專利名稱：電源質量綜合分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電源質量分析儀，特別是一種能夠對電機試驗中供電電源質量進行綜合分析的儀器，它屬于電工測試領域。
這里所說的電源質量，它包括兩個方面即三相電壓的不平衡度和電源波形的非正弦性。對于電源波形國內外標準有不同要求。我國標準有電源波形的畸變率；國際上IEC推薦的美國、聯邦德國標準則要求偏離系數。
電源質量的優劣，對電機試驗以及電機運行均有較大影響，因此，國內外標準均有明確限值要求。例如三相電源不對稱，而導致的正序、負序及零序分量，精確測這幾個分量對于判斷做正功和做負功分量大小，防止電機的熱破壞事故，具有重要意義，特別是在我國電網質量水平不甚高的情況下，更有測試的必要。我國標準規定其三相電源的不平衡度必須小于0.5％；又如波形非正弦性的影響會使電器具造成不正常的溫度升高，降低其使用壽命，還能產生高頻發射干擾，即造成“電污染”，因此我國標準規定波形畸變率必須小于2.5％。
在現有技術中，對三相電壓不平衡度的測量，通常是用三塊600伏量程的指針式電壓表接入三相380伏電源，由三個人同時讀表，然后用電機學中的公式來計算對稱分量。這種方法費工費時又不精確，祥細分析有兩大缺點1、用600伏電表測380伏線電壓，指針每一格(滿量程為150格)讀數就相差4伏。經驗表明，要滿足三相不平衡度小于0.5％，三相線電壓偏差應小于2伏。換言之，必須在0.5格刻度之間進行分辨；再加上測定時，電源負載波動引起電壓波動，三相電壓值就很不容易在同一時刻精確測定。2、測定后的計算十分繁瑣，由于是復數運算，一個量(正、負、零序中任何一個)，用計算器計算也需20分鐘左右。
對于偏離系數的測試，按照國際IEC標準推薦的方法，它是采用示波器對波形拍照、放大、分割然后按公式計算找出最大偏差值△E，最后得出偏離系數如圖Ⅰ所示。除上述以外，日本NISSIN電氣公司生產的WHA－1型諧波分析儀可以分析電壓諧波，但它的最大輸入電壓為300伏，測量三相電壓時需外分壓器，使用時很不方便，另外僅能分析波形畸變一個項目，而且售價高達上萬美元。其原理框圖如
圖1所示。它的主要組成部分為衰減器、A／D轉換器、采樣脈沖發生電路、面板開關以及微處理器、打印機。
本實用新型的目的是提供一種電源質量綜合分析儀器，既能測量三相電壓的不平衡度又能測量電壓波非正弦性，結構合理、造價低廉、測試方便的儀器。
本實用新型的任務是以如下方式完成的。整個儀器包括硬件和軟件。硬件部分的原理框圖如圖3所示，三相被測電壓由A、B、C三端輸入，由分壓電路送至電子模擬多路器(4)，CA相由電壓互感器(6)降壓后引入，在專用微機(7)的軟件控制下，通道選擇和隔離電路(5)發出選擇通道指令，使之被測信號之一的相電壓信號，被送入A／D轉換器(1)中進行12位模數轉換，經過轉換后的數字量信號通過光電光隔離器(3)傳送到微機的內部總線(9)上，之后在軟件配合下，采集計算出同一時刻的三相電位值，分析出不平衡度分量，由打印機(8)打印出分析結果并繪出曲線。三相電壓有效值的采集是采用快速瞬時采樣，均方根值分析計算法實現如圖4所示，對每一個周期(20ms)的正弦信號，采集128個點的瞬時值(每個周期為△t)，然后用公式
計算而得。
本實用新型的具體線路由以下附圖及實施例給出。
圖1為按IEC標準方法得出的偏離系數。
圖2為日本NISSIN公司的諧波分析儀線路原理框圖。
圖3為本實用新型的線路原理框圖。
圖4為快速瞬時采樣示意圖。
圖5、6、7為本實用新型線路電氣原理圖。
圖8為三相電壓的幾何變換示意圖。
圖9、10、11為本實用新型軟件程序流程框圖。
圖12為A／D模板元件排列圖。
本實用新型的技術特征是它包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分參照圖3包括12位A／D轉換電路(1)、電子同步跟蹤電路(2)、光電隔離電路(3)、電子模擬多路器(4)、通道選擇和隔離電路(5)、電壓互感器(6)以及配用的專用微機(7)。
參照圖5，電壓互感器(6)由線圈和電阻R16組成，初級電壓為500伏，次級電壓為5伏，它的功能是對Uac電壓隔離分壓后送往電子模擬多路器(4)。通道選擇與隔離電路(5)，由集成電路U211、U212、4N25和R13～R15組成，它的功能是對于來自微機的指令，由U212鎖存，再由U211驅動三個光電隔離器4N25，對三相輸入通道進行選擇。電子模擬多路器(4)，由集成電路U201、U210和R5、R6組成，用來選擇某一通道送至A／D轉換器。
參照圖6，電子同步跟蹤電路(2)，由集成電路U202、U203、U204、U231、三極管3CG、3DK2、R21～R29、C2～C5組成，由U210來的被測同步信號，經兩只三極管整形后送入U231輸入端，其輸出端經U202倍頻，形成N倍輸入頻率的信號，又經U203、U204組成的脈沖觸發器，從VA去觸發A／D轉換器。
參照圖7，A／D轉換器(1)，它包括由U205、R30、R31、C6～C9、1N4004組成的穩壓電路、脈沖變壓器T、由U226、R32、R33、C12組成的采樣保持器、由U208、U209組成的輸出驅動電路、由U204、U203、C13、R34、2CK組成的采樣觸發器。脈沖變壓器T提供A／D時鐘信號。光電隔離電路(3)、由4N25、U214～U226、R42～R70、U227～U230、C15、2CK組成，12位數字信號經由光電隔離后，由U227、U228進行整形再由U229、U230鎖存，由CC通知微機，表示A／D轉換完成。
上述電路的接配關系是兩相信號的分壓電路、第三相信號經電壓互感器分別與電子模擬多路器(4)的輸入端腳12、11、10相接，電子模擬多路器(4)的控制端腳16、1、4與輸出端LF356的腳6分別與通道選擇和隔離電路(5)、同步跟蹤電路(2)及A／D轉換器(1)相接，A／D轉換器(1)的輸出端與光電隔離電路(3)的輸入端相接，后者的輸出端、通道選擇和隔離電路(5)的輸入端分別與微機總線(7)相連。
參照圖8、9、10，本實用新型的軟件的技術關鍵是采用幾何變換，以四則運算和開方輔之以查表法來取代復雜的復數運算和三角函數運算。全部用二進制匯編語言。
在對三相電壓值采集測量之后，利用圖8所示的平面幾何變換，由已測得的三相電壓的模a、b、c及對應角度關系，可得出如圖9所示三相電壓不平衡度的軟件運算流程圖，將運算轉化為四則運算。
波形非正弦偏離系數測試的軟件流程圖如圖10所示。其中方框第一框是先求出其有效值，然后乘以
，得出正弦波峰值，將此峰值被1除，得到比例系數K，此K值與內存中的－的余弦曲線(32點)表格中各點相乘，形成一個等值正弦波的新表格，其各點值即代表了等值正弦波曲線，將由第四框用紅筆繪出。第二框是由于采樣時是任意的，故電壓具有任意初相角，為此，需將采樣值進行整序，找出過O點的正向斜率值，并以此為起點，排出一個過零點的正弦波形，在第三框中用蘭色筆繪出。
本程序的技術關鍵是最后一框－－查找最大偏移點△E。其物理概念相當于在示波器上拍攝了被測電壓波形，分割成N點算出等值正弦波，并畫出等值正弦波之后，(1)先將兩個波形以面積覆蓋最大的原則重合，找出其中偏移最大的點△E，然后，(2)再稍稍左右平移曲線，使既保持重合面積最大，又找出原△E中距離最小的點，定為△EX，將此△EX除以等值正弦波峰值，即得到偏移系數Fdev，圖11是按此思路設計的流程圖。其中第三框是在找出了最大△E之后，繼續平移曲線，找出最小△EX的數學模型。其中△Xk在內存中建立一個表區，△XK＝ (K)/16 ×( (2π)/128 )，即將2n的128分之一，再細分為16個等分，建立其正余弦值△X1～△X16表格，再用Sin(X＋△Xk)公式計算。
圖12為A／D轉換模板的元件排列圖。
由于本儀器用微機軟件的分析方法來取代一部分硬件，使其成本大為降低，并提高了可靠性。它的研究成功，可以取代傳統的指針式儀表測量，使廣大工礦企業的測試技術大大地提高了一步。由于它的造價低，在微機應用較為普及的今天，本儀器將會在電機行業及其他廠礦大面積推廣應用，經濟效益十分顯著。
一個實際應用例子是機電部上海電器科學研究所研制的三相電機波形采集儀中引用了本發明。在實際測試中，測試三相電壓不平衡度，波形畸變率，和波形偏離系數，分別只須約3～8秒，即可打印出結果，比傳統測試方法效率提高近千倍，精度提高5～6倍。
權利要求1.一種電源質量綜合分析儀，其特征在于其硬件由以下電路組成a.由多個電阻構成的分壓電路；b.由U212、U211、4N25及多個電阻構成的通道選擇和隔離電路(5)；c.由U201、U210和電阻構成的電子模擬多路器(4)；d.由U202、U203、U204、U231、三極管以及阻容器件構成電子同步跟蹤電路(2)；E.A/D轉換器(1)；F.由4N25、U214～U230以及阻容器件構成的光電隔離電路(3)；G.電壓互感器(6)。它們連接關系是兩相信號的分壓電路與電子模擬多路器(4)的U201相連，第三相信號經電壓互感器(6)，電子多路器(4)與通道選擇和隔離電路(5)同步跟蹤電路、A/D轉換器(1)相接，A/D轉換器(1)的輸出端與光電隔離電路(3)的輸入端相接，光電隔離電路(3)的輸出端、通道選擇和隔離電路(5)的輸入端與微機總線相接。
2.根據權利要求1所述的電源質量綜合分析儀，其特征在于電子同步跟蹤電路(2)由三極管3CG2、DK2、R21～R24、C2以及二極管2CK構成整形電路、由U231、U232、R25～R29、C3～C5構成的倍頻電路，由U203、U204構成的脈沖觸發電路組成。
3.根據權利要求1所述的電源質量綜合分析儀，其特征在于通道選擇和隔離電路(5)由U212構成鎖存器、U211構成驅動器、4N25構成光電隔離器組成。
4.根據權利要求1所述的電源質量綜合分析儀，其特征在于A／D轉換器(1)懸浮于高壓測試回路、光電隔離器傳輸比為30％。
5.根據權利要求1所述的電源質量綜合分析儀，其特征在于三相測試輸入電路采用的是兩個電阻分壓器和一個電壓互感器(6)。
專利摘要本實用新型是一種電源質量綜合分析儀，可對電源的三相電壓不平衡度和電源波形的非正弦性，作出快速測試分析并打印輸出繪制波形曲線。硬件包括分壓電路、電子模擬多路開關、電壓互感器、光電隔離器、通道選擇與隔離、電子同步跟蹤電路、A/D轉換器，將被測電源的信號通過上述電路轉換成數字量傳送到微機，計算出同一時刻的三相電壓值，分析出不平衡度分量。通過快速瞬時采樣，以均方根值法用公式計算三相電壓的有效值。
文檔編號G01R29/00GK2069120SQ90203779
公開日1991年1月9日 申請日期1990年4月2日 優先權日1990年4月2日
發明者林在榮 申請人:機械電子工業部上海電器科學研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
