專利名稱：三相交流電的頻率測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電頻率測(cè)量方法及應(yīng)用，尤其涉及一種三相交流電的頻率測(cè)量方法和裝置。
本發(fā)明所采用的頻率測(cè)量方法為采集三相實(shí)時(shí)電壓/電流信號(hào)，求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，再折算出頻率f。
所述求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω可通過三相至兩相的坐標(biāo)變換，采用公式Xα＝(2Xa-Xb-Xc)/3Xβ＝(Xb-Xc)/31/2
求出旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ，計(jì)算參數(shù)旋轉(zhuǎn)矢量模長Xm＝(Xα2+Xβ2)1/2根據(jù)旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ計(jì)算出相應(yīng)的全象限的旋轉(zhuǎn)矢量角θ，然后，把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角θi減去上次的旋轉(zhuǎn)矢量角θi-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，其中n為單位時(shí)間內(nèi)采集的次數(shù)，再套用公式f＝ω/2π，折算出頻率f；旋轉(zhuǎn)矢量角θ根據(jù)θ＝arccos(Xα/Xm)或θ＝arcsin(Xβ/Xm)計(jì)算，其所處象限值由Xα和Xβ的值的極性判別；折算出的頻率f可經(jīng)濾波處理或每周期求平均值后得到準(zhǔn)確的頻率值。
采用這種頻率測(cè)量方法的三相交流電的頻率測(cè)量裝置的技術(shù)方案為它包括采樣電路，接收三相交流電的各相交流電壓/電流，經(jīng)采樣電路采樣后，各相電壓/電流經(jīng)電平偏移電路，將交流信號(hào)處理成直流信號(hào)，所得各相直流信號(hào)經(jīng)AD采樣電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換后得三相實(shí)時(shí)電壓/電流輸入頻率計(jì)算電路，在頻率計(jì)算電路中求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，再折算出頻率f。
角速度ω可通過三相至兩相的坐標(biāo)變換，采用公式Xα＝(2Xa-Xb-Xc)/3Xβ＝(Xb-Xc)/31/2求出旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ，計(jì)算參數(shù)旋轉(zhuǎn)矢量模長Xm＝(Xα2+Xβ2)1/2
根據(jù)旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ計(jì)算出相應(yīng)的全象限的旋轉(zhuǎn)矢量角θ，然后，把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角θi減去上次的旋轉(zhuǎn)矢量角θi-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，其中n為單位時(shí)間內(nèi)采集的次數(shù)，再套用公式f＝ω/2π，折算出頻率f；旋轉(zhuǎn)矢量角θ根據(jù)θ＝arccos(Xα/Xm)或θ＝arcsin(Xβ/Xm)計(jì)算，其所處象限值由Xα和Xβ的值的極性判別；相角差Δθ可先濾波處理，折算頻率f后，再濾波處理得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的頻率f。
本發(fā)明的技術(shù)原理及有益效果為旋轉(zhuǎn)矢量是三相電經(jīng)PARK變換的結(jié)果，對(duì)于三相交流信號(hào)，可作如下表述X＝2/3*(xa+xbej2π/3+xce-j2π/3)其中xa、xb、xc可代表任何三相變量，如果有平衡三相電，則xa＝Xmcosωtxb＝Xmcos(ωt-2π/3)xc＝Xmcos(ωt-2π/3)則X＝Xmejωt當(dāng)三相平衡電壓或電流經(jīng)上述變換后為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，矢量旋轉(zhuǎn)的角頻率和單相電角頻率相同。
這種頻率測(cè)量方法采用旋轉(zhuǎn)矢量角的相角差來測(cè)量頻率，在一個(gè)市電周期后，旋轉(zhuǎn)矢量角必定旋轉(zhuǎn)360度，回到原來位置。根據(jù)ω＝n*Δθ和f＝ω/2π，即f＝n*Δθ/2π，這樣，在理論上保證了頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性，如圖2所示，一標(biāo)準(zhǔn)交流電旋轉(zhuǎn)矢量示意圖，其中旋轉(zhuǎn)矢量用X表示，旋轉(zhuǎn)矢量角用θ表示。
對(duì)于穩(wěn)定性較差的交流電，如圖3所示，體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)矢量的模值上有抖動(dòng)，及在旋轉(zhuǎn)過程的來回?cái)[動(dòng)，但一個(gè)市電周期內(nèi)，旋轉(zhuǎn)矢量轉(zhuǎn)過的角度必然是360度，所以對(duì)頻率測(cè)量不造成影響。
同樣，如圖4所示，市電不平衡時(shí)，甚至產(chǎn)生缺相，旋轉(zhuǎn)矢量端點(diǎn)在橢圓上運(yùn)行，矢量旋轉(zhuǎn)速度不恒定，但在一個(gè)市電周期內(nèi)，旋轉(zhuǎn)矢量轉(zhuǎn)過的角度仍然為360度，因此，也不影響頻率測(cè)量。
即便對(duì)于諧波含量(但不超過基波含量)較高時(shí)，旋轉(zhuǎn)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，矢量在旋轉(zhuǎn)過程中有反向旋轉(zhuǎn)的情況，但在一個(gè)市電周期內(nèi)，旋轉(zhuǎn)矢量轉(zhuǎn)過的角度仍然為360度，因此，頻率測(cè)量的精度同樣可以獲得保證。
因此，使用這種通過測(cè)量出旋轉(zhuǎn)矢量的轉(zhuǎn)速，從而計(jì)算出三相交流電的頻率的方法，使得三相信號(hào)源的穩(wěn)定性不影響測(cè)量結(jié)果，即使三相信號(hào)源的電信號(hào)不穩(wěn)、不平衡甚至產(chǎn)生缺相、諧波含量較高時(shí)，可獲取穩(wěn)定可靠的頻率值，因此這種方法抗干擾能力強(qiáng)，精度高，而且本發(fā)明克服了常規(guī)頻率檢測(cè)方法中，當(dāng)交流電信號(hào)波形異常時(shí)，過零點(diǎn)的辨別處理極度困難的問題；折算出的頻率經(jīng)濾波處理或每周期求平均值后得到頻率值，使得到的頻率值更可靠、準(zhǔn)確，進(jìn)一步提高了本發(fā)明的實(shí)用性；在采用這種頻率測(cè)量方法的三相交流電的頻率測(cè)量裝置中，計(jì)算出的相角差Δθ先濾波處理，折算頻率后，再濾波處理得到準(zhǔn)確的頻率，使得這種頻率測(cè)量方法更適用于現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用過程和裝置中，使這種頻率測(cè)量方法在工程中的應(yīng)用更趨于合理及實(shí)用，使本發(fā)明在三相交流電信號(hào)極不穩(wěn)定、三相極度不平衡、諧波含量很大等惡劣環(huán)境下測(cè)量出可靠、準(zhǔn)確的三相交流電的頻率，進(jìn)一步提高了本發(fā)明的實(shí)用性。
總之，本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)，精度高，可應(yīng)用于三相交流電信號(hào)不穩(wěn)定、三相不平衡、諧波含量大等惡劣環(huán)境，三相信號(hào)源的穩(wěn)定性不影響測(cè)量結(jié)果，克服了常規(guī)頻率檢測(cè)方法中過零點(diǎn)辯別處理困難的問題，可廣泛適用于各種需要測(cè)量頻率的裝置，如三相交流供電設(shè)備，三相交流檢測(cè)儀表，及各種三相交流監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)裝置。
本發(fā)明的工作過程為采集三相實(shí)時(shí)電壓/電流信號(hào)Xa、Xb、Xc，求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，再折算出頻率f。
求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω是根據(jù)電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量在三相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xa、Xb、Xc，通過三相至兩相的坐標(biāo)變換，可采用公式Xα＝(2Xa-Xb-Xc)/3Xβ＝(Xb-Xc)/31/2求出旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ，計(jì)算參數(shù)旋轉(zhuǎn)矢量模長Xm＝(Xα2+Xβ2)1/2
根據(jù)旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ計(jì)算出相應(yīng)的全象限的旋轉(zhuǎn)矢量角θ，然后，把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角θi減去上次的旋轉(zhuǎn)矢量角θi-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，其中n為單位時(shí)間內(nèi)采集的次數(shù)，再套用公式f＝ω/2π，折算出頻率f。
其中，旋轉(zhuǎn)矢量角θ可根據(jù)θ＝arccos(Xα/Xm)或θ＝arcsin(Xβ/Xm)計(jì)算，其所處象限值由Xα和Xβ的值的極性判別。
折算出的頻率f可經(jīng)濾波處理或每周期求平均值后得到準(zhǔn)確的頻率值。
下面再舉一應(yīng)用本發(fā)明的三相交流電的頻率測(cè)量裝置，根據(jù)圖6和圖7，一電壓采樣電路61，接收三相交流電的各相交流電壓uA、uB、uC，經(jīng)電壓采樣電路61采樣后，各相電壓u’A、u’B、u’C經(jīng)電平偏移電路62，將交流信號(hào)處理成直流信號(hào)，所得各相直流信號(hào)u”A、u”B、u”C經(jīng)AD采樣電路63，模數(shù)轉(zhuǎn)換后得三相實(shí)時(shí)電壓Va、Vb、Vc輸入頻率計(jì)算電路64，在此頻率測(cè)量裝置中，由于采樣信號(hào)是電壓信號(hào)，三相實(shí)時(shí)電壓Va、Vb、Vc即為前面所述的三相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xa、Xb、Xc，在頻率計(jì)算電路64中計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量在兩相靜止坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Vα、Vβ，此處實(shí)時(shí)值Vα、Vβ代表采集三相交流電的電壓信號(hào)，與前述的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ實(shí)質(zhì)相同，采用公式Vα＝(2Va-Vb-Vc)/3Vβ＝(Vb-Vc)/31/2計(jì)算參數(shù)旋轉(zhuǎn)矢量模長Vm，旋轉(zhuǎn)矢量模長Vm與前述旋轉(zhuǎn)矢量模長Xm實(shí)質(zhì)相同，Vm(Vα2-Vβ2)1/2
計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量角θ，可根據(jù)θ＝arccos(Vα/Vm)或θ＝arcsin(Vβ/Vm)計(jì)算，其所處象限值由Vα和Vβ的值的極性判別。
把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角θi減去上次的旋轉(zhuǎn)矢量角θi-1，得到相角差Δθ，同時(shí)，把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角存放為上次的旋轉(zhuǎn)矢量角，可用于下一次計(jì)算相角差Δθ。
利用公式ω＝n*Δθ，求得旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω。
最后，套用公式f＝ω/2π，折算出頻率f。
在處理過程中，相角差Δθ可先濾波處理，折算出頻率f后，再濾波處理得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的頻率f。
旋轉(zhuǎn)矢量角θ盡量實(shí)現(xiàn)可容錯(cuò)，保證其值大于或等于0度并且小于360度。
在上述三相交流電的頻率測(cè)量裝置中，采集三相交流電的電壓信號(hào)，同樣，可通過采集三相交流電的電流信號(hào)，求取電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，再折算出頻率f。
權(quán)利要求
1.一種三相交流電的頻率測(cè)量方法，其特征在于，采集三相實(shí)時(shí)電壓/電流信號(hào)，求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，再折算出頻率f。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相交流電的頻率測(cè)量方法，其特征在于，所述求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω是根據(jù)電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量在三相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xa、Xb、Xc，通過三相至兩相的坐標(biāo)變換，采用公式Xα＝(2Xa-Xb-Xc)/3Xβ＝(Xb-Xc)/31/2求出旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ，計(jì)算參數(shù)旋轉(zhuǎn)矢量模長Xm＝(Xα2+Xβ2)1/2根據(jù)旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ計(jì)算出相應(yīng)的全象限的旋轉(zhuǎn)矢量角θ，然后，把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角θi減去上次的旋轉(zhuǎn)矢量角θi-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，其中n為單位時(shí)間內(nèi)采集的次數(shù)，再套用公式f＝ω/2π，折算出頻率f。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三相交流電的頻率測(cè)量方法，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)矢量角θ根據(jù)θ＝arccos(Xα/Xm)或θ＝arcsin(Xβ/Xm)計(jì)算，其所處象限值由Xα和Xβ的值的極性判別。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三相交流電的頻率測(cè)量方法，其特征在于，所述的折算出的頻率f可經(jīng)濾波處理或每周期求平均值后得到頻率值。
5.用權(quán)利要求1所述的頻率測(cè)量方法的三相交流電的頻率測(cè)量裝置，包括采樣電路，接收三相交流電的各相交流電壓/電流，其特征在于，經(jīng)采樣電路(61)采樣后，各相電壓/電流經(jīng)電平偏移電路(62)，將交流信號(hào)處理成直流信號(hào)，所得各相直流信號(hào)經(jīng)AD采樣電路(63)，模數(shù)轉(zhuǎn)換后得三相實(shí)時(shí)電壓/電流輸入頻率計(jì)算電路(64)，在頻率計(jì)算電路(64)中求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，再折算出頻率f。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相交流電的頻率測(cè)量裝置，其特征在于，所述的角速度ω是根據(jù)電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量在三相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xa、Xb、Xc，通過三相至兩相的坐標(biāo)變換，采用公式Xα＝(2Xa-Xb-Xc)/3Xβ＝(Xb-Xc)/31/2求出旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ，計(jì)算參數(shù)旋轉(zhuǎn)矢量模長Xm＝(Xα2+Xβ2)1/2根據(jù)旋轉(zhuǎn)矢量在兩相坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)值Xα、Xβ計(jì)算出相應(yīng)的全象限的旋轉(zhuǎn)矢量角θ，然后，把當(dāng)前旋轉(zhuǎn)矢量角θi減去上次的旋轉(zhuǎn)矢量角θi-1，得相角差Δθ，利用公式ω＝n*Δθ求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度ω，其中n為單位時(shí)間內(nèi)采集的次數(shù)，再套用公式f＝ω/2π，折算出頻率f。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三相交流電的頻率測(cè)量裝置，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)矢量角θ根據(jù)θ＝arccos(Xα/Xm)或θ＝arcsin(Xβ/Xm)計(jì)算，其所處象限值由Xα和Xβ的值的極性判別。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三相交流電的頻率測(cè)量裝置，其特征在于，所述的相角差Δθ可先濾波處理，折算頻率f后，再濾波處理得到頻率f。
全文摘要
一種涉及電頻率測(cè)量方法及應(yīng)用的三相交流電的頻率測(cè)量方法和裝置，通過采集三相實(shí)時(shí)電壓/電流信號(hào)，求取電壓/電流旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，再折算出頻率，三相交流電的頻率測(cè)量裝置包括采樣電路，其特征在于，經(jīng)采樣電路采樣后，各相電壓/電流經(jīng)電平偏移電路，將交流信號(hào)處理成直流信號(hào)，所得各相直流信號(hào)經(jīng)AD采樣電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換后得三相實(shí)時(shí)電壓/電流輸入頻率計(jì)算電路，在頻率計(jì)算電路中計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，最后折算出頻率，本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)，精度高，可應(yīng)用于信號(hào)不穩(wěn)定、不平衡、諧波含量大等惡劣環(huán)境，可廣泛適用于各種需要測(cè)量頻率的裝置，如三相交流供電設(shè)備，三相交流檢測(cè)儀表，及各種三相交流監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)裝置。
文檔編號(hào)G01R23/00GK1402012SQ0210716
公開日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月14日
發(fā)明者萬和平, 楊志洵, 劉平 申請(qǐng)人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司