基于ad55的功率计量系统的设计

基于ad55的功率计量系统的设计

在测量和计算当前的机械电度表体积大、精度低的情况下，需要派专业人员复制表，工作量大，不利于集中管理。现在，广泛采用的传输采样方法是高精度的，测量精度，便于计算机集中管理。为了确保测量精度，应确保采样时间正确，每个采样周期采集足够的数据，这对数据转换速度和阵列处理速度有高要求。为了获得功率值，需要计算大量的值。编程过程中存在许多问题。在这项工作中，我们提出了一种简单有效的测量方法。输出和电源输出的功率计算公式。输出和电源输出的频率信号可以与独立计算机进行处理，以获得功率值。1瞬时功率信号电流—AD7755芯片的工作原理AD7755是美国模拟器件公司(ADI)生产的一种高准确度电能测量集成电路.它的内部只有模/数转换电路和基准电源是用模拟电路,其它的信号处理都使用数字电路,这使得AD7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性,具有优良的温度和时间稳定性,其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求,能适应各种环境要求,为电能表的质量提供了保证.AD7755的输入为电流和电压信号,输出为与有功功率成正比频率信号,其内部组成主要由可编程放大器、电源监控电路、基准电路、模/数转换电路(ADC)、相位校正网络、乘法器、高通滤波(HPF)、低通滤波(LPF)、数字—频率转换器等组成.其内部原理框图如图1所示.图中,由V1P,V1N组成的电流通道输入电流信号,由V2P和V2N组成的电压通道输入电压信号,其中电流通道经过可变增益放大器PGA,用户可方便地根据需要调整增益为1,2,8或16.两信号进入模/数转换电路ADC转换成数字信号,这两个ADC都是16为二阶∑—Δ模数转换器,其过采样速率达900kHz.由于电流互感器中可能有直流信号,需经高通滤波滤去直流成分后送乘法器,与ADC送来的电压信号相乘得瞬时功率信号.设输入的电流信号为i(t)=Icosωt;输入的电压信号为V(t)=Vcosωt;则瞬时功率为p(t)=VI[1+cos2ωt]/2.(1)对式(1)瞬时功率进行低通滤波,低通滤波让直流分量通过,滤去交流分量即可得到瞬时有功功率.在工业现场,电流和电压信号经常存在不同相的情况,电流信号滞后电压信号Φ,相移功率因数为cosΦ,若电流信号和电压信号都是正弦信号,则瞬时功率信号中的有功功率分量为VIcosΦ/2,图2为用瞬时功率信号的直流分量表示有功功率.对于非正弦电压和电流,瞬时电压和电流可用富里叶变换表达成它们谐波分量之和:V(t)=V0+2√∑h≠0∞Vhsin(hωt+αh)(2)2∑h≠0∞Vhsin(hωt+αh)(2)式中V(t)为瞬时电压;V0为电压平均值;Vh为h次电压谐波有效值;αh为h次电压谐波的相位角.i(t)=I0+2√∑h≠0∞Ihsin(hωt+αh)(3)i(t)=Ι0+2∑h≠0∞Ιhsin(hωt+αh)(3)式中i(t)为瞬时电流;I0为电流的直流分量;Ih为h次电流谐波分量;βh为h次电流谐波的相位角.利用式(2),式(3),有功功率P可以用它们的基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和表达.P=P1+PH式中P1=V1I1cosΦ1,Φ1=α1-β1;PH=∑h≠0∞ΡΗ=∑h≠0∞VhIhcosΦh,Φh=αh-βh.所以由电压和电流波形提供的各次谐波都产生有功功率分量.从以上的分析可看出,在正弦波情况下功率因数的计算都是精确的,而谐波的功率因数是由一系列的正弦波组成的,因此谐波的功率因数和有功功率的计算也是正确的.AD7755的输出频率就是对上述有功功率信息累计产生的,即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加,因此输出频率正比于有功功率,我们把输出频率脉冲进一步累加,就能获得电能计量信息.2数据及功率计量部分已与数据融合方案设计硬件设计原理框图如图3所示.整个设计可分为功率计量和数据处理两部分,功率计量部分实现对电流和电压信号的采样,产生功率脉冲的功能.数据处理部分完成功率脉冲积算以及系统各模块之间的协调访问等功能.2.1高效输出电路功率计量部分主要包括AD7755、分流器、分压器、基本电压源、保护电路、光电耦合输出电路.设计输出选择AD7755高频引脚CF,光电耦合器隔离输出,其输出频率为瞬时功率的大小,设置SCF=0,S1=1,S0=1,则F1-4=13.6Hz,此时CF的最高输出频率为2048F1,F2=5570Hz,其脉宽都固定为18μs.2.2u30003s-4-4s-ubnib-ubnib-ubib-ubib-ubnib-ubib-ubnib-ubib-ubib-ubib-ubnib-ubnib-ubnib-ubib-ubnib-ubnib-ubib-ubnib-ubnib-ubnib-ubib-ubnib-ubib-ubcibsd-采集此部分由8253、单片机和LCD显示电路组成.芯片8253内部有3个独立16位计数器,计数频率达2MHz,而AD7755在输入满度交流信号的情况下,CF的最高输出频率为5.57kHz,完全可满足AD7755的计数要求,可通过单片机的控制实现多路测量.内部定时器设定积分时间内对CF输出的脉冲计数,平均功率正比于平均频率:平均功率=脉冲个数/积分时间.一个周期内消耗的电能为:电能=平均功率×积分时间=脉冲个数.对于单相电的测量可利用图3实现,本文重点分析三相交流电的测量.三相交流电有三相三线制和三相四线制,三相三线制一般iA+iB+ic=0,其三相有功功率为P=uANiA+uBNiB+uCNiC=uANiA+uBNiB-uCN(iA+iB)=uACiA+uBCiB(4)三相四线制其三相有功功率之和为P=uANiA+uBNiB+uCNiC(5)由式(4),式(5)可知,三相三线制功率输入信号为线电压和相电流,三相四线制为相电压和相电流,我们可在测量原理图的基础上用图4对三相有功功率进行测量:三线四线制时,直接取3个相电压和3个相电流分送3个AD7755,AD7755输出脉冲送8253,由它的3个独立计数器计量功率脉冲.三相三线制只需接2个AD7755,另一个AD7755没有脉冲输出,对应计数器值为零.3系统主程序框图整个系统主要包括主程序,系统初始化、电量脉冲计算、电量转化、LCD显示、数据保存等功能子程序,通过主程序直接或通过中断的方式调用子程序,实现系统整体功能.主程序框图如图5所示.4负载模拟系统的选择1)在某些特殊场合的使用过程中,有时会出现AD7755的CF和F1/F2两个输出有不同步现象,这是由于在负载电流小于国际标准IEC1036和国家标准GBN7215规定的启动电流时(AD7755的启动电流要小于标准规定的启动电流),AD7755的CF端的工作方式和F1/F2端的工作不完全相同,F1/F2端可能会处于工作和不工作之间,导致两端口输出不完全一致,按标准规定,负载电流小于启动电流,电能表可以不作计量,因此虽然不同步但输出结果都符合国家标准.2)为了使电源的纹波和噪声减小到最低程度,DVDD(数字电源引脚)、AVDD(模拟电源引脚)REFIN/OUT(基准电压输入输出引脚)都应使用10μF电容并联100nF瓷介电容进行去耦.3)CF的输出即使在稳定负载条件下仍然随时间变化,这种变化是由于瞬时有功功率信号中的cos2ωt引起的.CF以高频输出时,对瞬时有功功率进行累加完成频率转换的过程,累加时间较短,减弱了对cos2ωt的平均作用,部分瞬时功率信号成分通过了数字—频率转换器,解决办法是CF的输出频率还应该用频率计数器进一步平均,消除纹波.CF用于带微处理器的计量场合,也应平均后再计算功率.4)AD7755是对ES