三相电功率测量仪的设计Word格式文档下载.docx
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但电子线路比较复杂,不能自动适应测量环境的变化,而且仪器的校准复杂。
第三阶段的智能仪器电测仪器,内置微处理器,能进行自动测试,具有一定的数据处理能力,可以取代部分脑力劳动,故称为智能仪器。
智能仪器通过软件实现信息的采集、处理和存储,同传统的仪器相比,有着其有如下特点:
1)内置微处理器上的软件控制着测量过程自动执行。
2)内置微处理器上的软件能够及时地、在线地对测量数据进行处理,包括消除随机误差和系统误差等,使测量的精确度及处理结果的质量大大提高。
这些工作计算量大,传统仪器需要人为参与进行后处理,工作重复性大,效率低。
近年来随着DSP的广泛应用和多种电测专用集成芯片的推出,数据处理能力不断加强,在不减少功能的前提下,缩小了体积、功耗、可靠性明显提高。
3)多种数据结果输出方式。
除了传统的面板显示,增加了具有扩展功能的外围辅助电路,并采用相应的软件,满足客户的特定功能需求。
例如可和打印连接输出。
4)仪器具有自动校正零点、满度和量程切换功能,大大降低了仪器零漂和特性变化造成的误差。
另外,仪器在运行过程中,对自身各部
分进行一系列测试,发现故障就报警,给出相应的故障信息。
未来电参数测量仪的趋势,必将向虚拟仪器发展。
虚拟仪器系统已成为测量仪器领域的一个基本方案,是技术进步的必然结果。
首先它通过计算机在显示屏上虚拟操作控制面板,通过计算机与硬件平台的通讯接口将用户对面板的操作命令传输到硬件执行,实现操作物理仪器的功能。
其次,原来在硬件平台执行的部分计算任务移交到计算机上,消除原来硬件平台资源限制无法采取更加复杂算法的缺点,同时算法的改动也变得更加灵活。
再次,硬件平台和具体使用的方式的在一定程度上的分离,驱使了硬件向标准化、模块化发展,极大降低了仪器的开发成本和周期,增强硬件的稳定性,同时硬件平台本身也在朝向可编程配置的方向发展,进一步增强硬件的灵活性。
再次,由于软件技术的发展,NI公司发布的可互换虚拟仪器的概念,产生了IVI技术开发规范,使应用程序的开发完全独立于硬件,不同的硬件平台只要改变硬件驱动,从而直接增强了虚拟仪器应用程序代码的复用性,大大降低了应用程序的维护费用。
同时NI公司针对虚拟仪器概念而推出的图形化开发工具环境,极大降低了虚拟仪器软件开发的复杂性,推动此概念大步迈向实际应用。
最后,虚拟仪器融合计算机网络技术,促进了测量向智能自动化方向发展。
通过计算机网络用户可以整合不同时空的信息,做出相应的决策进行控制输出,从而把测量集成到整个大的系统中,不再只是单独的一台测量仪器那么简单。
1.2本文的主要内容
本课题主要完成了以下工作:
1)查阅了大量的国内外有关电参数测量仪器和虚拟仪器方面的文献资料,剖析
了一些电测仪器的实际产品,并吸取同类产品的优点。
2)根据目前电参数测量仪的发展趋势和现有的设计条件,提出了电参数测量的
整体方案。
3)完成了系统硬件选型、设计和制作,并进行了调试。
4)完成软件方案的整体设计,进行了具体的软件编程和调试工作,基本上实现
所有功能。
第二章电压电流的测量
2.1电压测量的发展过程
在电学测量中,人们很早就进行电压测量,有直流电压测量、交流电压测量、工频电压测量、高频电压测量等内容。
早期是采用电流表作为指示器;
而后人们借助电子技术对电压进行测量。
借助电子技术进行电压测量的仪器称为电子电压表(electronicvoltmeter)。
在电子电压表中,又分为模拟电压表(analogvoltmeter)和数字电压表(digital
voltmeter,写作DVM)。
模拟电压表采用模拟电子技术并以表头指示测量结果;
而数字电压表主要采用模数转换技术并以数码对测量结果进行表示。
早在1915年,美国R.A.海辛首先提出峰值电压表的设计,到1928年美国GenerdRadio公司生产出第一批电子电压表。
1952年美国NLS公司首先研制出数字电压表,而后其发展层出不穷直至今日。
英国SOLATRON公司7801型8
位数字多用表是目前具有领先水平的电压测量仪器。
我国也经历了模拟电压表和数字电压表的发展过程,在20世纪60年代中期北京无线电技术研究所和上海电表厂分别研制成功4
位DVM;
80年代初期就进行微机化DVM的研究;
而后在引进、吸收国外新技术的基础上推出了一批国产化产品,例如北京无线电技术研究所的BY1955A5
位数字多用表等。
2.2电压测量的分类
由于被测电压的幅值、频率以及波形的差异很大,因此电压测量的种类也很多,通常有以下几种分类方法:
(1)按频率范围分类有直流电压测量和交流电压测量,而交流电压测量中按照频段范围又分为低频、高频和超高频的电压测量;
(2)按测量技术分类有模拟电压测量技术和数字电压测量技术;
(3)按被测信号的特点分类有脉冲电压测量、有效值电压测量等等。
2.3对电压测量的要求及主要技术指标
对电压进行测量时,测量装置必须正确反映被测量的大小和极性,并附有相应的单位。
如果不能正确反映被测量,其测量结果也是徒劳的,没有实用价值。
为此,测量装置必须做到在被测量值的范围内都可以进行正确测量,并且不能因为测量仪器的接入而影响被测对象的状态。
具体要求如下:
(1)测量范围要足够大;
(2)电压测量仪器的输入阻抗必须很高,避免对被测系统的负载效应;
(3)要有足够宽的频率响应范围,以便测量从超低频到超高频的各种交流信号;
(4)测量误差必须在允许范围内;
(5)可以准确测量各种波形的信号,包括方波、三角波等非正弦信号。
鉴于上述要求,电压测量仪器通常具有如下主要技术指标:
(1)幅度范围是指可测量电压的范围。
例如韦夫特克公司1071型数字多用表的测量范围为100mV~1000V(DC)。
在实际的电压表中还包括量程的划分及每一量程的测量范围,在1071多用表中共分5档量程:
0~100.0000mV0~1.000000V0~10.00000V
0~100.0000V0~1000.000V
(2)频率范围目前模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。
例如,BOONTON公司的92C射频电压表可测量的频率上限达1.2GHz,而ANALOGIC公司的DP100数字多用表只能达25MHz。
(3)输入特性通常指电压表的输入阻抗Zi括输入电阻Ri输入电容Ci在进行直流电压测量时只考虑Ri响测量结果。
1071数字多用表的输入电阻为Ri>
10000MΩ(0.1~10V量程);
Ri=10MΩ(1±
O.1%)(100及1000V量程)。
(4)分辨力是指能够测量被测电压最小增量的能力,该项技术指标主要针对数字电压表而言的。
例如HP3458A8
位数字电压表分辨力为满量程的10。
(5)准确度又称精确度,它是误差熟语的反义,有时直接用误差表示仪器的技术指标。
它指电压表的指示值(或显示值与被测量的真值之差。
模拟电压表的测量误差一般为1%-3%,而数字电压表可以优于
。
(6)抗干扰能力在实际电压测量中要遭受各种干扰信号的影响,使测量精度受到影响,特别是在测量小精度的时候。
通常将干扰分为串模干扰和共模干扰两类,在1071数字多用表中,有
串模干扰抑制比为66dB(1±
0.15%)(干扰信号频率为50Hz或60Hz)
共模干扰抑制比为>
140dB(DC)
>
80dB(AC1~60Hz,1kΩ不平衡源电阻)
2.4电压的模拟测量方法
对于交流电压的测量通常有两种基本方式:
放大—检波式和检波—放大式,如图2.1所示。
它们都是利用检波器将交流电压变为直流电压并以表头指示测量结果,前者[图(a)]测量灵敏度高,但频率范围只能达到几百千赫;
后者[图(b)]频率范围可以从直流到几百兆赫,但是由于检波器的限制其灵敏度较低。
对于图(b)来说,在提高灵敏度的同时受到噪声的影响;
由于噪声频谱很宽,而被测信号正弦波是单频的,因而有时利用外差原理借助中频放大器的优良选择性来克服噪声影响。
无论哪一种方式,检波器是其核心部件,它将交流电压转换为相应的直流电压以便表头指示测量结果。
检波
读数指示
放大大
Vi(a)
放大
检波
Vi(b)
图2.1交流电压的模拟测量方法
图(a)放大—检波式图(b)检波—放大式
在进行交流电压测量时,国际上一直以有效值表示被测电压的大小,因为有效值反映了被测信号的功率。
但在实际测量中由于检波器的工作特性不同所得结果有峰值、平均值、有效值之别。
因此,无论用哪一种特性的检波器都应该将最后的测量结果表示为有效值。
正弦交流电压可表示为
V(t)=Vpsin(ωt+φ)(2-1)
式中V(t)——交流电压瞬时值;
Vp——交流电压峰值;
ω——交流电压的角频率;
φ——交流电压的初始相位。
因此,交流电压的平均值为
VAV=
式中T——交流电压周期。
将式(2-1)代入上式并认为φ=0,得
VAV=0.637Vp(2-2)
交流电压的有效值,即均方根值为
同时交流电压均方根值为Vrms=0.707Vp(2-3)
因此,若采用峰值检波时输出为Vp,平均值检波时输出为0.637Vp,有效值检波时输出为0.707Vp。
为了按照有效值定义测量结果,现在定义V为有效值。
在峰值电压表中
V=
(2-4)
式中Kp~为正弦波峰因数,由式(2-3)可得Kp~=1/0.707
在平均值电压表中
V=kf~×
VAV(2-5)
式中kf~为正弦波因数,由式(2-2)和式(2-3)可得kf~=1.11
在有效值电压中V=Vrms(2-6)
在实际测量中,被测电压除了理想正弦波以外还有方波等各种波形,对于这些波形的检波结果还要进行相应的转换,其波峰因数Kp、波形因数Kf如表2.1所示。
注意:
表中为近似值。
表2-1
序号
名称
有效值V
平均值VAV
波形因数
Kf
波峰因数
Kp
1
正弦波
0.707Vp
0.637Vp
1.11
1.414
2
正弦波半波整流
0.5Vp
0.318Vp
1.57
2
3
正弦波全整流
0.707Vp
4
三角波
0.577Vp
1.15
1.73
5
方波
Vp
Vp
1
2.5三相电路的电压测量
由于三相电路的电压一般很高,测量时必须要接入变换电路使其电压降为可测范围,一般测量范围为0~5V或-5~+5V。
可利用互感线圈降压,一般匝数比为1:
50。
2.6电压的数字测量方法
1.基本方法
对于直流电压,数字电压表是将被测电压Vi经模数转换,而后由数字逻辑电路进行数据处理并以数码表示测量结果,图2.2为其原理框图。
A/D
显示
数据存储及处理
输入电路
Vi
控制
图2.2电压的数字测量原理框图
电压的数字测量方法有两点好处。
其一,可以将一些处理模拟量的问题转化为处理数字量的问题。
前者需用模拟电路,而后者则用数字技术。
现在数字逻辑电路集成度越来越高,不仅有利于电压表的小型化,更可贵的是能够提高仪器的可靠性。
其二,由于电压的数字测量方法采用数字技术,因此DVM可以很方便地与数字计算机以及计算机的外设(例如打印机、绘图仪)相连接。
这样就可以借助计算机的资源进一步增强和完善DVM的功能,而且还可以通过标准总线接入自动测试系统实现测量的自动化。
鉴于上述情况,DVM有取代模拟电压表的趋势,尤其是在直流或低频交流电压测量方面。
1.电压数字测量方法的特点
从DVM的结构来说,电压的数字测量方法有如下一些特点:
(1)采用模数转换器模数转换器(A/D)是DVM的关键部件,在DVM中常见的A/D有双斜式、多斜式、脉冲调宽式以及余数循环比较式。
(2)用数码显示测量结果目前普遍采用发光二极管(LED)或液晶显示器(LCD)显示数码,甚至还借助数码显示器显示DVM的其他有关信息。
(3)采用微处理器自20世纪70年代微处理器出现以来,人们将它和RAM、ROM等芯片用于DVM,构成控制器,管理整个DVM的操作以及处理测量结果。
(4)具有标准接口功能经常采用的标准接口有IEEE-488并行口和RS-232C串行口。
DVM具备接口功能之后就可以与计算机(有时称为控制器)相连接,再加上其他具有标准接口的仪器组成自动测试系统。
(5)利用计算机软件功能以上四点均属硬件功能,软件功能包括对DVM的控制及数据处理等。
数据处理功能使DVM的性能更加完善,还可以使DVM中的某些硬件功能用软件实现,例如自动校零、抑制干扰等等。
显示器
ROM
键盘
通常将具有微处理器的DVM称为微机化DVM或智能DVM,其组成如图2.3所示。
数据
锁存器
输入
电路
微处
理器
标准
接口
RAM
控制
图2.3微机化DVM简化框图
2.数字电压表的主要技术指标
DVM除了具有2.3节提出的指标外,还必须包括数字式仪表本身的一些特殊要求,讨论如下。
(1)输入范围最大输入一般为±
1000V,并具有自动量程转换和一定的过量程能力。
例如,英国SOLARTRON公司的7801最大输入电压为1000V(DC)。
(2)准确度最高可在
左右。
(3)稳定度短期稳定度为读数的0.002倍,期限为24小时;
长期稳定度为读数的0.008倍,期限为半年。
(4)分辨力目前达
,即1V输入量程时的测量分辨力为10nV。
(5)输入阻抗输入电阻的典型值为10MΩ,输入电容的典型值为40pF。
(6)输入零电流是指DVM输入端短路时仪器呈现的输入电流,通常为nA量级。
(7)仪器的校准DVM内部备有供校准用的标准,并且校准部分是独立的,与测量无关。
(8)输出信号为BCD码,可用于记录、打印或机外数据处理。
(9)输出接口通常为IGPIB或RS-232C。
(10)显示位数目前已达8
位,大多数台式表为4
位、5
位,而手持式的为3
位。
(11)读数数率指在仪器正常工作时单位时间内可读数据(测量结果)的次数,最高可达500次/秒。
(12)数据存储容量目前DVM内部可存储多达1000个数据。
(13)数据处理能力能求得被测电压最大偏差、平均值,甚至还可以计算方差、标准偏差等。
2.7电流的测量方法
电流测量一般需加取样电阻,可通过测量该电阻上的电压,求出电流值。
取样电阻的选取应注意:
当工作频率大于20kHz时,取样电阻不宜采用普通线绕电阻,因为线绕电阻的分布电感、电容已不容忽略,可采用碳膜电阻或金属膜电阻。
阻值大小视电路结构而定。
亦可用万用表测交流,其频率范围较低(45~500Hz),对于50Hz市电或三相电可以采用直接测量方法。
2.8电流—电压变换
为了把电流转化为电压指示,我们只要测量被测电流在已知电阻上的电压降就可以了。
图2.4表示一种实际的电流变换电路,它由许多精密电阻器构成从2A到200μA各种量程,用二极管网络作为输入保护电路,防止过高的输入电压。
不过,这里3A的保险丝可以容许通过相对比较大的电流。
必须注意,在电流转换电路中,用两根不同的引出线把电压经过调理电路,连接到模—数转换器的直流输入端和交流输入端。
调理电路
图2.4典型的电流变换电路
第三章相位功率测量
3.1相位测量
相位测量实际上就是相位差的测量,因为简谐信号Umsin(ωt+Φ)的相位Φ是随时间变化的。
其测量无什么实际意义,因此一般相位测量是指测量两个频率的信号之间的相位差,这又成了时间的测量。
数字式相位测量,其组成框图如图3.1示
比较器1
U1
与门
计数
译码显示
RS触发器
U2
比较器2
标准信号发生器
图3.1数字式相位计原理框图
其工作原理为:
被测信号分别经过过零比较器1和2,在输出由负变到正时,各产生一个脉冲信号,控制RS触发器,使RS触发器产生一个宽度等于两个被测信号间时延τ的矩形脉冲,用这个矩形脉冲作为与门的门控信号,控制标准脉冲信号的个数,由计数器记录通过与门的标准脉冲数。
设标准脉冲周期为Ts,并以与门开启计时标准为1秒钟,即与门开通1秒钟相当于两信号的相位差为2π,此时计数器的计数值为1/Ts。
若两被测信号的周期为Tx,则在一周期内与门开启时间就是两被测信号间的时延τ。
于是在1秒钟内与门开通的总时间为t=τ/Tx.
而计数器记录值为N,N=
=τ/(TxTs).两信号间的时延τ=NTxTs.于是可得两信号间的相位差Φ=(2π×
τ)/Tx=NTs×
2π,并经译码显示出结果。
对于三相电的相位测量,一般有Ua,Ub,Uc,Ia,Ib,Ic等这几个量相互间的相位差,如图3.2示
图3.2三相电路的相位特性
3.2功率测量
对三相电路的功率测量,可采用电动式功率表。
在这里由于电压、电流及相位都已知的情况下,可利用模拟电路的方法,简单的说就是用乘法器将各参数简单相乘。
一般功率表达式为:
P=UI(3-1)
在三相电路中,各相电压、电流有相位差,存在有功功率和无功功率。
例如,A相电压Ua、B相电流Ib间相位差为Φ,
有功功率S1=Ua×
IbcosΦ(3-2)
无功功率Q1=Ua×
IbsinΦ(3-3)
在进行测量读数时,只要测量出每相功率及一对异相功率即可,因为其他的值都是一样的
第四章硬件电路的设计
4.1系统硬件的总体设计
本设计采用89C51单片机作为处理器,系统主要由信号采集、人机接口等几个功能模块组成。
相位差测量电路
图4.1系统框图
它的工作过程是把被测交流电压、电流信号经过电压、电流传感器变换成-5~5的交流电压信号。
经过信号调理,AD转换,CPU对采样值进行数据处理。
转换后的数据送RAM中保存并由通信程序发送至上位机进行数据处理计算出所需要的参数
4.2单元电路的设计
4.2.1互感器介绍
互感器是按比例变换电压或电流的设备。
互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或1A,均指额定值),以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。
互感器还可用来隔开高电压系统,以保证人身和设备的安全。
互感器分为电压互感器和电流互感器两大类,其主要作用有:
将一次系统的电压、电流信息准确地传递到二次侧相关设备;
将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压(标准值)、小电流(标准值),使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化,并降低了
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- 关 键 词:
- 三相 电功率 测量仪 设计