专利名称：一种高精度三相电能表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三相电能表，尤其涉及一种采样点数高、测量实时性强、测量精度高的高精度三相电能表。
背景技术：
目如国内使用的二相电能表的精度都在O.02级以下,精度不是很闻。目如二相电能表中所用的电流互感器采用的是无源补偿互感器，电流采样的稳定度和线性度都不够好；另一方面，计量过程中，采样点数不够高，测量实时性相对较差，这是由采样计算的方式决定的。传统三相电能表的采样计算方式如下根据捕获到的频率和采样点数发生采样时序脉冲；根据采样时序，在外部中断程序里将六路信号(三路电压和三路电流)的采样点数据分别存到六个数组中；在主循环程序里，用六个数组的数据来分别计算三路电压、三路电流、三路有功功率、三相无功功率、相位及电压之间的角度等等所有的电量数据，这些计算需要花费大量的时间。假若采样点数为512点，每个数组中将有512个数据，每个电量的计算都需要进行512个数据的平方和开根号。所有电量计算完成，需要进行16次512个数据的平方和开根号，对于主频相对较低的微处理器来说，一个周波内根本没法完成，对于主频相对较高的微处理器来说，在信号频率为60Hz以上时，也很难计算完成，因此影响了测量的实时性。而要照顾实时性的话，就必须牺牲采样点数，这样就会影响采样精度，因此传统三相电能表的精度不是很高。
发明内容本实用新型主要解决原有三相电能表电流采样的稳定性和线性度都不是很好，采样点数不够高、测量实时性相对较差，测量精度不够高的技术问题；提供一种高精度三相电能表，其电流采样有很好的稳定性和线性度，而且采样点数高、测量实时性强，测量精度高，精度能达到0.01%以内。本实用新型另一目的是提供一种高精度三相电能表，其通过采用信号隔离和电源隔离技术，避免了各部分电路之间的相互干扰，为信号的稳定提供又一道保障，进一步提高测量精度。本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的本实用新型包括三相电压输入电路、三相电流输入电路、光耦隔离电路、串并行数据转换电路、微处理单元、采样时序控制电路、键盘单元和显示单元及提供给高精度三相电能表工作电压的电源变压器，三相电压输入电路、三相电流输入电路分别经光耦隔离电路和所述的串并行数据转换电路的输入端相连，串并行数据转换电路的输出端、采样时序控制电路、键盘单元及显示单元分别和所述的微处理单元相连，采样时序控制电路又分别和三相电压输入电路、三相电流输入电路的时序控制端相连；三相电流输入电路中的每相电流输入电路包括有源补偿互感器、程控运放电路和AD转换电路，每相电流输入端子和有源补偿互感器的输入端相连，有源补偿互感器的输出端经程控运放电路和AD转换电路的输入端相连，AD转换电路的输出端和所述的光耦隔离电路的输入端相连，程控运放电路的控制端经所述的光耦隔离电路和所述的微处理单元相连，AD转换电路的时序控制端经所述的光耦隔离电路和所述的采样时序控制电路相连。三相电压输入电路、三相电流输入电路采集到的电压、电流值经光耦隔离电路后汇集到串并行数据转换电路，转换成并行数据后再输送给微处理单元，微处理单元经内部程序的分析和运算，最终将计量结果送到显示单元显示。通过有源补偿互感器进行电流取样，以提高电流采样的线性度和稳定度，通过光耦隔离电路将数字信号和模拟信号进行隔离，避免相互干扰，影响信号的稳定性，从而提高测量精度。微处理单元内存储有计量程序，包括外部中断�？楹椭餮纺？椋屏糠椒ú捎弥鸬愦矸椒ǎ鸬愦矸椒ㄎ獠恐卸夏？楦涸鸲寥『痛娲ㄈ龅缪共ㄐ问菁叭龅缌鞑ㄐ问莸囊蛔槭荩幻慷寥∫蛔槭荩赏獠恐卸夏？榻幸淮蔚缪怪岛偷缌髦档钠椒胶屠奂樱缓蠹跞デ耙桓霾ㄐ胃玫阄坏牡缪怪岛偷缌髦档钠椒胶停衙扛霾ㄐ蔚愕牡缪怪岛偷缌髦档钠椒胶妥魑屑渲荡娲⑵鹄矗竦玫缪沟缌饔行е灯椒胶停幻慷寥∫蛔槭荩赏獠恐卸夏？榻幸淮蔚缪购偷缌鞯牡愣缘阆喑瞬⒗奂樱缓蠹跞デ耙桓霾ㄐ胃玫阄坏牡缪购偷缌鞯牡愣缘愠嘶停衙扛霾ㄐ蔚愕牡缪购偷缌鞯牡愣缘愠嘶妥魑屑渲荡娲⑵鹄矗竦霉β视行е党嘶停恢餮纺？樵俣曰竦玫牡缪沟缌饔行е灯椒胶图肮β视行е党嘶徒写恚瓿杉屏�。通过逐点处理方法，由外部中断模块计算出电压电流有效值六路信号各1024点数据的平方和及功率有效值的十个点对点的乘积和，并不需要在主循环�？槔锶ソ泻芏嗟膄or循环程序。运用这种逐点运算的方法，主循环模块就相当简单了，省去了 16个1024次的for循环，只需要用实时算出来的平方和及乘积和进行一些简单的数据处理就可以了，电量计算耗时很少。因此，本实用新型采样点数高，实时性非常强，大大提高测量精度，精度能达到O. 01%以内。作为优�。龅挠性床钩セジ衅靼ㄒ淮稳谱镹1、二次绕组N2、补偿绕组N3和励磁绕组N4及主铁芯和辅助铁芯，一次绕组NI和有源补偿互感器所属的该相电流输入端子相连，二次绕组N2上并接有一个取样电阻R，二次绕组N2和所述的程控运放电路相连，补偿绕组N3和励磁绕组N4之间连接有一个补偿电路。用励磁绕组提取励磁电流，经过补偿电路，产生适当的补偿电流，注入补偿绕组。补偿电流在辅助铁芯中产生磁通，使主铁芯达到零磁通，从而减小误差。作为优�。龅娜嗟缪故淙氲缏分械拿肯嗟缪故淙氲缏钒ǖ缱璺盅沟缏�、程控运放电路和AD转换电路，每相电压输入端子经电阻分压电路和程控运放电路的输入端相连，程控运放电路的输出端和AD转换电路的输入端相连，AD转换电路的输出端和所述的光耦隔离电路的输入端相连，程控运放电路的控制端经所述的光耦隔离电路和所述的微处理单元相连，AD转换电路的时序控制端经所述的光耦隔离电路和所述的采样时序控制电路相连。用光耦隔离电路隔离控制信号，避免信号间的相互干扰，进一步提高三相电能表的测量精度。作为优�。龅母呔热嗟缒鼙戆ㄈ嘶缑婀た匕澹龅南允镜ピ�、键盘单元分别经人机界面工控板和所述的微处理单元相连。采用�？榛峁梗沧昂臀薅冀戏奖�。[0012]作为优�。龅牡缭幢溲蛊饔幸桓龀跫断呷I和十个次级线圈，其中次级线圈L2、次级线圈L4、次级线圈L6分别和每相电流输入电路中的模拟电路相连，次级线圈L3、次级线圈L5、次级线圈L7分别和每相电流输入电路中的数字电路相连，次级线圈L8和三相电压输入电路中的模拟电路相连，次级线圈L9和三相电压输入电路中的数字电路相连，次级线圈LlO和所述的串并行数据转换电路、微处理单元及采样时序控制电路相连，次级线圈LI I和所述的人机界面工控板相连。数字电路和模拟电路之间进行电源隔离，电压输入电路和电流输入电路之间进行电源隔离，三相电流输入电路之间进行电源隔离，避免了各部分电路之间的相互干扰，为信号的稳定提供又一道保障，进一步提高三相电能表的测量精度。本实用新型的有益效果是采样点数高，测量实时性强，电流采样具有很好的线性度和稳定性，通过电源隔离和信号隔离避免了各部分电路之间的相互干扰，为信号的稳定提供又一道保障，从而大大提闻二相电能表的测量精度，使其精度能达到O. 01%以内。
图1是本实用新型的一种电路原理连接结构框图。图2是本实用新型中有源补偿互感器的一种原理结构示意图。图3是本实用新型中电源变压器的一种原理结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。实施例本实施例的一种高精度三相电能表，如图1所不，包括三相电压输入电路1、三相电流输入电路2、光耦隔离电路3、串并行数据转换电路4、微处理单元5、采样时序控制电路6、键盘单元7、显示单元8和人机界面工控板9及提供给高精度三相电能表工作电压的电源变压器。三相电压输入电路I包括A相电压输入电路、B相电压输入电路和C相电压输入电路。A相电压输入电路包括电阻分压电路12、程控运放电路13和AD转换电路14，A相电压输入端子111经电阻分压电路12和程控运放电路13的输入端相连，程控运放电路13的输出端和AD转换电路14的输入端相连，AD转换电路14的输出端经光耦隔离电路3和串并行数据转换电路4的输入端相连，程控运放电路13的控制端经光耦隔离电路3和微处理单元5相连，AD转换电路14的时序控制端经光耦隔离电路3和采样时序控制电路6相连。B相电压输入电路包括B相电压输入端子112、电阻分压电路12、程控运放电路13和AD转换电路14，C相电压输入电路包括C相电压输入端子113、电阻分压电路12、程控运放电路13和AD转换电路14，B相、C相电压输入电路和A相电压输入电路结构相同，不再多述。三相电流输入电路2包括A相电流输入电路、B相电流输入电路和C相电流输入电路。A相电流输入电路包括有源补偿互感器22、程控运放电路23和AD转换电路24，如图2所示，有源补偿互感器22包括一次绕组N1、二次绕组N2、补偿绕组N3和励磁绕组N4及主铁芯221和辅助铁芯222，一次绕组NI和A相电流输入端子211相连，二次绕组N2上并接有一个取样电阻R，二次绕组N2和程控运放电路23的输入端相连，补偿绕组N3和励磁绕组N4之间连接有一个补偿电路223，程控运放电路23的输出端和AD转换电路24的输入端相连，AD转换电路24的输出端经光耦隔离电路3和串并行数据转换电路4的输入端相连，程控运放电路23的控制端经光耦隔离电路3和微处理单元5相连，AD转换电路24的时序控制端经光耦隔离电路3和采样时序控制电路6相连。B相电流输入电路包括B相电流输入端子212、有源补偿互感器22、程控运放电路23和AD转换电路24，C相电流输入电路包括C相电流输入端子213、有源补偿互感器22、程控运放电路23和AD转换电路24，B相、C相电流输入电路和A相电流输入电路结构相同，不再多述。如图1所示，串并行数据转换电路4的输出端和微处理单元5相连，采样时序控制电路6的输入端和微处理单元5相连，微处理单元5和人机界面工控板9相连，人机界面工控板9再分别和键盘单元7、显示单元8相连。本实施例中，微处理单元采用STM32F2XX单片机，其为32位ARM微处理器。六个AD转换电路均采用AD7634芯片，其为18位AD转换芯片。AD7634芯片的转换精度很高，数据宽度为18bit，转换速率也很高，最高达到了670ksps，并且无误码率。而STM32F2XX单片机内部配置有32位硬件乘法器和除法器，对于处理32位的采样数据是很简单的事情，计算速度非�？欤⑶沂荽娲⒋锏搅� 132k字节的空间，对于处理1024点采样并进行逐点运算这种需要很大数据缓存空间的算法而言，132k字节数据空间已经足够。这种硬件配置为三相电能表的高精度计量和采样实时性提供了硬件基础。本实施例中，电源变压器有一个初级线圈LI和十个次级线圈，采用R65铁芯，如图3所示，其中次级线圈L2、次级线圈L4、次级线圈L6分别和A相、B相、C相电流输入电路中的模拟电路相连，次级线圈L3、次级线圈L5、次级线圈L7分别和A相、B相、C相电流输入电路中的数字电路相连，次级线圈L8和A相、B相、C相电压输入电路I中的模拟电路相连，次级线圈L9和A相、B相、C相电压输入电路I中的数字电路相连，次级线圈LlO和底层核心数字电路相连，即和串并行数据转换电路4、微处理单元5及采样时序控制电路6相连，次级线圈Lll和人机界面工控板9相连。初级线圈有三个抽头，可以根据工频市电电压的幅值，选择IlOV输入或者220V输入，以满足国外IlOV市电的需求。微处理单元内存储有计量程序，包括外部中断�？楹椭餮纺？椋屏糠椒ú捎弥鸬愦矸椒ǎ鸬愦矸椒ㄎ獠恐卸夏？楦涸鸲寥『痛娲ㄈ龅缪共ㄐ问菁叭龅缌鞑ㄐ问莸囊蛔槭荩幻慷寥∫蛔槭荩赏獠恐卸夏？榻幸淮蔚缪怪岛偷缌髦档钠椒胶屠奂樱缓蠹跞デ耙桓霾ㄐ胃玫阄坏牡缪怪岛偷缌髦档钠椒胶停衙扛霾ㄐ蔚愕牡缪怪岛偷缌髦档钠椒胶妥魑屑渲荡娲⑵鹄矗竦玫缪沟缌饔行е灯椒胶停幻慷寥∫蛔槭荩赏獠恐卸夏？榻幸淮蔚缪购偷缌鞯牡愣缘阆喑瞬⒗奂樱缓蠹跞デ耙桓霾ㄐ胃玫阄坏牡缪购偷缌鞯牡愣缘愠嘶停衙扛霾ㄐ蔚愕牡缪购偷缌鞯牡愣缘愠嘶妥魑屑渲荡娲⑵鹄矗竦霉β视行е党嘶停恢餮纺？樵俣曰竦玫牡缪沟缌饔行е灯椒胶图肮β视行е党嘶徒写恚瓿杉屏�。下面具体对传统计量方法和逐点处理方法作一下比较如果三相电压和三相电流的频率为50Hz，采样点数为1024点，也就是每个周波(20ms)内进行1024次数据转换，那么采样频率F(S)=1024X50=51200Hz。每转换完一个数据，单片机都需要及时地把数据读取过来并进行存储。转换完成后，ADC芯片都会有一个转换完成信号，电路上把这个完成信号连接到单片机的外部中断引脚，这样每转换完成一个数据，单片机都会进行一次外部中断，通过外部中断程序来实现数据的读取和存储。六路信号就需要六个数据缓存来进行波形数据的存储，每个数据缓存的大小为1024个32位字(18位 ADC)。传统的计量方法是在外部中断�？槔铮桓涸鸲寥『痛娲⒘椴ㄐ问荩渌械缌坑行е档募扑愫褪荽矶挤诺街餮纺？槔�。这样一来，主循环�？榈募扑闳挝穹浅Ｖ�。我们先来看看用这种方法，每个周波主循环�？橛卸嗌偌扑懔竣傥思扑愕缪购偷缌鞯挠行е担枰扑懔沸藕鸥�1024个波形点数据的平方和，然后开根号。这样就需要完成6个1024次的for循环。②为了计算有功功率和无功功率有效值，需要计算六个电压波形数组和电流波形数组的点对点相乘并相加计算。这样又需要完成6个1024次的for循环。③为了计算电压之间的角度，需要计算四个电压波形数组和电流波形数组的点对点相乘并相加计算。这样又需要完成4个1024次的for循环。④除了以上16个1024次的for循环，还需要执行一些数据处理和数字滤波等程序。经测试，用传统方式，如果采用1024点32位数采样，即使单片机主频达到150MHz，在一个周波时间内(20ms)也根本无法完成上述计算内容。只有将采样点数减少到512点，且数据宽度减少到16位，50HZ的情况下，一个周波时间内才能勉强完成这些计算。如果频率增加到60HZ，计算就很可能完不成，这样就达不到每个周波算出一个有效值的实时性要求。本技术方案中的逐点处理方法，由外部中断�？榧扑愠龅缪沟缌饔行е盗沸藕鸥�1024点数据的平方和及功率有效值的十个点对点的乘积和，并不需要在主循环�？槔锶ソ泻芏嗟膄or循环程序。运用这种逐点运算的方法，主循环模块就相当简单了，省去了16个1024次的for循环，只需要用实时算出来的平方和及乘积和进行一些简单的数据处理就可以了。当然，要使用这种逐点运算的方法，对单片机的运算速度也是有要求的。外部中断的频率相当高，也就是前面算过的采样频率。50Hz信号，进行1024点采样，采样频率是51. 2kHz。所以外部中断里的程序执行时间应明显少于1/51. 2 ms (合计19. 5us)。如果考虑到最大65Hz，采样频率是66. 56kHz，外部中断里的程序执行时间应明显少于15us。本实施例运用32位ARM微处理器STM32F2XX单片机为核心，其主频为120MHz，经测试，逐点处理方法下，外部中断�？榈闹葱惺奔浯笤嘉狪Ous左右。所以，采用逐点处理方法，计算速度上完全没有问题。运用这种方式进行计算，采样及计量的实时性非常强，经过测试，所有电量计算完成，只需要4ms左右。本实施例的高精度三相电能表，采用5. 6寸真彩液晶显示器，界面美观；键盘设有数字键、方向键和功能快捷键，操作十分简单；电流互感器为有源补偿互感器，线性度和稳定度好；采用18位AD转换芯片进行采样；电源进行模数隔离，噪声干扰�。藕盼榷ǎ徊捎�1024点进行采样，且运用逐点处理方法进行电量计算，数据更新快，实时性好，测量精度高，精度等级能达到0.01%以内。
权利要求1.一种高精度三相电能表，其特征在于包括三相电压输入电路(I)、三相电流输入电路(2)、光耦隔离电路(3)、串并行数据转换电路(4)、微处理单元(5)、采样时序控制电路(6)、键盘单元(7)和显示单元(8)及提供给高精度三相电能表工作电压的电源变压器，三相电压输入电路(I )、三相电流输入电路(2)分别经光耦隔离电路(3)和所述的串并行数据转换电路(4)的输入端相连，串并行数据转换电路(4)的输出端、采样时序控制电路(6)、键盘单元(7 )及显示单元(8 )分别和所述的微处理单元(5 )相连，采样时序控制电路(6 )又分别和三相电压输入电路(I)、三相电流输入电路(2)的时序控制端相连；所述的三相电流输入电路(2 )中的每相电流输入电路包括有源补偿互感器(22 )、程控运放电路(23 )和AD转换电路(24)，每相电流输入端子和有源补偿互感器(22 )的输入端相连，有源补偿互感器(22 )的输出端经程控运放电路(23)和AD转换电路(24)的输入端相连，AD转换电路(24)的输出端和所述的光耦隔离电路(3)的输入端相连，程控运放电路(23)的控制端经所述的光耦隔离电路(3)和所述的微处理单元(5)相连，AD转换电路(24)的时序控制端经所述的光耦隔离电路(3 )和所述的采样时序控制电路(6 )相连。
2.根据权利要求1所述的一种高精度三相电能表，其特征在于所述的有源补偿互感器(22)包括一次绕组N1、二次绕组N2、补偿绕组N3和励磁绕组N4及主铁芯(221)和辅助铁芯(222 )，一次绕组NI和有源补偿互感器(22 )所属的该相电流输入端子相连，二次绕组N2上并接有一个取样电阻R，二次绕组N2和所述的程控运放电路(23)相连，补偿绕组N3和励磁绕组N4之间连接有一个补偿电路(223)。
3.根据权利要求1所述的一种高精度三相电能表，其特征在于所述的三相电压输入电路(I)中的每相电压输入电路包括电阻分压电路(12)、程控运放电路(13)和AD转换电路(14)，每相电压输入端子经电阻分压电路(12)和程控运放电路(13)的输入端相连，程控运放电路(13)的输出端和AD转换电路(14)的输入端相连，AD转换电路(14)的输出端和所述的光耦隔离电路(3)的输入端相连，程控运放电路(13)的控制端经所述的光耦隔离电路(3)和所述的微处理单元(5)相连，AD转换电路(14)的时序控制端经所述的光耦隔离电路(3)和所述的采样时序控制电路(6)相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高精度三相电能表，其特征在于包括人机界面工控板(9)，所述的显示单元(8)、键盘单元(7)分别经人机界面工控板(9)和所述的微处理单元(5)相连。
5.根据权利要求4所述的一种高精度三相电能表，其特征在于所述的电源变压器有一个初级线圈LI和十个次级线圈，其中次级线圈L2、次级线圈L4、次级线圈L6分别和每相电流输入电路中的模拟电路相连，次级线圈L3、次级线圈L5、次级线圈L7分别和每相电流输入电路中的数字电路相连，次级线圈L8和三相电压输入电路(I)中的模拟电路相连,次级线圈L9和三相电压输入电路(I)中的数字电路相连，次级线圈LlO和所述的串并行数据转换电路(4)、微处理单元(5)及采样时序控制电路(6)相连，次级线圈Lll和所述的人机界面工控板(9)相连。
专利摘要本实用新型涉及一种高精度三相电能表，包括三相电压输入电路、三相电流输入电路、光耦隔离电路、串并行数据转换电路、微处理单元及和微处理单元相连的采样时序控制电路、键盘单元和显示单元，三相电压输入电路、三相电流输入电路分别经光耦隔离电路、串并行数据转换电路和微处理单元相连。每相电流输入电路包括依次相连的电流输入端子、有源补偿互感器、程控运放电路和AD转换电路，采样时序控制电路和AD转换电路相连，程控运放电路和微处理单元相连。本实用新型电流采样具有很好的线性度和稳定性，通过电源隔离和信号隔离避免了各部分电路之间的相互干扰，而且采样点数高，测量实时性强，大大提高测量精度。
文档编号G01R21/133GK202903879SQ20122059126
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者袁建香, 冷学道, 陆峰杰 申请人:浙江涵普电力科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
