CN207366676U

CN207366676U - 一种单相电能质量检测仪

Info

Publication number: CN207366676U
Application number: CN201721510336.8U
Authority: CN
Inventors: 曾志刚; 丰玉; 李林峰
Original assignee: Hunan Institute of Engineering
Current assignee: Hunan Institute of Engineering
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2027-11-13

Abstract

本实用新型公开了一种单相电能质量检测仪，包括电压变换器、电流变换器、信号处理电路、控制器、显示器和键盘，电压变换器、电流变换器的信号输出端与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与控制器相连，控制器分别与显示器、键盘相连。本实用新型将输入信号经电压变换器、电流变换器转换成等效1～5V交流电压电流信号，信号经过移相、波形转换、电压偏置、电压抬升后，输入到单片机的电压为正电压，进行有效值和各次谐波的测量；另外波形转换可以将正弦波变换为矩形波，输送到单片机定时器中进行捕获实现频率和相位的测量；单片机处理完数值后将结果显示在显示器上，具有结构简单、成本低、测量精度高的优点。

Description

一种单相电能质量检测仪

技术领域

本实用新型涉及电能质量检测领域，特别涉及一种单相电能质量检测仪。

背景技术

电能质量一般是指电压与电流的幅值、频率、波形等参量离规定值的偏差。从20世纪60年代开始出现第一代电能质量测试仪至今，电能质量监测历经几十年的发展，已经从被动的、分散式的、针对特定电能质量问题的监测方式转变为主动的、永久持续的、反映系统性能的监测方式。

电能质量关系到国家的命脉，特别是涉及到电力、铁道、化工、冶金、IT等诸多行业的发展。一方面大量的非线性负荷、非对称设备以及冲击性负荷的投运，使公用电网中产生了大量的谐波干扰以及电压畸变、谐波注入、电压波动和三相不平衡等问题，电能质量不断恶化；另一方面基于计算机、微电子控制技术的设备、装置和生产线的不断增加，电网中这些负荷对电能的质量特别敏感，有时电能质量的不正常会造成严重事故。根据调查知道，我国目前使用的电能质量监测的仪器相对国外的产品还比较落后，主要是基于单片机的检测设备，抗干扰能力很差，也不能稳定准确的检测分析电能质量的本质问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、测量精确的单相电能质量检测仪。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种单相电能质量检测仪，包括电压变换器、电流变换器、信号处理电路、控制器、显示器和键盘，电压变换器、电流变换器的信号输出端与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与控制器相连，控制器分别与显示器、键盘相连，所述信号处理电路包括用于得到未移相的正弦波信号的第一路采样电路、用于得到未移相的方波信号的第二路采样电路、用于得到移相的正弦波和方波信号的第三路采样电路。

上述单相电能质量检测仪，所述第一路采样电路包括依次串接的第一降压电路、第一电压跟随器、电压抬升电路，电压抬升电路的输出端与控制器相连。

上述单相电能质量检测仪，所述第二路采样电路包括依次串接的第二降压电路、第二电压跟随器、第一过零比较器、第一反相器电路、第一降压偏置电路，降压偏置电路的输出端与控制器相连。

上述单相电能质量检测仪，所述第三路采样电路包括依次串接的移相电路、第三电压跟随器、第二过零比较器、第二反相器电路、第二降压偏置电路，第二降压偏置电路的输出端与控制器相连。

上述单相电能质量检测仪，所述第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器均采用LM324。

上述单相电能质量检测仪，所述控制器采用STM32F103。

上述单相电能质量检测仪，所述第一过零比较器、第二过零比较器采用单限比较器LM339。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型将输入信号经电压变换器、电流变换器转换成等效1～5V交流电压电流信号，信号经过移相、波形转换、电压偏置、电压抬升后，输入到单片机的电压为正电压，进行有效值和各次谐波的测量；另外波形转换可以将正弦波变换为矩形波，输送到单片机定时器中进行捕获实现频率和相位的测量；单片机处理完数值后将结果显示在显示器上，具有结构简单、成本低、测量精度高的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

图2为图1中控制器的芯片图。

图3为图1中第三路采样电路的电路图。

图4为图1中第二路采样电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括电压变换器、电流变换器、信号处理电路1、控制器、显示器和键盘，电压变换器、电流变换器的信号输出端与信号处理电路1的输入端相连，信号处理电路1的输出端与控制器相连，控制器分别与显示器、键盘相连。

所述信号处理电路1包括用于得到未移相的正弦波信号的第一路采样电路、用于得到未移相的方波信号的第二路采样电路、用于得到移相的正弦波和方波信号的第三路采样电路。所述第一路采样电路包括依次串接的第一降压电路、第一电压跟随器、电压抬升电路，电压抬升电路的输出端与控制器相连。所述第二路采样电路包括依次串接的第二降压电路、第二电压跟随器、第一过零比较器、第一反相器电路、第一降压偏置电路，降压偏置电路的输出端与控制器相连。所述第三路采样电路包括依次串接的移相电路、第三电压跟随器、第二过零比较器、第二反相器电路、第二降压偏置电路，第二降压偏置电路的输出端与控制器相连。

所述控制器采用单片机STM32F103，如图2所示，它拥有的资源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器(共12个通道)、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、 1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC 接口以及112个通用IO口。该芯片的配置十分强悍，并且还带外部总线 (FSMC)可以用来外扩SRAM和连接LCD等，通过FSMC驱动LCD，可以显著提高LCD的刷屏速度。

如图3、图4所示，所述第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器均采用LM324。电压跟随器LM324是输出电压与输入电压是相同的，即电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1，电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。

所述第一过零比较器、第二过零比较器采用单限比较器LM339。单限比较器LM339输入信号为Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压(门限电平)Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为± 1V-±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0～(Ucc-1.5V) Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。

图3中，上部分输出移相方波，下部分输出移相正弦波，当S1向上闭合， S2向下闭合，则形成超前移相；当S1向下闭合，S2向上闭合，则形成滞后移相。开关的控制减少了控制移相电路相位检测电路的设计。由于整个检测仪是由单片机主控，为使A/D能够有效采样数据并处理，所以单片机采得的数据需要满足其规定的范围内，即最大电压不超过3.3v，且不能有负电压。这就需要外部电路的设置，这些外部电路也可以称为偏置电路。在图3中利用偏置电阻和电阻串联分压，实现了外部电路升压部分，也得到符合单片机采样的完整正弦波。

图3和图4中，反相器电路采用反相触发器7414。用反相触发器7414整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的正向阈值电压和负向阈值电压设置得合适，均能收到满意的整形效果。单片机对方波的信号的检测相对容易，通过反相触发器7414进行处理，可以得到方波，第一次处理可能会有毛刺不规整，经过两次的处理可以得到整齐的方波。

本实用新型的工作原理如下：输入信号经电压变换器、电流变换器转换成等效1～5V交流电压电流信号，信号处理电路将工频交流电信号移相成电流和电压正弦信号，并将其整形为电流和电压的等效方波信号，再通过单片机AD的采集算出相位差和频率，再通过相位差和有效值计算出电流电压的有功功率、无功功率、视在功率等参数，并记录它们的最大值、最小值。应用取点法，采集波形显示的相应点，在TFT上显示出来。

具体的公式为：

频率f：f＝1/T；功率因数PF：PF＝P/S；有功功率P：P＝I*U*COSφ；无功功率Q：Q＝I*U*sinφ；视在功率S：S＝U*I；n次谐波的谐波含有率： HR_U＝U_n/U₁*100％，HR_I＝I_n/I₁*100％。其中I为电流有效值，U为电压有效值，φ为点流电压的相位差。U_n为n次谐波的电压有效值，U₁为基波电压有效值，I_n为n次谐波的电流有效值，I₁为基波电流有效值。

正弦信号经过反相触发器整形后，得到的方波信号送入单片机中。通过定时器上升沿触发启动定时器0开始计数、定时器1开始计时，通过接下来10个周期所用的时间，计算出频率；通过PCA0的中断来计算电压和电流整形后的方波信号上升沿的时差。定时器设置为定时器功能，电压整形后的方波信号的上升沿作为外部中断，电流整形后的方波信号的上升沿到来时启动定时器0，外部断到来后停止定时，最后通过函数计算出两个信号的相位差；A/D启动方式设置为定时器溢出，通过定时器2的工作方式的选择，捕捉电压、电流的正弦波信号，每个周期采集64个点，并计算出电压电流有效值、最大值、最小值。电压有效值的计算公式：

电流有效值的计算公式：

其中U_i和I_i为第i次采样的电压电流采样值。

Claims

1.一种单相电能质量检测仪，其特征在于：包括电压变换器、电流变换器、信号处理电路、控制器、显示器和键盘，电压变换器、电流变换器的信号输出端与信号处理电路的输入端相连，信号处理电路的输出端与控制器相连，控制器分别与显示器、键盘相连，所述信号处理电路包括用于得到未移相的正弦波信号的第一路采样电路、用于得到未移相的方波信号的第二路采样电路、用于得到移相的正弦波和方波信号的第三路采样电路。

2.根据权利要求1所述的单相电能质量检测仪，其特征在于：所述第一路采样电路包括依次串接的第一降压电路、第一电压跟随器、电压抬升电路，电压抬升电路的输出端与控制器相连。

3.根据权利要求2所述的单相电能质量检测仪，其特征在于：所述第二路采样电路包括依次串接的第二降压电路、第二电压跟随器、第一过零比较器、第一反相器电路、第一降压偏置电路，降压偏置电路的输出端与控制器相连。

4.根据权利要求3所述的单相电能质量检测仪，其特征在于：所述第三路采样电路包括依次串接的移相电路、第三电压跟随器、第二过零比较器、第二反相器电路、第二降压偏置电路，第二降压偏置电路的输出端与控制器相连。

5.根据权利要求4所述的单相电能质量检测仪，其特征在于：所述第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器均采用LM324。

6.根据权利要求4所述的单相电能质量检测仪，其特征在于：所述控制器采用STM32F103。

7.根据权利要求4所述的单相电能质量检测仪，其特征在于：所述第一过零比较器、第二过零比较器采用单限比较器LM339。