小于360度。

在上述三相交流电的频率测量装置中，采集三相交流电的电压信号，同样，可通过采集三相交流电的电流信号，求取电流旋转矢量的角速度ω，再折算出频率f。

Claims (8)

1.一种三相交流电的频率测量方法，其特征在于，采集三相实时电压/电流信号，求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，再折算出频率f。

2.根据权利要求1所述的三相交流电的频率测量方法，其特征在于，所述求取电压/电流旋转矢量的角速度ω是根据电压/电流旋转矢量在三相坐标系的实时值X_a、X_b、X_c，通过三相至两相的坐标变换，采用公式：

X_α＝(2X_a-X_b-X_c)/3

X_β＝(X_b-X_c)/3^1/2

求出旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β，计算参数旋转矢量模长：X_m＝(X_α ²+X_β ²)^1/2

根据旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β计算出相应的全象限的旋转矢量角θ，然后，把当前旋转矢量角θ_i减去上次的旋转矢量角θ_i-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，其中n为单位时间内采集的次数，再套用公式f＝ω/2π，折算出频率f。

3.根据权利要求2所述的三相交流电的频率测量方法，其特征在于，所述的旋转矢量角θ根据θ＝arccos(X_α/X_m)或θ＝arcsin(X_β/X_m)计算，其所处象限值由X_α和X_β的值的极性判别。

4.根据权利要求2所述的三相交流电的频率测量方法，其特征在于，所述的折算出的频率f可经滤波处理或每周期求平均值后得到频率值。

5.用权利要求1所述的频率测量方法的三相交流电的频率测量装置，包括采样电路，接收三相交流电的各相交流电压/电流，其特征在于，经采样电路(61)采样后，各相电压/电流经电平偏移电路(62)，将交流信号处理成直流信号，所得各相直流信号经AD采样电路(63)，模数转换后得三相实时电压/电流输入频率计算电路(64)，在频率计算电路(64)中求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，再折算出频率f。

6.根据权利要求5所述的三相交流电的频率测量装置，其特征在于，所述的角速度ω是根据电压/电流旋转矢量在三相坐标系的实时值X_a、X_b、X_c，通过三相至两相的坐标变换，采用公式：

X_α＝(2X_a-X_b-X_c)/3

X_β＝(X_b-X_c)/3^1/2

求出旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β，计算参数旋转矢量模长：X_m＝(X_α ²+X_β ²)^1/2

根据旋转矢量在两相坐标系的实时值X_α、X_β计算出相应的全象限的旋转矢量角θ，然后，把当前旋转矢量角θ_i减去上次的旋转矢量角θ_i-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取电压/电流旋转矢量的角速度ω，其中n为单位时间内采集的次数，再套用公式f＝ω/2π，折算出频率f。

7.根据权利要求6所述的三相交流电的频率测量装置，其特征在于，所述的旋转矢量角θ根据θ＝arccos(X_α/X_m)或θ＝arcsin(X_β/X_m)计算，其所处象限值由X_α和X_β的值的极性判别。

8.根据权利要求6所述的三相交流电的频率测量装置，其特征在于，所述的相角差Δθ可先滤波处理，折算频率f后，再滤波处理得到频率f。

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