新型数字式三钳相位伏安表的研制

新型数字式三钳相位伏安表的研制
摘要：三相多功能数字伏安相位表采用高精度ADC及DSP技术，电压、电流真有效值原理测量，电流量程自动切换，无需断开被测电路可同时测量三相电流、电压、相位、频率、功率、零序电流电压。

支持外接电源和高性能镍氢电池两种供电方式，支持在线充电，电池能连续使用8小时；输入全部隔离，支持各种接线方式，能测量任意两路输入之间的相位。

关键词：新型数字式；三钳相位伏安表；研制
目前的伏安表测试精度较低，带负荷测试时需要到多点电流回路、电压回路来回测试，测试数据时间不同步、数据记录不方便，特别是具有高铁、冶金、多晶硅等冲击性负荷的场所，测试时间不同步导致的电流相位出入较大，给测试数据分析带来了不确定因素，费时费力。

三相多功能数字相位伏安表是一款专门用于电力供用电部门二次回路接线现场检查的高精度仪器。

适用于电能计量、用电检查、电力稽查、装表接电和继电保护、差动检测、启动试验等部门。

该仪器也是数字式双钳相位伏安表的升级换代产品，是电力系统各部门的必备仪器之一。

一、背景技术：
目前，主网及用户计量运维班组在计量装置验收、故障处理的过程中，进行计量二次回路带负荷接线正确性分析均需使用相位伏安表。

由于目前在用相位伏安表质量参差不齐，虽然每年都会送检，但在现场使用过程中还是经常发生相位读数不准的问题，出现这种情况时无法判断是计量设备运行异常还是相位伏安表本身的原因，需取备用相位伏安表进行重新对
比或将仪器紧急送检后再使用，对工作造成较大的困扰，而且对相位伏安表进行功能正确性
检查时，一般需要使用大型台式校验装置或有相位调节功能的校验台体，这些设备不仅价格
昂贵，而且重量高达50kg到100kg，靠人力搬动比较困难，更不可能带到工作现场使用，使
得整体仪器成本、人工成本都较高，而且效率低下。

二、技术实现要素：
为了解决现有技术中相位伏安表的检查仪器价格昂贵、重量太大、灵活性差等不足，它
提供了新型数字式三钳相位伏安表功能检查仪。

为实现以上实用新型目的，采用的技术方案是：
新型数字式三钳相位伏安表功能检查仪，包括电源模块、控制模块、正弦交流电流逆变
模块和显示模块；电源模块与控制模块连接，控制模块与显示模块、正弦交流电流逆变模块
连接；正弦交流电流逆变模块与相位伏安表的电压及电流测量模块的输入端连接，电压及电
流测量模块的输出端与控制模块连接。

电源模块产生AC100V电压用于向正弦交流电流逆变
模块以及控制模块进行供电，同时控制模块产生SPWM信号并将该信号传输给正弦交流电电
流逆变模块，正弦交流电流逆变模块根据SPWM信号输出相位、幅值可调的交流电流；电源
模块所产生的AC100V电压与正弦交流电流逆变模块产生的电流同时进入伏安相位表的电压
及电流测量模块。

伏安相位表通过电压及电流测量模块对输入的电压、电流进行测量采集，
并将采集得到的当前的电压、电流及对应的相位角度通过显示模块进行显示。

将相位伏安表
显示的数据与输入的电压、电流数据进行比对，若两者一致则判断相位伏安表处于正常状态，否则判定相位伏安表处于异常状态。

电源模块包括市电接口、电池充电模块、电池组、纯正弦波逆变器和开关电源模块，市
电接口依次通过电池充电模块、电池组、纯正弦波逆变器与开关电源模块连接，开关电源模
块与控制模块连接；市电接口负责从电网中引入电流，通过电池充电模块为电池组充电，纯
正弦波逆变器用于对相位伏安表及其内部的电压及电流测量模块进行供电，开关电源模块负
责为CPU控制模块供进行供电。

电池组采用锂电池组，锂电池能量密度大，平均输出电压高。

自放电小，有利于提高装
置的使用寿命。

控制模块采用微处理器。

市电接口通过开关电压转换模块与电池充电模块连接。

开关电
压转换模块能将交流电压转化直流电压。

电池组的前端设置有电池过充保护电路，电池过充
保护电路与电池充电模块连接，电池组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路
与纯正弦波逆变器连接。

过充保护电路和过放保护电路的设置能够提高设备的使用寿命。

电
池过放保护电路通过升压稳压电路与纯正弦波逆变器连接，升压稳压电路的存在可以提高信
号的保真率。

显示模块为液晶显示屏。

三、系统工作原理：
电源模块中的市电接口从电网中引入的AC220V电源，通过开关电压转换为直流电压后，输入电源通过充电电路对锂电池组进行充电。

锂电池组输出前端带有由过充保护电路，后端
设置有电池过放保护电路，锂电池组输出电压经过一个升压稳压电路，将电压提供给纯正弦
波逆变器，纯正弦波逆变器逆变器输出交流电压。

电源模块产生AC100V电压用于向正弦交流电流逆变模块以及控制模块进行供电，同时
控制模块产生SPWM信号并将该信号传输给正弦交流电电流逆变模块，正弦交流电流逆变模
块根据SPWM信号输出相位、幅值可调的交流电流；电源模块所产生的AC100V电压与正弦交
流电流逆变模块产生的电流同时进入伏安相位表的电压及电流测量模块。

伏安相位表通过电
压及电流测量模块对输入的电压、电流进行测量采集，并将采集得到的当前的电压、电流及
对应的相位角度通过显示模块进行显示。

将相位伏安表显示的数据与输入的电压、电流数据
进行比对，若两者一致则判断相位伏安表处于正常状态，否则判定相位伏安表处于异常状态。

四、有益效果：
它采用现有通用的电池模块和通用电路连接，具有体积小，重量轻，可直接由电池供电，具有灵活性以及简便性，可随时携带至工作现场进行作业，提高了工作效率和节省了时间成本。

它作为标准源输出可以调整相位的电压及电流以便现场检查伏安相位表性能指标，能准
确快速地完成相位伏安表的相位、电流、电压测量功能的比对检查，价格较为便宜，同时重
量较轻方便携带，实现相位伏安表现场比对检查,提高现场验收工作效率，提升经济效益。

新型数字式三钳相位伏安表功能检查仪，包括：电源模块、控制模块、正弦交流电流逆
变模块和显示模块；电源模块与控制模块连接，控制模块与显示模块、正弦交流电流逆变模
块连接；正弦交流电流逆变模块与相位伏安表的电压及电流测量模块的输入端连接，电压及
电流测量模块的输出端与控制模块连接。

电源模块产生AC100V电压用于向正弦交流电流逆
变模块以及控制模块进行供电，同时控制模块产生SPWM信号并将该信号传输给正弦交流电
电流逆变模块，正弦交流电流逆变模块根据SPWM信号输出相位、幅值可调的交流电流；电
源模块所产生的AC100V电压与正弦交流电流逆变模块产生的电流同时进入伏安相位表的电
压及电流测量模块。

伏安相位表通过电压及电流测量模块对输入的电压、电流进行测量采集，并将采集得到的当前的电压、电流及对应的相位角度通过显示模块进行显示。

将相位伏安表
显示的数据与输入的电压、电流数据进行比对，若两者一致则判断相位伏安表处于正常状态，否则判定相位伏安表处于异常状态。

电源模块包括市电接口、电池充电模块、电池组、纯正弦波逆变器和开关电源模块，市
电接口依次通过电池充电模块、电池组、纯正弦波逆变器与开关电源模块连接，开关电源模
块与控制模块连接；市电接口负责从电网中引入电流，通过电池充电模块为电池组充电，纯
正弦波逆变器用于对相位伏安表及其内部的电压及电流测量模块进行供电，开关电源模块负
责为CPU控制模块供进行供电。

电池组采用锂电池组，锂电池能量密度大，平均输出电压高。

自放电小，有利于提高装
置的使用寿命。

控制模块采用微处理器。

市电接口通过开关电压转换模块与电池充电模块连接。

开关电压转换模块能将交流电压转化直流电压。

电池组的前端设置有电池过充保护电路，电池过充保护电路与电池充电模块连接，电池
组的后端设置有电池过放保护电路，电池过放保护电路与纯正弦波逆变器连接。

过充保护电
路和过放保护电路的设置能够提高设备的使用寿命。

电池过放保护电路通过升压稳压电路与
纯正弦波逆变器连接，升压稳压电路的存在可以提高信号的保真率。

显示模块为液晶显示屏。

五、具体工作过程：
电源模块中的市电接口从电网中引入的AC220V电源，通过开关电压转换为 12.6V直流
电压后，输入电源通过充电电路对锂电池组进行充电。

锂电池组输出前端带有由过充保护电路，后端设置有电池过放保护电路，锂电池组输出电压经过一个升压稳压电路产生12V的电
源并将电源提供给纯正弦波逆变器，纯正弦波逆变器输出交流电压AC100V。

微型处理器产生一个SPWM信号并传输到正弦交流电流逆变模块中，该信号能够对正弦
交流电流逆变模块进行控制，正弦交流电流逆变模块产生相位、幅值可调的交流电流；电源
模块所产生的AC100V电压与正弦交流电流逆变模块产生的电流同时进入伏安相位表及仪器
的测量模块。

仪器通过电压及电流测量模块在液晶屏显示出当前的电压、电流及对应的相位
角度。

将相位伏安表测量得到的数据进行比对，若两者一致则判断相位伏安表处于正常状态，否则判定相位伏安表处于异常状态。

参考文献：
[1] JJG（航天）35—1999，交流数字电流表检定规程[S].
[2] JJF 1491—2014，数字式交流电参数测量仪校准规范[S].。