CN2450672Y - 测功率装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种测功率装置,其特征在于:被测供电线经电流互感器转换的电流信号接芯片AD775X的一个输入端,被测供电线经变压器转换的电压信号及该电压信号移相90°后的信号经模拟开关的选择接芯片AD775X的另一个输入端,模拟开关的选择由微处理器控制,芯片AD775X的输出接微处理器。本实用新型成本较低,不但能完成对有功功率的测量,亦能完成对无功功率的测量,且为数字式的,可以和CPU安装在同一块数字电路板上,且成本较低。

Description

测功率装置
本实用新型涉及电路装置，尤其是一种测功率装置。
测功率装置主要用于对供电系统或电气设备等需要测功率因数的地方，以提高其设备的供电效率，减少电路耗损。有关功率因数测量的设备早已在使用，但都是模拟的，通过量化后才能和计算机接口，且不能安装在数字电路板上和CPU集成在一起。目前也有CMAME公司的功率芯片既可以测有功功率，又可以测无功功率，且为数字式的，但其价格偏高，不宜用在大量使用的地方。Analog公司的芯片AD775X，被大量应用在家用电表上，代替机械式的电度表，实现无人抄表管理系统，但却不能用于测量无功功率。
本实用新型的目的即是提供一种成本低廉、数字式的且既可测有功功率又可测无功功率的测功率装置。
为实现此目的，本实用新型的技术方案如下：一种测功率装置，其特征在于：被测供电线经电流互感器转换的电流信号接芯片AD775X的一个输入端，被测供电线经变压器转换的电压信号及该电压信号移相90°后的信号经模拟开关的选择接芯片AD775X的另一个输入端，模拟开关的选择由微处理器控制，芯片AD775X的输出接微处理器。所述的被测供电线经变压器转换的电压信号及该电压信号移相90°后的信号如下得到：变压器的初级线圈接被测供电线，变压器的次级线圈中央抽头接地，次级线圈的一个输出直接至模拟开关，此端输出的即为电压信号，次级线圈的另一个输出经串联的电阻、电容与上述电压信号相连，电阻与电容结点所输出的即为电压信号移相90°后的信号。所述装置的电路为：被测供电线经电流互感器U1转换的电流信号接芯片AD7750的3脚、4脚，芯片AD7750的4脚接地，变压器B1的初级线圈接被测供电线，次级线圈中央抽头接地，次级线圈一端输出至模拟开关U2，另一端输出经串联的电阻R1、电容C1与该端相连，电阻R1、C1的结点接至模拟开关U2，模拟开关U2输出至芯片AD7750的6脚，模拟开关U2亦接微处理器CPU，芯片AD7750的16脚、15脚分别经电容C2、C3接地，芯片AD7750的16脚和15脚间接有晶振X1，芯片AD7750的18脚接微处理器CPU。所述装置的电路为：被测供电线经电流互感器U3转换的电流信号接芯片AD7755的5脚、6脚，芯片AD7755的6脚接地，变压器B2的初级线圈接被测供电线，次级线圈中间抽头接地，次级线圈一端输出至模拟开关U4，另一端输出经串联的电阻R2、电容C4与该端相连，电阻R2、C4的结点接至模拟开关U4，模拟开关U4输出至芯片AD7755的8脚，模拟开关U4亦接微处理器CPU，芯片AD7755的18脚、17脚分别经电容C5、C6接地，芯片AD7755的18脚和17脚间接有晶振X2，芯片AD7755的22脚接微处理器CPU。
采用上述技术方案后，本实用新型使用Analog公司的芯片AD775X与少量的电子器件组成，不但能完成对有功功率的测量，同时亦能完成对无功功率的测量，且为数字式的，可以和CPU安装在同一块数字电路板上，以实现完整的测控。由于AD775X芯片价格十分低廉，每片约为人民币12.00元，因而本实用新型成本较低，可用在大量使用的地方。
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
图1和图2分别是本实用新型两种实施例的使用电路图，图中虚线部分为本实用新型。
图3是本实用新型中芯片AD7750的原理示意框图。
图4和图5分别是本实用新型中两种移相90°的电路原理图及框图。
图6是图4所示移相90°电路的矢量原理图。
本实用新型的测功率装置，是将被测供电线经电流互感器转换的电流信号接芯片AD775X的一个输入端，被测供电线经变压器转换的电压信号及该电压信号移相90°后的信号经模拟开关的选择接芯片AD775X的另一个输入端，模拟开关的选择由微处理器控制，芯片AD775X的输出至微处理器，由微处理器读取。芯片AD7750X包括AD7750、AD7751、AD7755等。
下面以芯片AD7750为例介绍本实用新型的工作原理。芯片AD7750的原理示意框图如图3所示，ch1通道和ch2通道分别接从电流互感器和电压互感器转换过来的电流和电压信号，ch1还有一个可编程的放大器进行放大倍数的选择(测量量程选择)，这二个通道的信号分别经过各自的16比特A/D转换器进行量化，量化后的二路数字信号通过一个数字乘法器相乘后送到一个低通滤波器，滤波器的输出是一个直流分量，只有电压和电流同相的部分(同时正或同时负)其相乘后的平均直流分量才有输出，其值正比于电压和电流相乘后的幅度平均值，对于其电流和电压不同相的部分平均为0，从而实现有功功率的测量，其表达式用下列来表示(见AD7750芯片技术数据，Energy Metering ICwith pulse output,Analog Device)则设电压的瞬时值经富氏变换后为： υ ( t ) = V o + 2 Σ h ≠ 0 ∞ V h sin ( h ω + α h ) 电流的瞬时值经富氏变换后为： i ( t ) = I 0 + 2 Σ h ≠ 0 ∞ I h sin ( hω + β h ) 其中：Vo和Io分别是电流和电压的直流分量
Ih和Vh分别是电流和电压的高次谐波分量
αh和βh分别是电压和电流的高次谐波相角可以得出其有功功率部分有二部分组成
P=PI+PH其中PI=VeIecosφ，为基波功率，为有功功率
PH=VhIhcosφh，为谐波功率，为有功功率
根据电工原理可证明，如果把电压信号延时90°(或超前90°，依据电路是感性或是容性而定)，则瞬时电压经富氏变换后为 υ ( t ) = V o + 2 Σ h ≠ 0 ∞ sin ( hωt + αh ± h · 90 o ) 此时经过乘法器和滤波器输出后，其有功功率平均后为0，其无功功率可以得到为：
Pi=PiI+Pih
其中PiI为基波的无功功率，PiI=±VeIesinφI
Pih为谐波产生的无功功率，Pih=±VeIesinφI
这样不但得到有功功率，在电压延时或超前90°后，也得到了无功功率，不管是代表无功功率还是有功功率的直流分量，还要通过一个直流到脉冲频率的转换，用TTL电平输出，以便由CPU读取。
如图4、图5所示，把电压延时或超前90°可由二种方法来实现。其中一种成本较低但精度略低些，是用模拟电路来实现的，具体电路如图4所示，初级线圈接被测供电线的变压器，其次级线圈的中间抽头接地，次级线圈的一端直接输出，即为无移相输出，另一端经串接的电阻R、电容C与直接输出端连接，电阻R与电容C的结点输出的即为移相90°输出，从而如果要测有功功率，可将不延时的电压(1/2V)送到AD7750的ch2通道。如果要测无功功率，可将延时(或超前)90°的电压送到AD7750的ch2通道，这种延时电路的原理可用矢量法表示。如图6所示，因为R和C上的电压总是正交的(差90°)，总电压为V(二个1/2V)，所以R和C电压矢量的交点总是在半圆内，故电压的矢量中心点到R、C电压矢量的交点，即圆的半径是不变的，但角度随RC的值而变，总可以用一个电位器调到输出电压的矢量(电压的中心点到RC交点)和原来的电压差90°，延时90°或超前90°可以用交换RC的位置来实现。此种移相只对基波有效，在电源电压为正弦波且失真不大的情况下比较正确。另一种移相方法为采用数字延时电路实现，如图5所示，即首先将电压信号量化(16位A/D)后存到存贮器内延时1/4周期(电压周期)，将其读出后再进行D/A转换成模拟信号，送到AD7750的ch2通道，从而实现高精度的无功功率测量。
本实用新型以AD7750、AD7755为例举了两个实施例。如图1、图2所示。
在图1所示的实施例中：被测供电线经电流互感器U1转换的电流信号接芯片AD7750的3脚、4脚，芯片AD7750的4脚接地，变压器B1的初级线圈接被测供电线，次级线圈中间抽头接地，次级线圈一端输出至模拟开关U2，另一端输出经串联的电阻R1、电容C1与该端相连，电阻R1、C1的结点接至模拟开关U2，模拟开关U2输出至芯片AD7750的6脚，模拟开关U2亦接微处理器CPU，芯片AD7750的16脚、15脚分别经电容C2、C3接地，芯片AD7750的16脚和15脚间接有晶振X1，芯片AD7750的18脚接微处理器CPU。
在图2所示的实施例中：被测供电线经电流互感器U3转换的电流信号接芯片AD7755的5脚、6脚，芯片AD7755的6脚接地，变压器B2的初级线圈接被测供电线，次级线圈中间抽头接地，次级线圈一端输出至模拟开关U4，另一端输出经串联的电阻R2、电容C4与该端相连，电阻R2、C4的结点接至模拟开关U4，模拟开关U4输出至芯片AD7755的8脚，模拟开关U4亦接微处理器CPU，芯片AD7755的18脚、17脚分别经电容C5、C6接地，芯片AD7755的18脚和17脚间接有晶振X2，芯片AD7755的22脚接微处理器CPU。
本实用新型中模拟开关为常用的，如芯片4066等。

Claims (4)

1、一种测功率装置，其特征在于：被测供电线经电流互感器转换的电流信号接芯片AD775X的一个输入端，被测供电线经变压器转换的电压信号及该电压信号移相90°后的信号经模拟开关的选择接芯片AD775X的另一个输入端，模拟开关的选择由微处理器控制，芯片AD775X的输出接微处理器。
2、根据权利要求1所述的测功率装置，其特征在于：所述的被测供电线经变压器转换的电压信号及该电压信号移相90°后的信号如下得到：变压器的初级线圈接被测供电线，变压器的次级线圈中央抽头接地，次级线圈的一个输出直接至模拟开关，此端输出的即为电压信号，次级线圈的另一个输出经串联的电阻、电容与上述电压信号相连，电阻与电容结点所输出的即为电压信号移相90°后的信号。
3、根据权利要求2所述的测功率装置，其特征在于：所述装置的电路为：被测供电线经电流互感器U1转换的电流信号接芯片AD7750的3脚、4脚，芯片AD7750的4脚接地，变压器B1的初级线圈接被测供电线，次级线圈中间抽头接地，次级线圈一端输出至模拟开关U2，另一端输出经串联的电阻R1电容C1与该端相连，电阻R1、C1的结点接至模拟开关U2，模拟开关U2输出至芯片AD7750的6脚，模拟开关U2亦接微处理器CPU，芯片AD7750的16脚、15脚分别经电容C2、C3接地，芯片AD7750的16脚和15脚间接有晶振X1，芯片AD7750的18脚接微处理器CPU。
4、根据权利要求2所述的测功率装置，其特征在于：所述装置的电路为：被测供电线经电流互感器U3转换的电流信号接芯片AD7755的5脚、6脚，芯片AD7755的6脚接地，变压器B2的初级线圈接被测供电线，次级线圈中间抽头接地，次级线圈一端输出至模拟开关U4，另一端输出经串联的电阻R2、电容C4与该端相连，电阻R2、C4的结点接至模拟开关U4，模拟开关U4输出至芯片AD7755的8脚，模拟开关U4亦接微处理器CPU，芯片AD7755的18脚、17脚分别经电容C5、C6接地，芯片AD7755的18脚和17脚间接有晶振X2，芯片AD7755的22脚接微处理器CPU。
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