基于真有效值转换的宽频带电参数测试仪的设计

黄燕

摘  要：随着电力系统的不断发展，特别是整流器、逆变器等非线性负荷的大量使用，系统运行出现了各种各样的问题，如电压、电流波形严重畸变、高次谐波的出现，但是传统电参数测量仪器大多是针对工频50Hz而设计的，使用已有的测量仪器已经不能准确测量现在的电参数，文章研究分析了各种交流电参数的测量方法，设计了文中提出的基于真有效值转换的电参数测试仪系统。该系统对50Hz-20kHz的宽频带输入信号有较高准确度。

关键词：电参数测量;真有效值转换;宽频带

中图分类号：TM933         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0101-02

引言

目前常用的电能装置有传统的感应式电能表、电子式电能表两类。市面上出现的或者居家所使用的电能表基本上为电子式电能表。这种电能表可以实现功率、电流、频率的测量。但是测量频带较窄，谐波存在的畸变信号存在较大误差[1]。本系统采用真有效值转换电路作为核心部分，对电参数进行测量，真有效值轉换电路可以测量任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度，并且测量准确度高、频带范围宽、响应速度快[2]。

1 系统总体结构

从图1可以看出，本系统主要分为三大模块：信号输入模块、有效值转换模块和微处理器处理模块。

信号输入模块是输入的交流电压、电流信号两路分别经过衰减、分流处理后，输入到真有效值转换器和频率和相位测量模块。得到对应的测量值后由A/D转换电路进行数模转换，再通过高速光电隔离后送入STM32F103VET6进行数据处理，在显示器上显示出来。

2 电参数测量原理

输入u（t）和i（t）两路信号，通过加法器产生u（t）+i（t），分别经过有效值转换电路得到Urms、（U+I）rms和Irms，然后将测得的数据送入到STM32F103VET6获得功率的值以及其他可用电压和电流计算得到的电参数。

2.2 频率的测量原理

测量频率的方法有两种：模拟法和计数法。电子计数法是按照频率的定义进行测量，原理简单，随着数字电子技术和集成电路的发展，逐步发展并渐渐代替了模拟法。

测频法的基本原理就是对确定时间T内被测信号出现的次数N进行计数，则被测信号的频率fx=N/T[3]。如图3所示利用STM32的两个定时器计数器对频率进行测量：定时器2控制计数闸门，定时器3用作计数器对被测信号进行计数。

2.3 相位的测量原理

本系统中测量相位采用的是过零检相法[4]。该方法的原理是：首先将输入的两个被测信号通过过零比较电路放大整形为两个方波信号，其上升沿和下降沿分别对应与被测信号的正向过零点和负向过零点，这两个被测信号的上升沿（下降沿）之间的时间差即为这被测信号之间的相位差，如图4所示。

3 系统性能测试

为了验证文中系统的性能，分别输入频率为50Hz、5kHz、9kHz、20kHz幅值为1V、2V、3V、4V的交流信号，测量结果如表1所示。交流电压基准源由FLUKE5502A多功能校准器提供，转换器输出采用FLUKE8846A进行测量。

从图5可以明显看出，使用本系统后，频率范围在50Hz～20kHz的交流信号可转换成为误差不超过0.00091的有效值。

4 结束语

利用以真有效值转换器为核心的宽频带电参数测试仪对电压进行测量，可以有效避免因高频谐波引起的测量误差，有非常好的应用前景。

参考文献：

[1]田晔非.高频杂波信号真有效值测量技术[J].自动化与仪器仪表，2017（1）：72-73.

[2]高蕊.基于RMS/DC转换法的真有效值频率补偿算法及改进的测量系统[J].机械与电子，2010（5）：70-73.

[3]谢尚豪，张硕，许波.一种高精度频率测量电路设计[J].电子测量技术，2018，41（18）：115-121.

[4]郁黎，范军华，高重远.相位测量的优化方法[J].电测与仪表，2016，53（15A）：47-49.