多功能电量测试仪的设计

多功能电量测试仪的设计

一、电源系统设计 1.系统硬件框图

电源电路为电量变送器的各个芯片和元件提供正常的工作电源，本次设计所选元件的工作电源皆为+5V 。电源电路即为一个将220V 交流电转变为5V 直流电的电路装置。电源电路的输入端为三相中的某一相，通过变压器变为9V 的交流电压。

三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。 在本次课程设计中，选用 7805三端稳压集成电路，顾名思义，三端IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

与此同时，在三端变压器使用时，还应当注意与后续电路搭配，在该设计中，在LM7805后面加了一个电容，该电容可以起到滤波的作用。系统电源电路原理图如下：

220V 交流电

变压器

桥式整流

电容滤波器

三端稳压器

5V 电压

345

Title

N u mb er

Size B

D ate:

2-Ju n -2011

File:

G :\p ro \Ex amp les\My D esig n

9V

25V

330u F

R 11K

D 5

D 1

D 2

D 3

D 4

G N D

2

V IN 1

V OU T

3

7805C 2105

U A

5V

2、电参量测量算法设计

2.1 采样测量方法

利用采样计算电能的测量技术，是随着计算机技术的发展而发展起来的。它是建立在数值分析的基础上，通过放大器和A/D 转换器，对连续变化的模拟信号进行离散化，用数字量代替模拟量进行运算，测量交流信号电流、电压等的新方法。而采样计算式测量方法又分为直流采样法和交流采样法两种。

2.2 交流采样的算法分析

本课题设计的是一种智能电量变送器，所选单片机、A/D 转换器及其它配件均具有较高的处理速度与处理精度。所以，本设计采用的采样方式为交流采样。

由于该智能电量变送器测量的对象是电网的各电量参数，为了简化设备和软件，默认采集信号的周期为电网的频率0.02s 。所以可近似的认为所用的采样方法为交流同步采样。 交流采样法是直接对经过装置内部小电流互感器、小电压互感器转换后形成的交流电压

信号进行采样、保持和A/D 转换，然后在软件中通过各种算法计算出所需的电量。交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不同，其算法也有很多种，按照其模型函数，大致可分为正弦模型算法和非正弦周期模型算法。 2.2.1 正弦函数模型算法

电力系统中的电压与电流的波形都非常接近正弦波，所以，可以用研究正弦波的方法来研究电力系统中的电压、电流。利用三角函数的特点，可以快速简单的计算出所需的电量参数。下面列出几种正弦函数模型的简单算法：

1、最大值算法

如果测量的正弦量为纯交流量，则可以通过采集最大值的方法来求出有效值。

设 Φ）（+=wt U m sin

u

则 m U 2

1

U =

（1） 同理 m I 2

1

I =

（2） 式中 m U 、m I 分别表示同步采样得到的电压、电流最大值。 2、单点算法

如果是三相对称的正弦信号，可以在某一时刻同时对三相线电流和线电压进行采集。这样，就可以算出各线电压，线电流的有效值，还有各相的有功和无功功率，采样时刻可以是任一时刻。

设在某一时刻t,对三相进行采集得到的各线电压分别是1u 、2u 、3u 。

又有)sin(1ψ+=wt U u m

)120sin(2︒-+=ψwt U u m )120sin(3︒++=ψwt U u m

所以

）

ψ（ψψ︒+++︒+++=++120w t sin )120-(sin )(sin 2

m 22

m 22

m 2

32

22

1U wt U wt U u u u )]120cos(wt -)120-cos2(wt -)(2cos 3[212

︒++︒++-=ψψψwt U m 223m U = 23U =

得 2

322213

1u u u U ++=

（3） 同理

2

223

1c b a i i i ++ （4） 又有)]150cos()30[cos(2

3

)()()(︒+-︒+=

-+-+-ψψm m a c ca c b bc b a ab I U i i u i i u i i u ︒︒+=60sin )90sin(

3m m ψI U ψcos 33a ab i u = P 9= 得)]()()([9

1

a c ca c

b b

c b a ab i i u i i u i i u P -+-+-=

（5）

由 )90cos(2

3

m m b ca a bc c ab ︒-=

++ψI U i u i u i u ψsin 3a ab i u = 得 ][39

1

b ca a b

c c ab i u i u i u Q ++=

（6） 3、半周期积分法

正弦函数具有在任意半个周期内绝对值的积分都是一个常数的特点，利用这个特点可以构成半周积分算法。

设，2msin ,u U wt T w

==π

则220

2sin cos T T m m

m U

U A U wtdt wt

w

w

=

=-=

⎰

把积分离散化，有 1

=2N

k

k T A u

π

=∑

所以：

11

2=422N N

K k U uk uk N N ===∑∑ππ

（7） 其中：N 为半周期的采样点数 同理：

1

22N

k I ik N

==

∑π （8）

4、两点乘积算法

相差为π/2角度的两点互为正余弦，利用这一特点可构成两点乘积算法，即对正弦电压、电流相差90°采两组值。

设所采的两组值分别为：

()1s i n m u U w t ϕ=+

()2sin 90

m u U wt ϕ+=+

所以：

()()222222

22

12sin

cos 2m m m u u U wt U wt

U U ϕϕ+=+++==

22

22

1212

122u u U u u +==+ （9）

同理：

221212I i i =

+ （10）