文献综述-数字功率仪研究.doc

（附表一）闽南师范大学毕业论文（设计）文 献 综 述 题 目： 数字功率仪研究 姓 名： 学 号： 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2016年 9 月 10 日一、前言随着现代电子信息技术和计算机技术广泛而深入的应用，各种元器件的广泛使用，给电力系统测量也带来了巨大的革命。而功率表是用来测量负载功率的仪器，它和其它类的仪器仪表一样，有着相同的发展历程。按照其时间和工作原理分类，电功率表主要经历了感应式、机电式、电子式等时代。传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面，一是进一步提高精度十分困难，二是仪器的功能单一，三是无法重新写人程序，实现软件升级1。随着社会的进步,传统的测量技术已经不能满足要求，智能型数字功率表已成为当今时代的主要测量技术。电力测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心，配置一定的外围电路和软件，能够实现多种功能。数字化智能化测控仪表是近年来工业过程应用仪表方面的主要的发展趋势。微电子技术的发展和工业过程对测控方面要求的加强，使智能化测控仪表的应用更广、成本更低。智能电力仪表作为智能电网的基础配备之一将随用户端配电智能化和节能政策的推进市场需求量会逐步扩大2。本文通过查阅文献及对文献的学习，简要介绍霍尔传感器的基本原理及其在数字功率表上的应用，并阐述毕业设计方面的构想。二、主体1、功率仪的研究及应用现状电子式电能仪表的发展历程可以概括为：20世纪90年代初期的以机电一体为主的工业多费率电能仪表；中期的电子式电能仪表；中后期IC卡电能仪表、电力载波仪表等。目前随着电子技术的发展，主要是芯片的发展，电能计量产品的发展也是百花齐放。2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围，上海市推行黑白表也使得多费率电能仪表得以迅速发展，促进了电子式多费率电能仪表的使用2002年，国家发展改革委员会正式发布推荐使用分时计费的产业政策在市场的推动下，电子式电能仪表发展迅猛。由于电子式电能仪表具有数字通信接口，促使电能计量及用电管理自动化系统等特点得到了大量的使用（负荷控制系统、远程抄表系统），各类抄表系统的可靠性、实用性有了较大的提高。目前就国内外常见的自动抄表技术有总线抄表方式、载波抄表方式和无线抄表方式3。近年来电力需求紧张，使负荷控制得到了一定的发展。即使将来电力充足，从节能环保角度而言，负荷控制产品仍然具有很重要的实际意义。随着电力部门对用电政策的调整，国家逐步推行分时电价等政策，国内民用电能仪表的市场需求正在悄悄地从以感应式电能仪表为主体向以电子式电能仪表为主导转变，具体表现为从普通功能型电能仪表向长寿命、多功能、高科技型电能仪表过渡，同时为了对各种用电设备的功率进行监视和控制，保证产品的质量和生产效率4。从这一角度考虑，研究该课题也是很有重要的现实意义。2、 电功率的数学基础众所周知功率是指物体在单位时间内所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量。包括电功率、电压、电流等方面。 电功率，电流在单位时间内做的功。是用来表示消耗电能的快慢的物理量，用P表示，它的单位是瓦特（Watt），简称瓦，符号是W。电量，表示物体所带电荷的多少。单位时间内通过截面的电量就是电流。一般来说，电荷的数量叫电量，用符号Q表示，单位是库仑 (符号是C)。库仑是一个很大的单位。 电流，单位时间内通过导体横截面的电荷量，叫电流，用符号I表示，单位是安，字母“A”来表示。电压，也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压在国际单位制中的主单位是伏特（V），简称伏，用符号V表示。电功率的计算是电压和电流的乘积。这称为平均功率或有效功率。在直流电路中，电功率的表示式为P=UI；在交流电路中，电功率的表示式为P=UIcos。3、 功率的数字测量技术目前电子式功率计、电能表所采用的原理基本上式采用各种乘法器来实现电压与电流的乘积5。用功率转换器与数字电压表相配来实现功率的数字测量。功率转换器实质上就是一个电子乘法器，其特点是它的输出电压的大小正比于它的两个输入电压数值的积。因此，如果让一个输入电压正比于负载电压的大小，而另一个输入电压正比于负载电流的大小，则电子乘法器的输出电压，显然正比于负载所消耗的功率。再用数字电压表测量这个乘法器的输出电压就可以确定被测功率。当数字电压表显示值按功率接校准时，也就构成了数字功率表。3.1功率测量方法及技术(1) 二极管检测功率法：就是用简单的整流电路。二极管检测电路是以平均值为响应的，不是直接测量输入功率的有效值，而是根据有效值与平均值的关系间接测量有效功率。 (2) 等效热功率检测法：把一个未知交流信号的等效热量和一个直流参考电压的有效热量进行比较。当信号电阻与参考电阻的温度差为零时，这两个电阻的功耗是相等的，因此未知信号的有效值就等于直流参考电压的有效值。此技术原理简单但实际应用难以实现且检测设备价格昂贵。(3) 真有效值/直流（TRMS/DC）转换测量功率：这种办法的最大优点是被测结果与被测信号的波形无关，这就是“真正有效值”的含义。因此，它能准确测量任意波形的真有效值功率。测量真有效值功率的第一种方法就是采用单片真有效值/直流转换器（例如AD736），首先测量出真有效值电压电平，然后取其有效值功率电平。另一种测量真有效值功率的方法是以AD8361型为代表的真有效值检测系统集成电路。这种检测方法有以下优点：第一，由于两个平方器完全相同，因此在改变量程时不影响转换精度；第二，当环境温度发生变化时，两个平方器能互相补偿，使输出电压保持稳定；第三，所用平方器的频带非常宽，可从直流一直到微波频段。(4)时分割乘法器法计算功率：将采样到的电压信号和电流信号通过时分割乘法器来求得功率的数值，但是由于时分割乘法器采用的是模拟技术，电路复杂，切测量方法的误差研究不完善，会导致设计缺少依据，器件选择盲目6。4、 电压的测量4.1直接AD转换直接使用AD转换的原理可以使用专门的电能芯片，原理大致是由负载的电压和电流传感器产生的可识别电压信号直接经过专用电能计量芯片产生频率与负载功率成正比的脉冲信号，然后用单片机对此脉冲进行计量，从而得到负载功率。4.2电压的测量方法间接测量电压可以使用V/F转换，测量模拟电压用伏频（V/F）转换器，可将相应的电压转化为相应的频率，提高测量的精确度，对应比例为1mV/Hz。使用该测量要分时取电压模拟量，再转换为频率，最后用软件处理，实现功率测量。专用的V/F转换器有AD650、AD654等。变频器的V/F控制是变频器的一种控制方式，就是在基准频率以下，变频器的输出电压和输出频率成正比关系，输出恒转矩的一种控制方式是变频器最基本的控制方式。4.3基于霍尔效应的电压检测采用半导体材料制成的霍尔元件具有高灵敏度、高稳定和高信噪比等优点7。在霍尔元件和处理电路组成就可以实现电压电流的线性转换，再将电流信号流经一个阻值较小的电阻，就可以得到小电压信号，该电压信号可以精确的反映原来的电压信号。5、电流的测量5.1电流/电压转换电流的检测用采样电路对电流进行采样，可以电流转换成电压，电压信号反映于原来的检测电流。也就是说电流检测可通过采样电阻转换为电压值，为确保电流转换为电压的精确，尽可能的使用精密电阻作为采样电阻。5.2低端检流方式低端检流电路的检流电阻串联到地，低端检流电路比较简单，但有几种故障状态是低端检流电路检测不到的，这会使负载处于危险的情况。5.3高端检流方式高端检流电路的检流电阻是串联到高电压端，高端检流电路直接连接到电源端，能够检测到后续回路的任何故障并采取相应的保护措施，特别适用于自动控制应用领域，因为在这些应用电路中通常采用机壳作为参考地。5.4基于霍尔效应的电流检测在一块半导体或导体材料上的Z方向加以磁场B，并沿X方向通以电流I，那么Y方向将产生电动势Vh，通常称为霍尔效应。Vh称为霍尔电压。也就是说在霍尔元件和处理电路组成就可以实现电流电压的线性转换，当边缘电流Ip产生磁场时，即可由霍尔元件检测出霍尔电压信号，然后再经过放大器处理，便可输出一个电压信号。该电压信号就可以精确地反映原来的电流大小。 三、总结数字功率仪以使用方便、测量精度高的特点在电能测量方面受到广泛的使用。在如今的电能测量中，其作用不可替代，因此，研制一种结构简单、精确度高的数字功率仪是非常有必要的。本设计打算用采样电路分别采集电压和电流信号，送至模数转换芯片转换为数字信号后送至单片机，通过单片机的内部编程实现电压和电流的相乘，从而求出功率的大小，用液晶显示屏来显示电压、电流和功率。整个系统机构紧凑，设计简单，操作方便，反应速度快，功能强大，性比价高，可以满足当现代的使用要求。四、参考文献1 郭东栋.智能功率测量仪的设计J.电子测试, 2007(9):72-76.2 袁瑶,刘夷昕,王晓曦,等.我国智能电网规划现阶段研究与应用J.长春工程学院学报(自然科学版), 2010, 11(4):42-45.3 张小龙.基于GPRS的智能电表远程抄表系统设计D.西华大学, 2012.4