CN104122438A - 一种无功功率测量电路 - Google Patents

Abstract

一种无功功率测量电路，用于单相交流电路的无功功率测量。它包括无功电流检测电路，无功电流检测电路所检测到的无功电流信号Up和来自单相交流电路中的电压信号Ua输送至一乘法器电路；其特征是，所述的乘法器电路包括一阻值控制电路和反相运算放大器电路；无功电流信号Up为反相运算放大器电路的输入信号，电压信号Ua通过阻值控制电路改变反相运算放大器电路的放大倍数，该放大倍数与电压信号Ua成正比，反相运算放大器电路的输出信号与无功电流信号Up、电压信号Ua的乘积成正比。该无功功率测量电路线路结构简单并且具有较高的测量精度，线路中所用的电子元件为常用的元件，投入市场的历史长、性能稳定、价格较低，可较大幅度降低生产成本。

Description

一种无功功率测量电路

技术领域

本发明涉及一种无功功率测量电路，用于电力系统的单相交流电路中的无功功率的测量。

背景技术

无功功率的测量电路通常结构包括对被测的电压信号和电流信号进行模数转换的A/D电路，电压与电流信号之间相位差φ测量电路，将电压和电流信号的数字量和相位差φ进行相乘的乘法器电路，其中A/D电路和乘法器电路所用的集成电路价格较高而且需要一些外围器件来支持其工作，生产成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种无功功率测量电路，用于电力系统的单相交流电路中的无功功率的测量。该无功功率测量电路线路结构简单，具有较高的测量精度，测量速度快。

本发明的技术方案是，一种无功功率测量电路包括无功电流检测电路，所检测到的无功电流信号Up和单相交流电路中的电压信号Ua输送至一乘法器电路；其特征是, 所述的乘法器电路包括一阻值控制电路和反相运算放大器电路；无功电流信号Up为反相运算放大器电路的输入信号，电压信号Ua通过阻值控制电路改变反相运算放大器电路的放大倍数，该放大倍数与电压信号Ua成正比，反相运算放大器电路的输出信号与无功电流信号Up、电压信号Ua的乘积成正比；

所述的阻值控制电路的构成是，电压信号Ua通过电阻R12与三极管T2的基极连接，三极管T2的基极通过电阻R16接地，三极管的发射极通过电阻R13接地，三极管的集电极接正电源Vdd，电阻R13与电解电容C5并联，三极管T2的发射极通过电阻R14接运算放大器A5的反相输入端，运算放大器A5的反相输入端与输出端之间接有电位器RW2；电阻R15与电位器RW1串联，电阻R15的一端与正电源Vdd连接，电位器RW1的一端接地，电阻R15与电位器RW1之间的连接点接运算放大器A5的同相输入端；运算放大器A5的输出端输出一阻值控制信号Uz；阻值控制信号随电压信号Ua的变化而线性地增大或减小；

所述的反相运算放大器电路包括运算放大器A2，光隔离器GZ1、GZ2，光隔离器GZ1的发光二极管的阳极通过电阻R10接正电源Vdd，光隔离器GZ1的发光二极管的阴极接地，无功电流信号Up通过相串联的电阻R18、光隔离器GZ1的光敏电阻送至运算放大器A2的反相输入端，运算放大器A2的同相输入端接地；光隔离器GZ2的发光二极管的阳极通过电阻R11接运算放大器A5的输出端，光隔离器GZ2的发光二极管的阴极接地，光隔离器GZ2的光敏电阻和电阻R17串接在运算放大器A2的反相输入端和输出端之间；光隔离器GZ2的光敏电阻在阻值控制信号Uz的控制下随电压信号Ua作线性变化，改变反相运算放大器的放大倍数，实现无功电流信号Up与电压信号Ua的相乘；所述光隔离器GZ1、GZ2型号为VTL5C2，运算放大器A2、A5的型号为OP07。

所述的无功电流检测电路，包括移相电路和同步检波电路；

所述的移相电路包括运算放大器A3、A4，运算放大器A3的反相输入端与输出端之间接有电容C1，运算放大器A3的反相输入端通过电阻R7接电压信号Ua，运算放大器A3的同相输入端接地，运算放大器A3的输出端接运算放大器A4的同相输入端，运算放大器A4的反相输入端通过电阻R8接地，运算放大器A4的反相输入端与输出端之间接有电阻R9；运算放大器A4的输出端输出一方波电压信号Uf，其相位滞后于电压信号Ua 90度；

所述的同步检波电路包括电流互感器La、运算放大器A1、结型场效应管T1，电流互感器的次级线圈并联有电阻R1，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端通过电阻R2与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端通过电阻R3与运算放大器A1的同相输入端连接，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间接有电阻R4，运算放大器A1的同相输入端通过结型场效应管T1的漏极、源极接地，结型场效应管的栅极通过电阻R6接地，结型场效应管的栅极通过二极管D1的阳极、阴极与运算放大器A4的输出端连接；运算放大器A1的输出端输出的检波电压信号Ug为电流信号Ia中无功电流信号，检波电压信号Ug通过电阻R5、电解电容C2接地，电阻R5、电解电容C2对检波电压信号Ug进行滤波，在电解电容C2上形成直流电压信号Up；所述的运算放大器A1、A3、A4的型号为OP07。

为简化无功电流检测电路的结构，所述的无功电流检测电路中的移相电路和同步检波电路还可这样构成：

移相电路：运算放大器A3的反相输入端与输出端之间接有电容C1，运算放大器A3的反相输入端通过电阻R7接电压信号Ua，运算放大器A3的同相输入端接地，运算放大器A3的输出端通过电阻R8’接三极管T3的基极，三极管T3的集电极通过电阻R9’接正电源Vdd，三极管T3的集电极输出一方波电压信号Uf’， 方波电压信号Uf’的相位滞后于电压信号90度，方波电压信号Uf’的幅值等于方波电压信号Uf的二分之一;

同步检波电路：包括电流互感器La、电子双向模拟开关G1，电流互感器的次级线圈并联有电阻R1，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端接电子双向模拟开关的输入端，电子双向模拟开关的控制端接三极管T3的集电极，电子双向模拟开关输出端通过电阻R5’接电解电容C2’的阳极，电解电容C2’的阴极接地，电解电容C2’的阳极为无功电流信号Up’的输出端；无功电流信号Up’的幅值为无功电流信号Up的二分之一；所述的电子双向模拟开关G1的型号为CD4066。

本无功功率测量电路的特点是，无功电流信号为运算放大器的输入信号，电压信号为运算放大器放大倍数的控制信号，运算放大器放大倍数随电压信号作线性变化，从而实现无功电流信号与电压信号相乘的功能；有益效果是，在无功功率测量过程中无需进行A/D转换，能快速反应无功功率的变化，同时无需利用软件来进行计算，使得线路结构简单并且具有较高的测量精度，线路中所用的电子元件为常用的元件，投入市场的历史长、性能稳定、价格较低，可较大幅度降低生产成本。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的电子线路图。

图2为本发明的第二实施例的电子线路图。

图3为第一实施例电子线路中相关工作点的波形图。

图4为第二实施例的电子线路中相关工作点的波形图。

图5为光隔离器的光敏电阻随发光二极管电流变化的曲线图。

图6为阻值控制信号随电压信号变化的曲线图。

具体实施方式

现结合附图说明本发明的具体实施例。

第一实施例：一种无功功率测量电路用于单相交流电路中的无功功率的测量，它包括对电压信号进行90度移相的移相电路，检测电流信号中无功电流的同步检波电路，将无功电流信号与被测电压信号进行乘法运算的乘法器电路，以及为使无功功率测量电路工作的直流稳压电源，即幅值相等的正电源Vdd和负电源Vss，正电源Vdd和负电源Vss的电压为9V。

所述的移相电路由运算放大器A3、A4，电容C1，电阻R7、R8、R9组成；被测电压信号Ua的一端通过电阻R7接运算放大器A3的反相输入端，被测电压信号Ua的另一端接地，运算放大器A3的反相输入端与输出端之间接有电容C1，运算放大器A3的同相输入端接地，运算放大器A3的输出端输出的移相电压信号Uj滞后于被测电压信号Ua 90度；运算放大器A3的输出端接运算放大器A4的同相输入端，运算放大器A4的反相输入端通过电阻R8接地，运算放大器A4的反相输入端与输出端之间接有电阻R9；运算放大器A4、电阻R8、R9构成一同相放大电路，只要其放大倍数足够大运算放大器A4的输出端可输出一方波电压信号Uf，其正、负半周波形对称，其相位滞后于被测电压信号Ua 90度。

所述的移相电路的线路结构可保证所移的相位不因被测电压信号频率的变化而改变。电压信号Ua和方波电压信号Uf的波形如图3所示。

所述的同步检波电路，包括电流互感器La、运算放大器A1、结型场效应管T1，电阻R1-R6，二极管D1；电流互感器的次级线圈感应电流信号Ia，次级线圈并联有电阻R1，电阻R1的一端接地，电流信号Ia在电阻R1上形成电流变换信号Ui，电阻R1的另一端通过电阻R2与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端通过电阻R3与运算放大器A1的同相输入端连接，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间接有电阻R4，运算放大器A1的同相输入端依次通过结型场效应管T1的漏极、源极接地，结型场效应管的栅极通过电阻R6接地，结型场效应管的栅极依次通过二极管D1的阳极、阴极与运算放大器A4的输出端连接；电阻R1的阻值为0.2欧姆，电阻R2- R4的阻值均为10K欧姆。

同步检波电路的工作原理是（参见图3），二极管D1和电阻R6将方波电压信号Uf的正半周阻断，当方波电压信号Uf为正半周时，施加在结型场效应管的栅极的电压为0，结型场效应管导通；当方波电压信号Uf为负半周时，施加在结型场效应管的栅极的电压为负，结型场效应管截止；当结型场效应管导通时，运算放大器A1、电阻R2- R4构成一反相放大器，运算放大器A1输出的检波电压信号Ug为反相的电流变换信号Ui；当结型场效应管截止时，运算放大器A1、电阻R2- R4构成一同相放大器，运算放大器A1输出的检波电压信号Ug为同相的电流变换信号Ui，检波电压信号Ug的波形见图3；运算放大器A1的输出端输出的检波电压信号Ug对应于电流信号Ia中无功电流信号，检波电压信号Ug通过电阻R5、电解电容C2进行滤波，即对图3的阴影部分进行面积积分，得到检波电压信号Ug的平均值，在电解电容C2上形成直流电压信号Up；

直流电压信号Up = Ia sinφ，φ为电压信号Ua与电流信号Ia之间的相位差。

所述的乘法器电路包括一阻值控制电路和反相运算放大器电路，所述的阻值控制电路由运算放大器A5、电阻R12-R16、电位器RW1、RW2，三极管T2、电解电容C5组成；电阻R12和电阻R16的一端与三极管T2的基极连接，电阻R12的另一端接电压信号Ua，电阻R16的一端接地，三极管的发射极通过电阻R13接地，电阻R13与电解电容C5并联，三极管的集电极接正电源Vdd，其功能是对电压信号Ua进行半波整流及功率放大，三极管T2的发射极输出一与电压信号Ua幅值成正比的直流的模拟电压信号Ua’。三极管T2的发射极通过电阻R14接运算放大器A5的反相输入端，运算放大器A5的反相输入端与输出端之间接有电位器RW2；电阻R15与电位器RW1串联，电阻R15的一端与正电源Vdd连接，电位器RW1的一端接地，电阻R15与电位器RW1之间的连接点接运算放大器A5的同相输入端，向运算放大器A5的同相输入端输入一基准电压信号Ud，调节电位器RW1可改变基准电压信号Ud的大小；运算放大器A5、电阻R14-R15、电位器RW1、RW2构成一差动比例运算电路，运算放大器A5的输出端输出一阻值控制信号Uz，其幅值随电压信号Ua的减小而线性的增大，随电压信号Ua的增大而线性的减小（参见图6）。

电压信号Ua的表达式可为：Ua = Ue + △U  （1）；

式1中Ue为电压信号Ua的额定值，△U为电压信号Ua变化而形成的增量，当电压信号Ua大于额定值Ue时△U的值为正，当电压信号Ua小于额定值Ue时△U的值为负；

模拟电压信号Ua’的表达式可为：Ua’ =Ku（ Ue + △U）  （2）；

式2中Ku为一传输系数与电阻R12、R16的阻值有关是一常数；

阻值控制信号Uz的表达式为：

Uz = Ud（1+RW2/R14）－ Ua’× RW2/R14’ （3）；

将式2代入式3有：

Uz = Ud（1+RW2/R14）－ Ku（ Ue + △U）× RW2/R14 ；

通过调节电位器RW1的阻值可使Ud = Ku Ue，这样阻值控制信号Uz的表达式可为：

Uz =Ku（ Ue － △U× RW2/R14）   （4）；

调节电位器RW2使其阻值与电阻R14相等，阻值控制信号Uz的表达式可为：Uz =Ku（ Ue － △U）   （5）；

从式5可知，阻值控制信号Uz的幅值随电压信号Ua的减小而线性的增大，随电压信号Ua的增大而线性的减小。

阻值控制信号Uz随电压信号Ua变化的曲线如图6所示。

乘法器电路中的反相运算放大器电路由运算放大器A2，光隔离器GZ1、GZ2，电阻R10、R11、R17、R18组成，光隔离器GZ1的发光二极管的阳极通过电阻R10接正电源Vdd，光隔离器GZ1的发光二极管的阴极接地，直流电压信号Up通过相串联的电阻R18光隔离器GZ1的光敏电阻送至运算放大器A2的反相输入端，运算放大器A2的同相输入端接地；光隔离器GZ2的发光二极管的阳极通过电阻R11接运算放大器A5的输出端，光隔离器GZ2的发光二极管的阴极接地，光隔离器GZ2的光敏电阻和电阻R17串接在运算放大器A2的反相输入端和输出端之间。

所述的反相运算放大器电路的运算表达式为：

Uo = Up （R17+RZ2）/ RZ1  （6）；

式6中RZ2为光隔离器GZ2的光敏电阻，RZ1为光隔离器GZ1的光敏电阻；

所述的光隔离器GZ1、GZ2的型号为VTL5C2，它由发光二极管和光敏电阻构成，当通过发光二极管的电流增大时光敏电阻的阻值减小，反之亦然；图5为光隔离器的光敏电阻随发光二极管电流变化的R（I）曲线，在R（I）曲线上有一线性区间（粗实线所示），光敏电阻随发光二极管电流的变化为线性变化，在该线性区间I1为发光二极管的最小电流、I2为发光二极管的最大电流、Ie为线性区间的中点电流，在线性区间内发光二极管电流I的表达式为：

I = Ie + △I  （7）；

式7中△I为发光二极管电流I偏离中点电流的增量；

在线性区间内，光敏电阻RZ2的表达式可为：

RZ2 = Re + △R  （8）；

式7中Re为对应于中点电流Ie的光敏电阻的基准电阻，△R为对应于电流增量△I的光敏电阻增量；

通过实验发现在线性区间内，△R /Re的比值大于△I / Ie的比值，为使两者的比值相等，采用电阻R17与光敏电阻RZ2相串联的结构电阻R17的阻值可通过下式确定：

R17 ={(Re I1/Ie)–RZ2}/(1–I1/Ie)  (9)；

式9中Re为基准电阻它对应于中点电流Ie ，I1线性区的最小电流、RZ2为对应于最小电流I1的阻值，它们可通过实验测量到；电阻R17与光敏电阻RZ2相串联后有：△R /（Re+ R17）=△I / Ie。

现在对式6：Uo = Up （R17+RZ2）/ RZ1的物理意义进行说明，直流电压信号Up = Ia sinφ，电阻R17与光敏电阻RZ2串联后可视为一等效电阻RZ2’，当被测电压信号Ua增大时，阻值控制信号Uz降低，等效电阻RZ2’ 增大，反之亦然，等效电阻RZ2’与被测电压信号Ua成正比关系；光隔离器GZ1的光敏电阻RZ1为一常量；因此式6：Uo = Up （R17+RZ2）/ RZ1，可改写成：

Uo =Kp× Ia sinφ×Ua    (10)

式10中Kp为电路的传递系数为一常数，Uo为被测电路的无功功率，当无功功率Uo的值为正时被测电路呈感性，无功功率Uo的值为负时被测电路呈容性。

乘法器电路的调试方法为，先向光隔离器的发光二极管输入电流,作出光敏电阻随电流变化的R(I)曲线，在R(I)曲线上的线性区上确定中点电流Ie、基准电阻Re 、最小电流I1、最大电流I2和对应于最小电流I1的光敏电阻RZ2的阻值；根据中点电流Ie、基准电阻Re 、根据对应于最小电流I1的光敏电阻计算出电阻R17的阻值，将其与光敏电阻RZ2相串联；然后将电压信号Ua调至额定值Ue,调节电位器RW1使向运算放大器A5的同相输入端输入的基准电压信号Ud等于额定值Ue，调整电阻R11的阻值，使光隔离器GZ1的发光二极管输入电流等于R(I)曲线上的线性区的中点电流Ie即可。

下表为乘法器电路中等效电阻随电压信号变化的实验记录；

表中电压信号Ua在6V时为额定值，从中可见当电压信号Ua在其额定值的±16%以内，等效电阻与电压信号能保持正比关系。

光隔离器GZ1和电阻R18在乘法器电路中可起到温度补偿作用，其光敏电阻RZ1的阻值调为与光隔离器GZ2的光敏电阻的基准电阻Re相等，电阻R18的阻值与电阻R17的阻值相等时，可消除光隔离器GZ2因温度变化产生的测量误差。 

所述的无功电流测量电路的结构还可简化为第二实施例的结构，第二实施例与第一实施例区别是移相电路和同步检波电路的结构不同：

第二实施例的移相电路如图2所示：运算放大器A3的反相输入端与输出端之间接有电容C1，运算放大器A3的反相输入端通过电阻R7接电压信号Ua，运算放大器A3的同相输入端接地，运算放大器A3的输出端通过电阻R8’接三极管T3的基极，三极管T3的集电极通过电阻R9’接正电源Vdd，三极管T3的集电极输出一方波电压信号Uf’， 方波电压信号Uf’的相位滞后于电压信号90度，方波电压信号Uf’的波形与第一实施例中的方波电压信号Uf相比，负半周被削去，幅值等于方波电压信号Uf的二分之一（参见图4）；

第二实施例的同步检波电路如图2所示：它包括电流互感器La、电子双向模拟开关G1，电流互感器的次级线圈并联有电阻R1，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端接电子双向模拟开关的输入端，电子双向模拟开关的控制端接三极管T3的集电极，电子双向模拟开关输出端通过电阻R5’接电解电容C2’的阳极，电解电容C2’的阴极接地，电解电容C2’的阳极为无功电流信号Up’的输出端；在方波电压信号Uf’处于高电平期间，由于电子双向模拟开关只能在方波电压信号Uf’处于高电平期间才能导通，允许通过的电流信号Ia只有一半，因此无功电流信号Up’的幅值为无功电流信号Up的二分之一（参见图4）；与第一实施例相比第二实施例所测量到的无功功率为第一实施例的二分之一。所述的电子双向模拟开关G1的型号为CD4066。

Claims (4)

1.一种无功功率测量电路，包括无功电流检测电路，无功电流检测电路所检测到的无功电流信号Up和来自单相交流电路中的电压信号Ua输送至一乘法器电路；其特征是, 所述的乘法器电路包括一阻值控制电路和反相运算放大器电路；无功电流信号Up为反相运算放大器电路的输入信号，电压信号Ua通过阻值控制电路改变反相运算放大器电路的放大倍数，该放大倍数与电压信号Ua成正比，反相运算放大器电路的输出信号与无功电流信号Up、电压信号Ua的乘积成正比。

2.根据权利要求1所述的无功功率测量电路，其特征是，所述的阻值控制电路的构成是，电压信号Ua通过电阻R12与三极管T2的基极连接，三极管T2的基极通过电阻R16接地，三极管的发射极通过电阻R13接地，三极管的集电极接正电源Vdd，电阻R13与电解电容C5并联，三极管T2的发射极通过电阻R14接运算放大器A5的反相输入端，运算放大器A5的反相输入端与输出端之间接有电位器RW2；电阻R15与电位器RW1串联，电阻R15的一端与正电源Vdd连接，电位器RW1的一端接地，电阻R15与电位器RW1之间的连接点接运算放大器A5的同相输入端；运算放大器A5的输出端输出一阻值控制信号Uz；阻值控制信号随电压信号Ua的变化而线性地增大或减小；

所述的反相运算放大器电路包括运算放大器A2，光隔离器GZ1、GZ2，光隔离器GZ1的发光二极管的阳极通过电阻R10接正电源Vdd，光隔离器GZ1的发光二极管的阴极接地，无功电流信号Up通过相串联的电阻R18、光隔离器GZ1的光敏电阻送至运算放大器A2的反相输入端，运算放大器A2的同相输入端接地；光隔离器GZ2的发光二极管的阳极通过电阻R11接运算放大器A5的输出端，光隔离器GZ2的发光二极管的阴极接地，光隔离器GZ2的光敏电阻和电阻R17串接在运算放大器A2的反相输入端和输出端之间；光隔离器GZ2的光敏电阻在阻值控制信号Uz的控制下随电压信号Ua作线性变化，改变反相运算放大器的放大倍数，实现无功电流信号Up与电压信号Ua的相乘；所述光隔离器GZ1、GZ2型号为VTL5C2，运算放大器A2、A5的型号为OP07。

3.根据权利要求2所述的无功功率测量电路，其特征是所述的无功电流检测电路，包括移相电路和同步检波电路；

所述的移相电路包括运算放大器A3、A4，运算放大器A3的反相输入端与输出端之间接有电容C1，运算放大器A3的反相输入端通过电阻R7接电压信号Ua，运算放大器A3的同相输入端接地，运算放大器A3的输出端接运算放大器A4的同相输入端，运算放大器A4的反相输入端通过电阻R8接地，运算放大器A4的反相输入端与输出端之间接有电阻R9；运算放大器A4的输出端输出一方波电压信号Uf，其相位滞后于电压信号Ua 90度；

所述的同步检波电路包括电流互感器La、运算放大器A1、结型场效应管T1，电流互感器的次级线圈并联有电阻R1，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端通过电阻R2与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R1的另一端通过电阻R3与运算放大器A1的同相输入端连接，运算放大器A1的反相输入端与输出端之间接有电阻R4，运算放大器A1的同相输入端通过结型场效应管T1的漏极、源极接地，结型场效应管的栅极通过电阻R6接地，结型场效应管的栅极通过二极管D1的阳极、阴极与运算放大器A4的输出端连接；运算放大器A1的输出端输出的检波电压信号Ug为电流信号Ia中无功电流信号，检波电压信号Ug通过电阻R5、电解电容C2接地，电阻R5、电解电容C2对检波电压信号Ug进行滤波，在电解电容C2上形成直流电压信号Up；所述的运算放大器A1、A3、A4的型号为OP07。

4.根据权利要求2所述的无功功率测量电路，其特征是，所述的无功电流检测电路，包括移相电路和同步检波电路；

在移相电路中，运算放大器A3的反相输入端与输出端之间接有电容C1，运算放大器A3的反相输入端通过电阻R7接电压信号Ua，运算放大器A3的同相输入端接地，运算放大器A3的输出端通过电阻R8’接三极管T3的基极，三极管T3的集电极通过电阻R9’接正电源Vdd，三极管T3的集电极输出一方波电压信号Uf’， 方波电压信号Uf’的相位滞后于电压信号90度，方波电压信号Uf’的幅值等于方波电压信号Uf的二分之一;

在同步检波电路中，包括电流互感器La、电子双向模拟开关G1，电流互感器的次级线圈并联有电阻R1，电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端接电子双向模拟开关的输入端，电子双向模拟开关的控制端接三极管T3的集电极，电子双向模拟开关输出端通过电阻R5’接电解电容C2’的阳极，电解电容C2’的阴极接地，电解电容C2’的阳极为无功电流信号Up’的输出端；无功电流信号Up’的幅值为无功电流信号Up的二分之一；所述的电子双向模拟开关G1的型号为CD4066。