單相電源諧波測(cè)量檢測(cè)作業(yè)

1、單相電源諧波測(cè)量1. 功能1）能夠選擇查看某一諧波幅值；2）最高諧波次數(shù)為20次；3）被顯示的諧波幅值用相對(duì)值表示（諧波幅值 /基波幅值）2. 指標(biāo)測(cè)量精度：0.1%二. 測(cè)量原理及其算法算法原理：一個(gè)周期為21的函數(shù)f（x）可用傅立葉基數(shù)展開為f(x)ao2/ n x(an cosn 1lbn sin 亍)(1)其中：ao1 1| | f(x)dx ,f(x)cos干dx , bnlf (x)sindx將連續(xù)函數(shù)的傅立葉基數(shù)展開式（1）離散化。為了離散化（1）式,在周期區(qū)間（o, 2l ）上等間隔的取 N個(gè)點(diǎn)，取樣間隔為t，那么l NJ2這里要注意dx t 。則f（x）的離散化序列為xo，x

2、1,x2,xN 1 ，且X數(shù)，由此（1）式的離散化形式為:lNaoxi 2(ak cos2 ki其中:2 N 12 kia。Gx，akXi cos , bk2 N 1. 2 kixi sin在這里對(duì)做一個(gè)變換，對(duì)其分子分母同乘以t后變?yōu)椋篘2 （i t），由此可得出第Xk項(xiàng)為一個(gè)正弦和一個(gè)余弦周期函數(shù)之N t和'其頻率同為：fk占半，其中T為所取序列總的時(shí)間長(zhǎng)度。隨 著k的增大，三角函數(shù)的頻率逐漸增加，周期逐漸減小，其周期為:Tk N-t -。當(dāng)k N 2時(shí)，諧波的頻率最大為：fN ，該頻 fk k k22 t率稱為Nyquist頻率，當(dāng)k從N2取到N時(shí)，其結(jié)果與k從0取到N2是鏡像對(duì)

3、稱的?，F(xiàn)在將（2）式的各次諧波寫成如下形式：Xiao2Ck cos(2 kiNK)(3)其中：Ck - a2 bk2，為k次諧波的振幅；k arctan（鳥），為k次諧波ak的初相 實(shí)現(xiàn)方案：以單片機(jī)為核心，配以適當(dāng)?shù)挠布娐泛蛙浖脑O(shè)計(jì) ，實(shí)現(xiàn)對(duì)單 相諧波的測(cè)量。1. 通過互感器將輸入信號(hào)線性變換為-5v - +5v 電壓信號(hào)。2. 由于傳感器、放大電路本身的影響，造成在信號(hào)進(jìn)入采樣保持器之前,所采信號(hào)中混有各種頻率的信號(hào)。為保證諧波分析的精確性，采用前置濾波器進(jìn)行抗混疊濾波，濾去諧波中的高頻成分，使輸入 到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)為有限帶寬，防止信號(hào)的頻譜發(fā)生混疊及高 頻干擾。3. 采用集成鎖相環(huán)

4、芯片CD4046和計(jì)數(shù)器74LS393組成鎖相環(huán) 電路來解決由電網(wǎng)畸變波形周期波動(dòng)造成的采樣不同步和采樣頻率不是畸波頻率整數(shù)倍造成的頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。4.將濾波后的信號(hào)輸入到芯片MAX12進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換5.利用AT89C55WID片機(jī)，C語言編程，對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行采集，采集的信號(hào)先存儲(chǔ)到外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。當(dāng)達(dá)到所要求的點(diǎn)數(shù)時(shí)，進(jìn)行DFT算法，計(jì)算出電參數(shù)，將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器6.將計(jì)算的出的電參數(shù)進(jìn)行液晶顯示。電流互感器信號(hào)預(yù)處理電路電壓互感器核心處理器AT89C55WDCM12864液晶顯示外擴(kuò)的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器62256和程序存儲(chǔ)器 27C256通訊接口硬件電路原理圖三. 硬件設(shè)計(jì)方案1

5、、電壓電流互感器電路本系統(tǒng)選用HPT205A&壓互感器和HCTZO電流互感器。這兩種互感 器的信號(hào)頻率范圍為 20Hz3kHz本系統(tǒng)測(cè)量諧波的最高次數(shù)為 20 次，則測(cè)量最高頻率為 1kHz,在其頻帶范圍內(nèi)。另外，HPT205A和 HCT204精度均為0.1%,能滿足精度要求。HPT205A輸入電流為O 2mA輸出也為0 一 2mA使用時(shí)需要加限流電阻使得輸入電流在 2mA 內(nèi)。HPT204電壓輸入為05A輸出為02.5mA由于互感器輸出信 號(hào)均為電流信號(hào)，在使用時(shí)需要能將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓。電壓電流互感器采集2.濾波電路如圖所示，為保證諧波分析的精確性對(duì)信號(hào)的濾波，濾去 諧波中的高頻成分

6、， 使輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)為有限帶寬， 防止信 號(hào)的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。C2aC2b3電網(wǎng)頻率不是一成不變的，因此以固定的采樣頻率對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣就會(huì)產(chǎn)頻生譜泄露。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)采樣頻率將不能與輸 入信號(hào)同步，從而產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)同步電路來解決這些問題。此電路由集成鎖相環(huán)芯片 CD4060和計(jì)數(shù) 器74LS393組成鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖INT1A 74LS3 9314飛MRQ0Q1Q2Q3>CLKQ0Q1Q2MRQ313128B 74LS3 931 11 09C420°PfR6671 0K404 6AINPCPBINPC1VCININHPC2CA

7、CBVCOUTR1R2SFZEN951 112R81MR72.2 u100KC54.信號(hào)預(yù)處理模塊如下圖所示，為保證諧波分析的精確性，用輸 入時(shí)鐘頻率控制輸出轉(zhuǎn)角頻率的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波，濾去諧波中的高頻成分，使輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)為有限帶寬， 防 止信號(hào)的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。，這里芯片的CLK采用外接一個(gè)小電容的方式產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)MAX293接線原理圖5. A/D轉(zhuǎn)換模塊如下圖所示，A/D選用了 MAXIM公司生產(chǎn)的 同步采樣數(shù)據(jù)采集芯片MAXI25是一種高速多通道的數(shù)據(jù)采集芯片， 14位字長(zhǎng)，16MHz外部時(shí)鐘，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 3us。參考電 壓可選用器件內(nèi)部提供的2.

8、5V，也可選用外部參考電壓。片上帶有 4個(gè)采樣/保持電路，每個(gè)采樣/保持電路可同時(shí)用于2路輸入。此 處用輸入通道CHI來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換cs處于低電平有效，WR也處于低電平有效，數(shù)據(jù)在CS或WR上 升沿被讀入器件內(nèi)鎖存，之后等待轉(zhuǎn)換。CONVST的一個(gè)地脈沖到來， 則可進(jìn)行一次數(shù)模轉(zhuǎn)換，每進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，則檢測(cè)一次INT信號(hào)， 若出現(xiàn)低電平，則轉(zhuǎn)換結(jié)束。MAX125A/D轉(zhuǎn)換電路6.轉(zhuǎn)換后的的信號(hào)輸出到單片機(jī)進(jìn)行分析，但由于MAXI25非三態(tài)，因此不能直接與總線相連，且 MAXI25為14位，AT89C55W為8位。因此，需要增加2片74F245高速八總線收發(fā)器將8位I /O 口擴(kuò) 展使用，

9、然后在送入單片機(jī)進(jìn)行分析7顯示模塊如下圖所示，CM12864-12漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊， 可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字 符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RA（GDRA）與MCU接口可選 8位或4位并行/3位串行。為節(jié)省單片機(jī)I/O 口，本系統(tǒng)采用3位 串行接口。顯示電路8.設(shè)置三個(gè)按鍵A、E、C。A鍵開關(guān)機(jī)，B鍵用來增加顯示諧波幅 值的次數(shù)，C鍵鍵用來降低顯示諧波幅值的次數(shù)。四. 諧波分析軟件流程圖如下圖所示主程序流程圖單片機(jī)中斷信號(hào)讀轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)組合數(shù)據(jù)的高位和低位寫入存儲(chǔ)器廠采集結(jié)束處理采集數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換流程圖參考文獻(xiàn)1. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償 .機(jī)械工業(yè)出版社 .19982. 快速傅里葉變換電網(wǎng)諧波分析儀的研究 .哈爾濱理工大學(xué) .20073. 窗函數(shù)特性及加窗插值FFT算法的研究.鄭州大學(xué).20104. 諧波分析的加窗插值改進(jìn)算法 .中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) .200