電能計(jì)量基礎(chǔ)理論-2.ppt

1 2 3 4 第一章電能計(jì)量概述 5 6 7 8 9 10 11 1 1 3瞬時(shí)無(wú)功功率 顯然 瞬時(shí)無(wú)功功率的均值為零 表示這部分功率不做功 但它表示負(fù)載與電源能量交換的狀況 12 1 1 3瞬時(shí)無(wú)功功率 1 瞬時(shí)電流 瞬時(shí)功率是由負(fù)載的性質(zhì)及所加的電壓決定的 2 有功電流與電壓同形 同步 相 即 是實(shí)常數(shù) 3 無(wú)功電流 即 并且與正交 4 上式同乘電壓 就得到 以上諸條在任何波形的條件下都成立 13 1 1 3瞬時(shí)無(wú)功功率 無(wú)功現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理1 若負(fù)載為純阻性 則電流電流與電壓同步 同形 電流是有功電流 無(wú)功電流 系統(tǒng)中沒(méi)有無(wú)功交換現(xiàn)象 14 1 1 3瞬時(shí)無(wú)功功率 2 若負(fù)載中存在儲(chǔ)能元件 或負(fù)載是非線性的 電流不可能與電壓同步 同形 這時(shí)電源除向負(fù)載提供與電壓同步 同形的有功電流外 還必須向負(fù)載提供一個(gè)無(wú)功電流 使 即電源除向負(fù)載提供一個(gè)有功功率 外 還必須提供一個(gè)無(wú)功功率 這個(gè)無(wú)功功率在電源與負(fù)載之間進(jìn)行流動(dòng)和交換 但并不作功 這是負(fù)載正常工作的必要條件和必然結(jié)果 這就是無(wú)功現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理 那種認(rèn)為只有負(fù)載中有儲(chǔ)能元件才能產(chǎn)生無(wú)功現(xiàn)象的理解是片面的 事實(shí)上負(fù)載的非線性是產(chǎn)生無(wú)功現(xiàn)象的一個(gè)重要原因 15 1 2平均功率 無(wú)功功率 視在功率 功率因數(shù)和復(fù)功率 16 1 2 2無(wú)功功率 17 1 2 2無(wú)功功率 為提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率 通常采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的功能是向負(fù)載提供無(wú)功電流 這樣從電源端看負(fù)載 負(fù)載就是一個(gè)純電阻性的器件 電源只須向負(fù)載提供有功電流就行了 從而提高了電網(wǎng)的運(yùn)行效率 18 1 2 3視在功率 定義 視在功率表示負(fù)載可吸收 消耗 的最大功率 也表示電源可供給的最大功率 單位為伏安 VA 正弦條件下 有功功率 無(wú)功功率 視在功率滿足功率三角形 19 1 2 4功率因數(shù) 20 1 2 5復(fù)功率 正弦條件下電壓向量電流向量復(fù)功率定義 21 1 3有功電能的測(cè)量 1 3 1單相有功電能計(jì)量 22 1 3 2三相電路有功電能計(jì)量 23 1 三相四線制有功電能計(jì)量 24 2 三相三線制有功電能計(jì)量 25 2 三相三線制有功電能計(jì)量 26 2 三相三線制有功電能計(jì)量 二表法由以上分析 我們可以得到二表法的三相三線有功電能的計(jì)量方法 27 2 三相三線制有功電能計(jì)量 28 1 4無(wú)功電能的計(jì)量 為了充分發(fā)揮供電設(shè)備的運(yùn)行效率 盡量減少無(wú)功電能損耗 加強(qiáng)對(duì)供電系統(tǒng)的無(wú)功測(cè)量和監(jiān)管是一項(xiàng)十分重要的工作 本節(jié)所討論的無(wú)功計(jì)量方法是基于正弦條件下的經(jīng)典方法 若用于諧波條件下 將會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)量誤差 這一點(diǎn)需要特別注意 29 1 4 1三相四線制無(wú)功電能計(jì)量 30 1 跨線法 1 跨線法 31 2 90 無(wú)功電能表 90 無(wú)功電能表原理圖90 無(wú)功電能表相量圖 32 式中 的相角的相角 2 90 無(wú)功電能表 電壓 電流 電壓 電流 測(cè)量單元 33 2 90 無(wú)功電能表 34 1 4 2三相三線無(wú)功電能的測(cè)量 35 1 590 移相法無(wú)功電能的計(jì)量 36 第二章電能表原理 37 第二章電能表原理 用來(lái)計(jì)量有功 無(wú)功電能的儀表稱為電能表 又叫電度表 千瓦 千乏 小時(shí)表 電能的測(cè)量不僅要反映負(fù)載功率 還要積算出負(fù)載消耗的電能 這是電能表的基本功能 近年來(lái) 隨著電能表向電子化 集成化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化方向的發(fā)展 電能表的功能也在不斷地?cái)U(kuò)展 從單一的電能計(jì)量功能 發(fā)展到用電的監(jiān)督 電能管理領(lǐng)域 取得了非常好的效果 并具有非常廣闊的發(fā)展前景 本章概要地介紹電能表的基本原理 結(jié)構(gòu) 各組成部分的功能及實(shí)現(xiàn)的方法 38 2 1電能表分類 可以從不同的角度對(duì)電能表進(jìn)行分類 例如按用途分類可分為 安裝式電能表 用于電能計(jì)量 和標(biāo)準(zhǔn)式電能表 用于電能表的校驗(yàn) 根據(jù)測(cè)量原理 電能累計(jì)方法的不同又可分為 電解式 以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ) 用于化工及有色金屬冶煉 機(jī)電式 又可分為 電動(dòng)式和感應(yīng)式 電動(dòng)式主要用于直流電能計(jì)量 感應(yīng)式用于交流電能計(jì)量 電子式 基于電子集成電路的電能表 另外還有特種電能表 如預(yù)付費(fèi) 最大需量 復(fù)費(fèi)率 多功能等電能表 39 2 2有功電能表的基本原理框圖 40 2 2有功電能表的基本原理框圖 41 2 2有功電能表的基本原理框圖 3 運(yùn)算對(duì)電子式電能表 平均功率通常用或轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換成頻率與之成正比的脈沖 送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù) 而對(duì)感應(yīng)式電能表 平均功率轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù) 推動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) 4 對(duì)功率的累計(jì)計(jì)算電能是平均功率對(duì)時(shí)間的積分運(yùn)算 只要對(duì)與功率成正比的脈沖用計(jì)數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù) 或用計(jì)數(shù)器對(duì)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)即可 42 2 3感應(yīng)式電能表 2 3感應(yīng)式電能表 43 2 3 1感應(yīng)式電能表 電壓元件線圈匝數(shù)很多 電感量很大 可以看作一個(gè)純電感 電流滯后電壓 電流元件線圈的匝數(shù)很少 電感量極小 產(chǎn)生的磁通可以看作與電流同相 電壓磁通只一次通過(guò)鋁盤 通過(guò)導(dǎo)磁板返回到電壓元件鐵芯 電流磁兩次通過(guò)鋁盤 根據(jù)電磁感應(yīng)定律 工作磁通在導(dǎo)體鋁盤上 要產(chǎn)生渦流 而通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到力的作用 從而使鋁盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 可以證明 鋁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 切割永久磁鐵產(chǎn)生的磁通 在鋁盤上產(chǎn)生感應(yīng)電流 并在鋁盤上產(chǎn)生制動(dòng)力矩 鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 在動(dòng)態(tài)平衡條件下 因此平均功率 在一段時(shí)間內(nèi)的電能 時(shí)間內(nèi) 鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù) 用計(jì)度器記錄轉(zhuǎn)數(shù)n 也就記錄了這段時(shí)間的電能 44 2 3 2電能表常數(shù) 定義 轉(zhuǎn)數(shù) 千瓦小時(shí) 式中 N 轉(zhuǎn)數(shù)E 電能 單位為千瓦小時(shí) 電能表常數(shù)表示電能表每千瓦小時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù) 是電能表的一個(gè)重要參數(shù) 并標(biāo)注在電能表的名牌上 45 2 3 3主要技術(shù)特性 46 2 3 3主要技術(shù)特性 2 靈敏度靈敏度又叫起動(dòng)電流 是指電能表在額定電壓 額定頻率及的條件下 負(fù)載電流從零增加到鋁盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最小電流與額定電流的百分比 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 這個(gè)電流不應(yīng)大于額定電流的0 5 3 潛動(dòng)潛動(dòng)是指電能表無(wú)載自轉(zhuǎn)的情況 按規(guī)定當(dāng)負(fù)載電流為零 電壓為額定電壓的 80 110 時(shí) 鋁盤的潛動(dòng)不應(yīng)超過(guò)一周 4 負(fù)載范圍即允許的負(fù)載電流范圍大小 它是電能表性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo) 所謂 寬負(fù)載電能表 是指這種電能表允許擴(kuò)大電流的使用范圍 例如超過(guò)額定電流的2倍 4倍 甚至6 8倍等 在允許超載的范圍內(nèi) 電能表的基本誤差不應(yīng)超過(guò)原規(guī)定的指標(biāo) 47 2 4電子式電能表的基本原理 所謂電子式電能表是以高度集成的電能測(cè)量芯片為核心器件的一種電能計(jì)量?jī)x表 因?yàn)闆](méi)有轉(zhuǎn)盤 所以這種電能表也稱為靜止式電能表 固態(tài)電能表 電子式電能表的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高 體積小 重量輕 功耗低 智能化程度高 功能多 性價(jià)比高 技術(shù)已經(jīng)完全成熟 可以斷言 將來(lái)電能表的市場(chǎng) 必定是電子式電能表的天下 不足之處是可靠性 壽命尚不及感應(yīng)式電能表 48 2 4 1基本工作原理及技術(shù)參數(shù) 49 2 技術(shù)參數(shù) 1 電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)脈沖fH 或fL 是指在額定電壓UN 額定電流IN輸入下 電能表所輸出的標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖fH和標(biāo)準(zhǔn)低頻脈沖fL 當(dāng)輸入功率改變時(shí) fH和fL也會(huì)跟著改變 頻率與輸入功率成正比 它是設(shè)計(jì)電子式電能表的一個(gè)重要參數(shù) 也是電子式電能表的最基本的技術(shù)參數(shù) 電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖fH和標(biāo)準(zhǔn)低頻脈沖fL的關(guān)系是fH fL n n是整數(shù) fL相當(dāng)于fH的均值 因此 fL可代表平均功率 而fH則代表短時(shí)有功功率 fH的功能是用校驗(yàn)電能表 而fL則用于驅(qū)動(dòng)計(jì)度器或顯示器 我們使用標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖fH可以方便地測(cè)量有功功率值 例如 額定電壓UN 200V 額定電流IN 5A fH 1kHz 則功率值可由求出 如果測(cè)得fx 0 5kHz 則被測(cè)功率 50 2 技術(shù)參數(shù) 51 第三章電能表的結(jié)構(gòu)與電路 52 3 1單相多功能電能表原理框圖 53 采樣測(cè)量電能表的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示 圖中采用了3片單相電能測(cè)量芯片實(shí)現(xiàn)三相四線電能的測(cè)量 3 2三相多功能電能表 緒論 54 電子電能表功能板框圖如下圖所示 3 2三相多功能電能表 55 3 3分時(shí)計(jì)量電能表 復(fù)費(fèi)率電能表 依據(jù)電網(wǎng)發(fā) 供 用電的實(shí)際情況 科學(xué)合理地將用電時(shí)間分段 對(duì)不同的用電時(shí)段按不同的電價(jià)計(jì)費(fèi) 采用多部電價(jià)制 使用經(jīng)濟(jì)手段調(diào)整用電負(fù)荷 使電網(wǎng)能夠經(jīng)濟(jì) 高效 安全運(yùn)行 56 3 3分時(shí)計(jì)量電能表 復(fù)費(fèi)率電能表 目前我國(guó)擬實(shí)行的電費(fèi)差價(jià)有 峰平谷電費(fèi)差價(jià) 季節(jié)差價(jià) 地區(qū)差價(jià) 超計(jì)劃用電差價(jià) 產(chǎn)品超耗用電差價(jià) 涉外差價(jià)等 分時(shí)計(jì)量電能表是配合電價(jià)改革的重要計(jì)量設(shè)備之一 它可以分別計(jì)量 記錄一天中不同時(shí)段發(fā)出或消耗的有功電能和無(wú)功電能 科學(xué) 靈活地運(yùn)用分時(shí)計(jì)量電能表 能夠方便地記錄電力負(fù)荷的峰谷時(shí)間 不同季節(jié)以及超計(jì)劃使用的電量等 因此 分時(shí)計(jì)量電能表不僅能按分部電價(jià)收費(fèi)提供依據(jù) 還能為技術(shù) 經(jīng)濟(jì)管理決策提供依據(jù) 時(shí)控部分 時(shí)基信號(hào)將分頻后得到秒信號(hào) 將秒信號(hào)經(jīng)900分頻得到15min一個(gè)脈沖的時(shí)間信號(hào) 用兩位的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)錄這個(gè)脈沖 并進(jìn)行編碼控制 如要7 15信號(hào) 這這時(shí)計(jì)度器應(yīng)計(jì)錄4 7 1 29個(gè)脈沖 即當(dāng)計(jì)度器計(jì)錄到24時(shí) 譯碼器即輸出控制信號(hào) 又如16 45 當(dāng)計(jì)度器計(jì)錄到4 16 3 67時(shí) 譯碼器則輸出一個(gè)控制信號(hào) 到0時(shí) 清零 存儲(chǔ)器的作用是使分?jǐn)嗲袚Q時(shí)不足分頻數(shù)的脈沖存儲(chǔ)起來(lái) 待下次時(shí)段切換回來(lái)時(shí)再加上去 從而不丟失脈沖 57 3 4最大需量電能表 電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí) 當(dāng)電力負(fù)荷峰谷差別過(guò)大時(shí) 將使電力系統(tǒng)運(yùn)行效率大大降低 為了平抑電網(wǎng)負(fù)荷曲線 提高電網(wǎng)運(yùn)行效率 對(duì)大中型電力用戶采用計(jì)量其最大需量的方法 引導(dǎo)用戶均衡用電 是當(dāng)前電能管理的一個(gè)重要方法 電能需量 是指在某一指定時(shí)間間隔內(nèi)電能用戶消耗功率的平均值 這一事件間隔通常稱為需量積算周期 我國(guó)規(guī)定積算周期為15min 需量To 積算周期 瞬間功率 58 3 4最大需量電能表 例 某機(jī)電脈沖式電能表的儀表常數(shù)為1500r kWh 它每轉(zhuǎn)產(chǎn)生兩個(gè)脈沖 求由輸出脈沖f0 求需量P 解 由儀表常數(shù)知 3000個(gè)脈沖 kWh 則脈沖當(dāng)量為 w 即電能脈沖經(jīng)750分頻后 再在15min內(nèi)積算即得需量值 最大需量是指每次測(cè)量得到的需量值 都與前一次測(cè)量的需量值相比較 保留大的值 去掉小的值 如此不間斷進(jìn)行 則在一個(gè)結(jié)算周期內(nèi) 電能表保留的即是最大需量值 測(cè)得的最大需量與設(shè)定的最大需量值比較 若超限即可發(fā)出警報(bào) 同時(shí)計(jì)入超限次數(shù) 當(dāng)超過(guò)需量限定值規(guī)定時(shí)間后 就會(huì)發(fā)出控制信號(hào) 切斷電源 59 3 5預(yù)付費(fèi)電能表 60 3 6電子式電能表的輸入變換電路 如前所述 輸入變換電路的功能是將高的電壓 大電流規(guī)范到乘法器的輸入范圍 需要時(shí) 還可實(shí)現(xiàn)儀表與電網(wǎng)電氣上的隔離 1 電阻取樣電路電阻取樣電路的原理如圖所示 它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單 成本低 缺點(diǎn)是不能進(jìn)行電氣上的隔離 一般使用在單相電能表上 取樣電壓 取樣電流轉(zhuǎn)換的電壓 一般R3采用錳銅片電阻 61 3 6電子式電能表的輸入變換電路 62 3 6電子式電能表的輸入變換電路 3 混合取樣電路圖a中T1T2都是電流互感器 電阻R1的阻抗遠(yuǎn)大于電流互感器的激磁感抗 電流副邊電壓 這個(gè)電路的電流iu t 將稍微滯后于電壓u t 因此應(yīng)作超前補(bǔ)償 圖b中電流路的取樣是由取樣電阻和電壓互感器混合構(gòu)成 電流取樣電阻的阻抗遠(yuǎn)小于電壓互感器的激磁感抗 因此電壓互感器的原端電壓取決于取樣電阻 所以副邊電壓 圖a圖b 63 第四章電能表乘法器電路與電能計(jì)量模塊 64 4 1乘法器電路 乘法器的功能是將被測(cè)電壓 電流進(jìn)行瞬時(shí)相乘 得到瞬時(shí)功率 乘法器是電能表的核心的電路 電能表中常用的乘法器分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器 模擬乘法器又分為變跨導(dǎo)乘法器 又稱希爾伯特乘法器 和時(shí)分割乘法器 數(shù)字乘法器又分為硬件乘法器 由移位乘法器和加法器構(gòu)成 和軟件乘法器 利用乘法指令 由乘法運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn) 65 4 1 1時(shí)分割乘法器 時(shí)分割乘法器由于工作原理簡(jiǎn)單 制作技術(shù)成熟 線性度好 最好的情況下 準(zhǔn)確度可以做0 01級(jí) 因此 在功率 電能儀表中 尤其是在標(biāo)準(zhǔn)儀表中 得到廣泛的應(yīng)用 時(shí)分割乘法器又分為三角波比較型和回差式兩大類 66 67 68 2 回差式時(shí)分割乘法器 如圖所示 積分器A1和回差比較器構(gòu)成對(duì)電壓ux t 的時(shí)間分割電路 脈沖調(diào)寬 即把電壓ux t 的瞬時(shí)值調(diào)制為脈沖寬度分割值 在T1時(shí)間內(nèi) 回差比較器的比較電平為高電位Vh 輸出脈沖處于高電平 開關(guān)K1接通 VN 選擇 所以積分器上斜積分 在達(dá)到比較電平Vh時(shí) 比較器翻轉(zhuǎn) 比較電平跳到VL 變?yōu)榈碗娖?開關(guān)K1接VN 這時(shí) 積分器下斜積分 直至達(dá)到比較電平VL時(shí) 比較器翻轉(zhuǎn) 又重復(fù)前面的過(guò)程 69 2 回差式時(shí)分割乘法器 根據(jù)電荷平衡原理 放大器A2構(gòu)成鏡像電流源 電流源與開關(guān)K2構(gòu)成對(duì)電流iy t 的幅度調(diào)制電路 在T1時(shí)間內(nèi) 開關(guān)K2接 3 在T2時(shí)間內(nèi) 開關(guān)K2接 4 由于濾波電路設(shè)計(jì)成差動(dòng)電路 所以這個(gè)過(guò)程等效于在T1時(shí)間內(nèi)接iy t 在T2時(shí)間內(nèi)接 iy t 與三角波比較電路相同的原理 完成了電壓 電流瞬時(shí)值的相乘 并同時(shí)完成低通濾波運(yùn)算 輸出電壓 三角波比較式電路的優(yōu)點(diǎn)是乘法器的相移可以忽略 但抗干擾能力較差 適用于實(shí)驗(yàn)室儀表 回差式電路抗干擾能力強(qiáng) 但乘法器有相移 在高精確度使用時(shí) 需進(jìn)行相移補(bǔ)償 70 4 1 2變跨導(dǎo)乘法器 希爾伯特乘法器 4 1 2變跨導(dǎo)乘法器 希爾伯特乘法器 71 4 1 3數(shù)字乘法器 72 1 采用FIR數(shù)字濾波器 73 2 采用IIR數(shù)字濾波器 IIR數(shù)字濾波器稱為無(wú)限單位沖激響應(yīng)濾波器 這種濾波器有很好的通帶和阻帶衰減特性 只要滿足采樣定理的要求 抽樣是否同步對(duì)濾波的誤差影響略小 這種濾波器的運(yùn)算結(jié)構(gòu)是一種滑動(dòng)平均運(yùn)算結(jié)構(gòu) 在相同濾波效果的條件下 它的階數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于FIR數(shù)字濾波器 事實(shí)上 FIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)是它的線性相位 即使通帶內(nèi)的信號(hào)不產(chǎn)生失真 作為一個(gè)低通濾波器 前述的FIR平均濾波算法 它在阻帶內(nèi)的衰減特性是最不好的 因此 在DSP運(yùn)算速度滿足要求的條件下 可以考慮采用IIR數(shù)字濾波器 對(duì)電能表而言 電能的計(jì)量是對(duì)功率的時(shí)間積分 長(zhǎng)時(shí)間的積分本身就是一個(gè)理想的低通濾波器 74 2 采用IIR數(shù)字濾波器 因此 對(duì)IIR數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)沒(méi)有很高的要求 需要注意的是以下幾點(diǎn) 功率諧波不應(yīng)使濾波器的輸出產(chǎn)生負(fù)值 因?yàn)檗D(zhuǎn)換電路要使記度器或計(jì)數(shù)器減脈沖 這在技術(shù)上是復(fù)雜的 電能表檢定時(shí) 對(duì)功率的積分時(shí)間是短的 因此要設(shè)計(jì)濾波器的技術(shù)指標(biāo)滿足檢定要求 當(dāng)采用FIR平均值求功率算法時(shí) 不應(yīng)采用數(shù)據(jù)的批處理算法 而應(yīng)采用滑動(dòng)平均的算法 即采到新的一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí) 就去掉最早的一個(gè)數(shù)據(jù) 然后立即計(jì)算新的平均功率值 這樣由非同步采樣產(chǎn)生的功率誤差是均值接近零 在電能的積分運(yùn)算時(shí) 可以忽略 75 4 2P f變換器 乘法器輸出的功率信號(hào)需經(jīng)P f變換器電路轉(zhuǎn)化成頻率與功率成正比的脈沖信號(hào) 并使之驅(qū)動(dòng)記度器 或用計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù) 從而累計(jì)電能值 不同的乘法器后面應(yīng)接不同的P f變換電路 76 4 2 1I f變換器 若時(shí)分割乘法器的輸出是電流型的 那么它后面應(yīng)接I f變換電路 它實(shí)際上是一種A D轉(zhuǎn)換器 能把模擬電流量轉(zhuǎn)換為頻率與之成正比的脈沖信號(hào) 常用電荷平衡的原理進(jìn)行變換 電路如圖所示 由四部分組成 A1構(gòu)成反相積分器 A2為過(guò)零比較器 T0時(shí)間定時(shí)器和I0恒流源 77 4 2 1I f變換器 78 4 2 2D f變換器 79 80 81 2 ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形 下圖給出了一階 ADC的原理框圖 虛線框內(nèi)是 調(diào)制器 它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為由0和1構(gòu)成的連續(xù)串行位流 1位DAC由串行輸出數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng) 1位DAC的輸出以負(fù)反饋與輸入信號(hào)求和 根據(jù)反饋控制理論可知 如果反饋環(huán)路的增益足夠大 DAC輸出的平均值 串行位流 接近輸入信號(hào)的平均值 82 2 ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形 ADC調(diào)制器的工作原理還可以下圖所示對(duì)上圖中 A B C D各點(diǎn)的信號(hào)波形圖描述 其中圖 a 是輸入電壓UIN 0的情況 輸出為0 1相間的數(shù)據(jù)流 如果數(shù)字濾波器對(duì)每8個(gè)采樣值取平均 所得到的輸出值為4 8 這個(gè)值正好是3位雙極性輸入ADC的零 當(dāng)輸入電壓UIN 1 4UREF 則信號(hào)波形如圖 b 所示 求和輸出點(diǎn)A的正 負(fù)幅度不對(duì)稱 引起正 反向積分斜率不等 于是調(diào)制器輸出1的個(gè)數(shù)多于0的個(gè)數(shù) 如果數(shù)字濾波器仍對(duì)每8個(gè)采樣值取平均 所得到的輸出值為5 8 這個(gè)值正是3位雙極性ADC輸入對(duì)應(yīng)于 1 4UREF的轉(zhuǎn)換 83 2 ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形 84 2 ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形 由于積分器對(duì)于高頻輸入 輸出主要是量化噪聲 實(shí)際上模擬濾波器對(duì)輸入信號(hào)具有低通濾波作用 因此可將對(duì)調(diào)制器的模擬濾波器的作用看作一種噪聲整形濾波器 整形后的量化噪聲分布見下圖 同一般的濾波器一樣階數(shù)越高其濾波性能越好 因此高階調(diào)制器得到廣泛應(yīng)用 圖中給出了 調(diào)制器的信噪比與階數(shù)和過(guò)采樣倍率之間的關(guān)系 其中SNR為信噪比 K為過(guò)采樣倍率 例如 當(dāng)K 64 一個(gè)理想的二階系統(tǒng)的信噪比大約80dB 分辨率大約相當(dāng)于13位的ADC 85 2 ADC的調(diào)制器和量化噪聲整形 86 3 數(shù)字濾波和采樣抽取 調(diào)制器對(duì)量化噪聲整形以后 將量化噪聲移到所關(guān)心的頻帶以外 然后對(duì)整形的量化噪聲進(jìn)行數(shù)字濾波 如下圖 b 所示 數(shù)字濾波的作用有兩個(gè) 一是必須起到抗混疊濾波器的作用 二是必須濾除在噪聲整形過(guò)程中產(chǎn)生的高頻噪聲 87 3 數(shù)字濾波和采樣抽取 因?yàn)閿?shù)字濾波器降低了帶寬 所以輸出數(shù)據(jù)速率要低于原始采樣速率 直至滿足奈奎斯特定理 降低輸出數(shù)據(jù)速率的方法是通過(guò)對(duì)每輸出M個(gè)數(shù)據(jù)抽取1個(gè)的數(shù)字重采樣方法實(shí)現(xiàn)的 這種 方法稱作輸出速率降為1 M的采樣抽取 decimation M 4的采用抽取如下圖所示 其中x n 的重采樣率已被降到原來(lái)采樣速率的1 4 這種采樣抽取方法不會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生任何損失 它實(shí)際上是去除過(guò)采樣過(guò)程中產(chǎn)生的多余信號(hào)的一種方法 88 數(shù)字濾波即可用有限脈沖響應(yīng) FIR 濾波器也可用無(wú)限脈沖響應(yīng) IIR 濾波器或者是兩者的組合 FIR濾波器具有容易設(shè)計(jì)能與采樣抽取過(guò)程合并計(jì)算 穩(wěn)定性好 具有線性相位特性等優(yōu)點(diǎn) 但它可能需要計(jì)算大量的系數(shù) IIR濾波器由于使用了反饋環(huán)路從而提高濾波效率 但I(xiàn)IR濾波器具有非線性特性 不能與采樣抽取過(guò)程合并計(jì)算 而且需要考慮穩(wěn)定性和溢出等問(wèn)題 所以應(yīng)用起來(lái)比較復(fù)雜 交流應(yīng)用場(chǎng)合大多數(shù) ADC的采樣抽取濾波器都用FIR濾波器 3 數(shù)字濾波和采樣抽取 89 4 3電能計(jì)量模塊 為了適應(yīng)電子式電能表的需要 國(guó)內(nèi)外許多公司都推出了多種電能計(jì)量專用集成電路 只需配上少量的外圍電路和相應(yīng)軟件 就可構(gòu)成滿足多種需要的電子式電能表 使用先進(jìn)的電能計(jì)量模塊是今后電能表設(shè)計(jì)制作的方向 90 91 4 4電能表的相角誤差分析 92 第五章離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí) 93 5 1 1典型的離散時(shí)間信號(hào) 1 單位抽樣信號(hào)2 脈沖串信號(hào) 94 5 1 1典型的離散時(shí)間信號(hào) 3 正弦序列 95 5 1 1典型的離散時(shí)間信號(hào) 4 單位階躍序列 96 2 2 1 2 2 1 97 5 1 2離散時(shí)間 LSI 系統(tǒng)及其輸入輸出關(guān)系 98 99 2 2 5 100 101 102 103 104 105 5 2 1采樣測(cè)量方法 1 分時(shí)采樣 圖 信號(hào)的分時(shí)采樣 106 5 2 1采樣測(cè)量方法 2 同時(shí)采樣 圖b信號(hào)的同時(shí)采樣 對(duì)輸入信號(hào)u i的同一時(shí)刻瞬時(shí)值采樣 稱作同時(shí)采樣 如圖b所示 同時(shí)采樣方案可以克服信號(hào)不穩(wěn)定 信號(hào)中噪聲對(duì)過(guò)零檢測(cè)器的影響后所導(dǎo)致的定時(shí)信號(hào)出現(xiàn)微小偏差對(duì)采樣的影響 但是 當(dāng)輸入信號(hào)的個(gè)數(shù)增加時(shí) b方案的硬件 采樣保持器 也隨之增加 成本相對(duì)略高 107 108 109 如果把和看作是一個(gè)函數(shù)f t 的話 不考慮開方運(yùn)算 則式 5 2 1 5 2 2 5 2 3 可以表示成以下形式 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 且 120 121 122 5 3采樣測(cè)量算法誤差的一般表達(dá)形式 5 3 1周期偏差 采樣截?cái)嘟呛屯秸`差 如果用T 表示采樣周期 則T nts 在采樣時(shí)間 0 T 上等間隔采樣n 1個(gè)點(diǎn) 且 則對(duì)f t 的數(shù)值求積公式為 5 3 4 5 3 5 則表示由于未能按照定義在信號(hào)周期T上求平均值所產(chǎn)生的定義誤差 由數(shù)值積分的理論可知用求和結(jié)果F表示積分值時(shí) 要引起一個(gè)數(shù)值求積截?cái)嗾`差 n表示在n個(gè)點(diǎn)上求積 f表示對(duì)函數(shù)f數(shù)值求積運(yùn)算 引入后有 5 3 6 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 2非同步采樣的起始方法與電路實(shí)現(xiàn) 在非同步采樣測(cè)量中 其中一種方法是在被測(cè)信號(hào)過(guò)零時(shí)開始采樣 當(dāng)被測(cè)信號(hào)是正弦信號(hào) 且過(guò)零起始采樣時(shí) 采樣起始點(diǎn)與電壓過(guò)零點(diǎn)間的角度 除起始過(guò)零開始采樣的方法外 另一種方法是在起始點(diǎn)不過(guò)零點(diǎn)開始采樣 起始采樣點(diǎn)選取的原則是應(yīng)使測(cè)量截?cái)嗾`差最小 135 136 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 137 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 138 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 139 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 140 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 141 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 142 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 143 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 144 5 5非同步采樣測(cè)量技術(shù) 5 5 3非同步采樣算法誤差分析 145 第六章準(zhǔn)同步采樣測(cè)量技術(shù)及算法 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 該式證明了在復(fù)化矩形算法時(shí) 式 6 2 7 是正確的 式 6 2 7 的物理意義為 當(dāng)遞推次數(shù)足夠多時(shí) 準(zhǔn)同步采樣算法的誤差可以足夠少 實(shí)際使用中 當(dāng)時(shí) 只遞推三次便可達(dá)到10準(zhǔn)確度 6 2 2準(zhǔn)同步采樣基本算法的理論分析 5 158 第七章畸變波形條件下電能的計(jì)量 159 第七章畸變波形條件下電能的計(jì)量 隨著非線性負(fù)載 沖擊性負(fù)載在電網(wǎng)的大量應(yīng)用 電網(wǎng)的電能質(zhì)量日趨惡化 理論分析和實(shí)踐表明 它不僅危及電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行 還對(duì)電能的計(jì)量提出了新的挑戰(zhàn) 例如 對(duì)非線性 沖擊性負(fù)載電能用戶 現(xiàn)有的電能計(jì)量?jī)x表將產(chǎn)生非常大的計(jì)量誤差 會(huì)給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失 又如 在正弦條件下定義的無(wú)功 在畸變波形條件下已失去意義 雖然學(xué)者們提出了許多的新的無(wú)功的定義 但至今沒(méi)有公認(rèn)的 統(tǒng)一的無(wú)功定義問(wèn)世 致使無(wú)功計(jì)量處于無(wú)所適從的狀態(tài) 因此 從基本理論的研究 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂 電能計(jì)量?jī)x表的開發(fā)等各個(gè)方面提出了新的問(wèn)題 需要我們?nèi)パ芯亢徒鉀Q 本章僅就這方面的問(wèn)題作簡(jiǎn)要介紹 僅供參考 160 1 IEC推薦的無(wú)功定義 式中 是K次諧波電壓與電流的相位差 這個(gè)定義是正弦無(wú)功定義的一個(gè)自然延伸 它只考慮了同次諧波的無(wú)功 不同頻率之間的無(wú)功沒(méi)有考慮 并且它對(duì)無(wú)功的補(bǔ)償也提供不了任何幫助 在這個(gè)定義下 測(cè)量方法的框圖如圖7 7所示 圖7 7無(wú)功測(cè)量框圖希爾伯特濾波的傳遞函數(shù) 7 1畸變波形下功率的定義 161 1 IEC推薦的無(wú)功定義 162 2 功率三角形定義 由可得式中 有功電流有效值 無(wú)功電流有效值 上式等式兩邊同乘電壓有效值的平方可得無(wú)功功率這個(gè)定義作為無(wú)功的量度可取的 但對(duì)理解各種功率現(xiàn)象無(wú)任何幫助 對(duì)無(wú)功和諧波的補(bǔ)償也無(wú)任何指導(dǎo)意義 163 3 瞬時(shí)無(wú)功理論 三相瞬時(shí)無(wú)功理論首先于1983年由日本人赤木泰文提出 此后該理論不斷研究逐漸完善 在有源無(wú)功 諧波補(bǔ)償中發(fā)揮了重要作用 今年來(lái) 國(guó)內(nèi)不少學(xué)者試圖在這一理論的基礎(chǔ)上提出新的無(wú)功理論 做了不少工作 也取得了一些進(jìn)展 但并沒(méi)有獲得突破性的進(jìn)展 有的專家評(píng)論這一理論的物理意義較為模糊 與傳統(tǒng)理論的關(guān)系不夠明確 用于無(wú)功電能的計(jì)量時(shí)遇到了困難 由于這一理論比較復(fù)雜 這里不再贅述 164 7 2畸變波形產(chǎn)生的機(jī)理 7 2 1線性負(fù)載指由電阻 電感 電容及其組合構(gòu)成的負(fù)載網(wǎng)絡(luò) 這樣的系統(tǒng)稱之為線性系統(tǒng) 當(dāng)電壓為純正弦時(shí) 負(fù)載電流也一定為純正弦 只是會(huì)產(chǎn)生相位的變化 這個(gè)特點(diǎn)是我們判斷一個(gè)系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的簡(jiǎn)單而有效的辦法 如果電流的波形產(chǎn)生了畸變 也就是說(shuō)產(chǎn)生了新的頻率成分 我們就可以斷定負(fù)載是非線性的 165 7 2 2非線性負(fù)載 166 7 2 3沖擊性負(fù)載 167 7 2 3沖擊性負(fù)載 168 7 3諧波條件下的有功電能 設(shè)平均功率式中 K次諧波電壓有效值 K次諧波電流有效值 169 7 4諧波電能所占分量的估計(jì) 平均功率可以分解為基波功率 式中 基波電壓 基波電流 諧波功率 式中 諧波電壓 諧波電流 170 6 4諧波電能所占分量的估計(jì) 171 7 4諧波電能所占分量的估計(jì) 對(duì)于線性負(fù)載用戶 通常電壓 電流的波形畸變率都比較小 例如設(shè)時(shí) 上式的估計(jì)是諧波分量功率占總功率份額的最大估計(jì) 因此對(duì)線性負(fù)載用戶而言 諧波電能的分量所占比率是很少的 而對(duì)非線性負(fù)載用戶 電流的畸變率是很大的 通常這種情況下 功率因數(shù)是很小的 例如設(shè)時(shí) 諧波電能所占份額變得很大 不能忽略 172 7 5當(dāng)前對(duì)非線性負(fù)載電能用戶在電能計(jì)量中存在問(wèn)題的分析 173 174 7 5當(dāng)前對(duì)非線性負(fù)載電能用戶在電能計(jì)量中存在問(wèn)題的分析 即 把上式兩端同乘 并積分求平均值得式中是線路阻抗所消耗的諧波功率 因?yàn)榫€路阻抗是線性的 因此一定是正的功率 由此可以推斷 負(fù)載消耗的諧波功率由式 7 2 可以看出 功率P確實(shí)是負(fù)載消耗的有功功率 是負(fù)載從電網(wǎng)吸收的基波有功功率 是負(fù)的諧波功率 我可以把非線性負(fù)載理解為一個(gè)諧波源 它把一部分正弦電能轉(zhuǎn)化為諧波電能 作為電網(wǎng)垃圾回饋給電網(wǎng) 并從電能計(jì)量中扣除掉 這顯然是不合理的 所以有些專家認(rèn)為解決問(wèn)題的根本方法是國(guó)家采取強(qiáng)制性措施治理諧波污染 權(quán)益之計(jì)是對(duì)這類用戶采用基波電能表進(jìn)行電能計(jì)量 175 7 5當(dāng)前對(duì)非線性負(fù)載電能用戶在電能計(jì)量中存在問(wèn)題的分析 176 7 5當(dāng)前對(duì)非線性負(fù)載電能用戶在電能計(jì)量中存在問(wèn)題的分析 得平均功率 7 4 在式 6 2 的分析中 第二 三項(xiàng)為零 但當(dāng) 為隨機(jī)信號(hào)時(shí) 就不能判斷式 6 4 中的第二 三項(xiàng)為零 所以把第二 三項(xiàng)合并 去掉為負(fù)值的畸變功率第四項(xiàng) 得 7 5 式中 畸變功率式 7 5 可以作為研制適用沖擊性負(fù)載電能用戶電能表的理論依據(jù) 很容易看出 當(dāng) 為高次諧波信號(hào)時(shí) 式 7 5 就變?yōu)槭?7 2 按式 7 5 制造的電能表就退化為基波電能表 所以也適用于諧波用戶 177 7 6畸變波形條件下無(wú)功電能的計(jì)量 這是一個(gè)尚無(wú)定論 估計(jì)要長(zhǎng)期討論下去的一個(gè)熱門話題 7 6 1非線性負(fù)載條件下無(wú)功現(xiàn)象的物理含義在線性負(fù)載條件下 由于負(fù)載中儲(chǔ)能元件的存在 使儲(chǔ)能元件與電源之間產(chǎn)生了能量的交換 從而產(chǎn)生了無(wú)功現(xiàn)象 這是大家所熟知的 而有些非線性負(fù)載中 并沒(méi)有儲(chǔ)能元件 卻同樣存在無(wú)功現(xiàn)象 它產(chǎn)生的機(jī)理是什么 這兩種性質(zhì)不同的負(fù)載 它們產(chǎn)生無(wú)功的機(jī)理能否得到統(tǒng)一的解釋 無(wú)功的本質(zhì)到底是什么 只有把這些問(wèn)題搞清楚了 才能對(duì)無(wú)功現(xiàn)象給出合理的本質(zhì)的解釋 才能判斷現(xiàn)在一些無(wú)功定義的優(yōu)劣 178 1 預(yù)備知識(shí) 在分析正弦電路時(shí) 我們通常把電壓 電流作為相量 從而使問(wèn)題的分析變得簡(jiǎn)捷而直觀 這個(gè)概念也可以推廣到非正弦電