CN201859178U

CN201859178U - 谐波电能计量装置

Info

Publication number: CN201859178U
Application number: CN2010205903948U
Authority: CN
Inventors: 谭思云; 陈静; 袁佑新; 林海平; 肖纯; 陈敏; 罗爱军; 胡红明; 肖义平; 常雨芳
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-11-03

Abstract

本实用新型是谐波电能计量装置，该装置包括电压传感器（1），电流传感器（2），变送器（3），采样与A/D转换电路（4），电平转换电路（5），锁相同步采样控制电路（6）和第一微处理器（7），其中：电压传感器获取所需的电压信号，电流传感器获取所需电流信号，这两种信号经过变送器（3）变送后得到交流电压信号，该信号由采样与A/D转换电路转变成离散的数字信号，该数字信号经过电平转换电路送入第一微处理器进行信号分析与处理得到谐波电能各量，锁相同步采样控制电路跟踪电网频率的变化进行精确采样。本实用新型具有测量精度较高、成本较低、实用性较强和可实现同步采样等优点，能够取代高价格的智能电能传感器来进行谐波测量。

Description

谐波电能计量装置

技术领域

本实用新型涉及计量装置，特别是涉及一种自制的谐波电能计量装置，用于动态谐波滤波器中进行谐波检测、分析与处理。

背景技术

随着工业技术的快速发展，诸多非线性负荷，如直流电机、直流电源、变频调速器、整流设备、电镀电解设备、中高频感应加热设备、电池充电机、晶闸管温控加热设备、电力机车、通讯设备、音像设备、变频器、计算机等接入电网，电网谐波含量逐年升高。电网谐波导致的各种危害日益突出，如增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热；引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行等。这些危害使我们认识到电力谐波进行治理刻不容缓。申请者申请了专利“动态谐波滤波器（申请号：200910063641.0）”，是一种用于在长期工作过程中保持滤波器滤波精度和滤波效果始终不变的设备，其主要是采用了无源滤波原理，使用自行研制的可变电抗器，通过调节电抗器副边控制线圈电抗值从而改变其原边电抗，原边电抗与滤波电容共同构成了无源调谐滤波器。

动态谐波滤波器电抗控制器中电网谐波电能信号的采集、分析和处理是控制策略得以实现的前提，专利“智能绝缘栅双极晶体管双极驱动装置（申请号：200920229072.8）”中采用了智能传感器来获取电能信号并且通过MOD-BUS总线接口与微处理器进行通信。智能传感器实质上是采用高速DSP和MCU控制器，高速采集三相电压和三相电流，可采集电压、电流、功率、功率因素、有功电度、无功电度、计算各相谐波电压和各相谐波电流。但是就目前来看智能电能传感器的价格非常昂贵。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种结构相对简单，性能稳定可靠的谐波电能计量装置，代替高成本的智能电能传感器，其测量精度同样能够满足动态谐波滤波器电抗控制装置的精度要求。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：包括电压传感器，电流传感器，变送器，采样与A/D转换电路，电平转换电路，锁相同步采样控制电路和第一微处理器。其中：电压传感器获取所需的电压信号，电流传感器获取所需电流信号，这两种信号经过变送器变送后得到交流电压信号，该交流电压信号由采样与A/D转换电路转变成离散的数字信号后，该数字信号经过电平转换送入第一微处理器进行信号分析与处理得到谐波电能各量，锁相同步采样控制电路跟踪电网频率的变化进行精确采样。

本实用新型为了在测量精度满足的前提下，降低专利“智能绝缘栅双极晶体管双极驱动装置（申请号：200920229072.8）”中设计的动态谐波滤波器电抗控制装置的成本而提出的。

本实用新型与现有技术相比具有以下的优点：

1.能够代替智能电能传感器进行谐波测量，不仅测量精度较高，而且成本也下降了。

2.可实现同步采样：

采用了锁相同步采样控制电路，确保跟踪电网频率的变化，获取信号彼此之间的相位关系，准确测量实时信号，真正实现了同步采样。

3.采用了电平转换电路，保证了工作电压不同的器件之间的正常合作。

4.采用了微处理器接收离散的数字信号，经过DFT、FFT或者小波变换等算法处理后能够获得所需的各次谐波电压和电流值以及其功率和电能量等。

总之，本实用新型以其测量精度较高、成本较低和可实现同步采样等优点，能够取代高价格的智能电能传感器来进行谐波测量，有利于工业开发，实用性较强。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是动态谐波滤波器电抗控制器的结构图。

图中：1.电压传感器； 2.电流传感器； 3.变送器； 4.采样与A/D转换电路； 5.电平转换电路； 6.锁相同步采样控制电路； 7.第一微处理器； 8.触摸屏； 9.第二微处理器； 10.驱动保护电路； 11. 绝缘栅双极晶体管； 12.报警电路； 13.上位机接口。

具体实施方式

本实用新型通过分立元件的组合，设计出了一种能够测量电网中各次谐波电压电流信号值、谐波功率和电能等的谐波电能计量装置，该装置用来采集、分析和处理电能信号。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的结构如图1所示：包括由电压传感器1、电流传感器2和变送器3构成前置电路，采样与A/D转换电路4，电平转换电路5，锁相同步采样控制电路6和第一微处理器7五大部分。

前置电路主要负责采集电网电压和电流信号，并且将高电压大电流信号转换成下一级A/D转换电路适合的交流电压信号。其中：电压传感器1获取所需的电压信号，电流传感器2获取所需电流信号，这两种信号经过变送器3进行变送，转换为-5V~+5V的交流电压信号，然后由采样与A/D转换电路4将连续的模拟信号转变成离散的数字信号后，经过电平转换电路5送入第一微处理器7进行信号分析与处理得到谐波电能信号（如：电流的3,5,7，…次谐波分量；功率因素；电网电压），锁相同步采样控制电路6跟踪电网频率的变化，获取信号彼此之间的相位关系，准确测量实时信号，真正实现了同步采样。

第一微处理器7主要用来进行谐波电能信号的检测、分析和处理，其接收离散的数字信号，经过DFT、FFT或者小波变换等算法处理后能够获得所需的各次谐波电压和电流值以及其功率和电能量。该微处理器可采用DSP，以TMS320LF2407为例，它是一种高性能的16位定点数字信号处理器，特别适用于需要进行数字滤波和大量运算。若微处理器采用TMS320LF2407，它的工作电压是3.3V，因此在数据进入到DSP之前需要添加一个电平转换电路。在电网谐波电能计量中，采集到的电压、电流信号经过各种处理后进入到DSP中，可以通过DFT、FFT或者小波变换等算法处理得到各次谐波电量。在采样过程中，电网频率并不是恒定不变，而是在50HZ左右变化，因此采样间隔t=T/N（T为采样周期，N为采样点数）也不是恒定不变的，为了跟踪电网频率的变化进行精确采样，在进行采样之前应该加入锁相同步采样电路。

本实用新型所述部分器件可以外购。例如：电压传感器可采用南京奇霍公司生产的VSM025A型霍尔电压传感器，它可以精确测量10-500V的电压；电流传感器可采用上海二工的LZJC-10；A/D转换器可采用MAXIM公司生产的8通道14位的数据采集芯片MAXl25；第一微处理器可采用美国TI公司的TMS320LF2407,16位定点数字信号处理器，运算速度快。

本实用新型提供的谐波电能计量装置，可与图2所示的动态谐波滤波器电抗控制器配合使用，其中编号1~7为谐波电能计量装置。触摸屏向第一微处理器7进行输入，设定实际需要输出的PWM波形占空比和频率等参数，绝缘栅双极晶体管在驱动及保护电路的作用之下正常工作；自制谐波电能计量装置采集电网电能信号，经第一微处理器7分析所得到的数据，计算出谐波电能各量，从而计算出需要改变的PWM波形的占空比额度，并将计算结果通过串行口发送给第二微处理器9（即图2中所示的微处理器2）；第二微处理器主要用来控制触发脉冲发生器工作，该微处理器得到数据后，及时改变其输出的PWM波形，通过驱动保护电路10，达到驱动绝缘栅双极晶体管（IGBT）11的要求，并且使其得到了短路过流保护。两微处理器通过串口相连接。

第一微处理器7外接触摸屏8，从而可以获取或者设置各开关量状态，获取谐波电能各量以及设置PWM占空比等参数。

第二微处理器9外接报警电路12，可实时监测晶体管的使用情况，必要时提供报警；第二微处理器还外接上位机接口13，可与上位机进行通讯。第二微处理器可选用INTEL公司的89C51型单片机来实现。

上位机接口集成了多种通信协议，包括SPI（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）、I2C（Inter Integrated Circuit，双线制串行总线）、USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）等，能方便地外接微处理器或者与上位机通信，建立实时信号测量数据库。

本实用新型的工作过程是：

电压、电流传感器采集所需的电网电压和电流信号，经变送器将高电压大电流信号转换成适合于采样与A/D转换电路的-5V~+5V的交流电压信号；在进行采样之前，需要依靠锁相同步采样电路来跟踪电网频率的变化，获取信号彼此之间的相位关系，准确测量实时信号，进行精确采样。同步采样的原理是：变送器输出的信号经过一个比较电路，把其波形整成方波，使之在零点发生跃变，这种方波再连接到TMS320LF2407的捕捉引脚CAPl上，利用TMS320LF2407的捕捉功能，当方波在零点发生跃变时，CAPl就能捕捉到并产生一个捕捉中断，同时通过设置定时器记录两个零点之间的时间，这个时间就是此时的电网周期，再把这个值除以采样点数，就得到了采样间隔时间，这样，采样间隔能跟着电网周期的变化而变化，做到了真正的同步采样。采样与A/D转换电路4将连续的模拟信号转变成离散的数字信号，经电平转换电路5后送入第一微处理器7（TMS320LF2407），通过DFT、FFT或者小波变换等算法得到各次谐波电能各量。

本实用新型采用分立元件，以微处理器为控制中心，能够实时的测量电网谐波各量，测量精度较高，成本较低，在动态谐波滤波器中，能够代替智能电能传感器工作。

Claims

1.一种谐波电能计量装置，其特征在于该装置包括电压传感器（1），电流传感器（2），变送器（3），采样与A/D转换电路（4），电平转换电路（5），锁相同步采样控制电路（6）和第一微处理器（7），其中：电压传感器（1）获取所需的电压信号，电流传感器（2）获取所需电流信号，这两种信号经过变送器（3）变送后得到交流电压信号，该交流电压信号由采样与A/D转换电路（4）转变成离散的数字信号，该数字信号经过电平转换（5）送入第一微处理器（7）进行信号分析与处理得到谐波电能各量，锁相同步采样控制电路（6）跟踪电网频率的变化进行精确采样。

2.根据权利要求1所述的谐波电能谐波计量装置，其特征在于所述交流电压信号为-5V~+5V的交流电压信号。

3.根据权利要求1所述的谐波电能谐波计量装置，其特征是：第一微处理器（7）外接触摸屏（8）。