用于实时谐波频谱分析仪的装置和方法制造方法及图纸

在一个实施例中，测量装置可以包括两台振荡器。第一振荡器可以在频率检测器中产生本地参考信号以检测AC的基本频率。第二振荡器可以产生具有选定频率的两个大致相互正交的正弦曲线信号。所述测量装置进一步可以包括：将两个正弦曲线信号分别与交流电的电流和电压数据信号混合的第一组乘法器、用于从乘积除去高频分量的一组低通滤波器、用于分别混合被滤波的乘积的第二组乘法器以及各自将第二组乘法器的一对乘积加起来的多个加法器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于实时谐波频谱分析仪的装置和方法相关申请本申请要求2011年4月29日提交的美国专利申请No.13/098,305的优先权，并且涉及也于2011年4月29日提交的共同待决的申请美国专利申请No.13/097,796“SYSTEMANDMETHODFORDETECTINGAFUNDAMENTALFREQUENCYOFANELECTRICPOWERSYSTEM”。
本专利技术大体涉及一种用于测量电功率系统中的功率的装置和方法。特别地，本专利技术涉及一种使用频率检测器和双通道数控振荡器来测量在基本频率或在谐波频率下的功率的装置和方法。
技术介绍
电力通常以在某一基本频率(例如，在美国60Hz)下的交流电(AC)的形式从电力供应商输送至消费者。例如三相AC的电力的消耗通常由功率计测量。当功率供应系统的负载包括非线性分量时，在功率供应线上可能产生除基本频率以外的谐波频率。另外，当负载不是纯电阻性的时，电压V的波形在时域上可能超前或滞后于电流I的波形或在频域上具有相位偏移。在各频率下的电功率可以包括三个分量：视在功率(Papp)、有功功率(Pact)和无功功率(Preact)。对于特定的角频率w的视在功率Papp(w)可以被定义为电压V(w)和电流I(w)的大小的乘积，即P(w)=V(w)*I(w)。有功功率Pact(w)可以被定义为在特定时间的负载能力或从功率源流入到负载的能量。无功功率Preactive(w)可以被定义为从负载反弹到电源的能量。如果电流与电压之间的相位偏移是Φ，则Pact(w)=Papp(w)*|Cos(Φ)|并且Preact(w)=Papp(w)*|Sin(Φ)|。当非线性负载例如开关式电源的数量增加时，在电功率系统中可能存在更大量的谐波含量。这些谐波可以限制用以将来自电源的电功率输送至负载的电力系统的有效性。低价的数字信号处理(DSP)和高性能模数转换转换器(ADC)的组合为电功率供应商提供用于改进和最佳化电功率计的新选项。业主供应商可能不仅希望知道在基本频率下输送了多少电功率而且还希望知道在谐波频率下输送了多少电功率。另外，能量的供应商可能希望知道关于谐波的存在性，因为这些谐波具有损害一些输送设备(例如，电线和变压器)的可能性。用于计算在基本频率或谐波频率下的功率的当前技术主要基于锁相环(PLL)和带通滤波器。其它方法可以使用FFT变换。这些方法和装置经历持续很久的计算时间。特别地，谐波的级别主要是未知的，并且当尝试锁住越来越靠近采样频率的信号时，PLL性能下降。考虑到用于测量功率消耗的当前技术，存在对近乎实时地计算同时在基本频率下或在多个谐波频率下的功率的需要。附图说明图1示出根据本专利技术的示例性实施例的用于测量功率的系统的部件级图。图2示出根据本专利技术的示例性实施例的用于测量在谐波频率下的功率的系统的部件级图。图3示出根据本专利技术的一个示例性实施例的计算在基本频率下或在谐波频率下的功率的示例过程。图4示出根据本专利技术的一个示例性实施例的基于实测基本和/或谐波功率执行进一步计算的系统的部件级图。具体实施方式本专利技术实施例可以提供用于测量关于选定频率的交流电(AC)的功率的装置和方法。在一个实施例中，测量装置可以包括两台振荡器。第一振荡器可以在频率检测器中产生本地参考信号以检测AC的基本频率。第二振荡器可以产生具有选定频率的两个大致相互正交的正弦曲线信号。该测量装置进一步可以包括：将两个正弦曲线信号分别与交流电的电流和电压数据信号混合的第一组乘法器、用于从乘积除去高频分量的一组低通滤波器、用于分别混合被滤波的乘积的第二组乘法器以及各自将第二组乘法器的一对乘积加起来的多个加法器。另一个实施例可以提供用于测量关于选定频率的交流电(AC)的功率的方法。该方法可以包括：通过检测本地产生的参考信号与AC的输入数据信号之间的相位差来检测AC电流的基本频率；基于检测到的基本频率，产生第一和第二大致相互正交的正弦曲线信号；将一对第一和第二正弦曲线信号分别乘以AC电流的电流信号和电压信号；分别对乘积进行滤波；以及使用被滤波的乘积来计算AC电流的功率。图1示出根据本专利技术的示例性实施例的用于测量在基本频率下的AC电流的功率的系统100的部件级图。在一个示例实施例中，输入电压和电流信号可以是数字化的AC电压和电流信号(例如，使用模数转换器(ADC))。系统100可以包括：频率检测器102，用以检测AC电流的基本频率；以及功率分析仪112，用以分析在检测到的基本频率下的AC电流的功率。在一个实施例中，分析的功率可以包括均方根(RMS)电压和电流、以及AC电流的有功功率和无功功率。频率检测器102可以包括相位误差检测器104、控制器106、数控振荡器108和加法器110。相位误差检测器104可以接收输入信号Vin和由数控振荡器108产生的本地参考信号。输入信号Vin可以是三相AC供应电流(例如，VA、VB、VC)的三个相中的一个的信号。参考信号可以是具有接近AC电流的基本频率(例如，基本频率的初始猜测值)的正弦曲线信号。相位误差检测器104可以产生表示在输入信号Vin与本地参考信号之间的相位比较的输出信号。相位比较可以被发送至控制器106。控制器106可以产生将发送至数控振荡器108的指示检测到基本频率的控制信号。加法器110可以将初始相位添加到控制信号用于本地参考信号。频率检测器102可以通过将初始频率设置成接近于AC电流的实际频率(例如，50Hz或60Hz)来操作，并且控制器106可以将本地参考信号的频率调节至接近输入信号Vin的实际基本频率以降低相位误差以及检测到的实际基本频率。在一个实施例中，累加器可以被包括在相位误差检测器104与控制器106之间以累加检测到的相位误差。另外，在一个实施例中，控制器106可以使用本领域已知的比例、积分和微分处理中的一个或多个，并且可以对结果求和。此外，在一个实施例中，控制器106可以是将连续回路中的本地参考信号的频率更新至接近AC电流的基本频率的回路控制器。回路控制器的进一步描述可以在共同待决的申请(申请序列No.13/097,796)中找到，该申请的全部内容通过引用并入本文。功率分析仪112可以包括：数控振荡器120、用以提取离散频率分量的第一组功能单元和用以使用提取的离散频率分量来计算各种功率的第二组功能单元。数控振荡器120可以从频率检测器102接收具有初始相位的控制信号并且产生有90°相位移的两个正弦曲线信号S1和S2(例如，S1是正弦信号，并且S2是余弦信号)。在一个实施例中，数控振荡器120可以被称为双DCO。功率分析仪112的提取离散频率分量的第一组功能单元可以包括一组乘法器122、124、126和128以及多个滤波器130、132、134和136。各乘法器122、124、126和128可以将输入电压信号Vin或输入电流信号Iin乘以由数控振荡器120产生的S1和S2中的一个，并且各乘法器的输出可以分别由滤波器130、132、134和136滤波以除去高频分量。例如，乘法器122可以将S1乘以Vin，并且相乘结果可以由滤波器130滤波。在一个实施例中，滤波器130、132、134和136可以是任意类型和任意阶数的低通滤波器(例如，有限脉冲响应(FIR)滤波器、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量关于选定频率的交流电(AC)的功率的装置，其包括：频率检测器，所述频率检测器具有用以产生本地参考信号以检测所述AC的基本频率的第一振荡器；以及用以分析所述AC的功率的功率分析仪，所述功率分析仪包括：第二振荡器，所述第二振荡器用以在选定频率下产生第一和第二大致相互正交的正弦曲线信号；第一组乘法器，所述第一组乘法器用于将所述第一和第二正弦曲线信号分别与所述AC的电流数据信号和电压数据信号混合；一组低通滤波器，所述一组低通滤波器用于分别从所述第一组乘法器的乘积除去高频分量；第二组乘法器，所述第二组乘法器用于分别混合所述被滤波的乘积；以及多个加法器，所述多个加法器各自将所述第二组乘法器的一对乘积加起来。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.29 US 13/098,3051.一种用于测量交流电(AC)的功率的装置，其包括：频率检测器，所述频率检测器具有用以产生本地参考信号以检测所述AC的基本频率的第一振荡器和用以产生指示所述AC的所检测的基本频率的控制信号的控制器；以及用以分析所述AC的功率的功率分析仪，所述功率分析仪包括：第二振荡器，所述第二振荡器用以接收来自所述频率检测器的所述控制信号，用以在所述AC的谐波下产生相互正交的第一和第二正弦曲线信号；第一组乘法器，所述第一组乘法器用于将所述第一和第二正弦曲线信号分别与所述AC的电流数据信号和电压数据信号混合；一组低通滤波器，所述一组低通滤波器用于分别从所述第一组乘法器的乘积除去高频分量；第二组乘法器，所述第二组乘法器用于分别混合被滤波的乘积；以及多个加法器，所述多个加法器各自将所述第二组乘法器的一对乘积加起来。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述谐波是所述AC的第一谐波。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述谐波大于所述AC的第一谐波。4.根据权利要求3所述的装置，其进一步包括实时功率因数分析仪，所述实时功率因数分析仪产生近实时指示功率因数的输出。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述AC的测量功率包括有功功率、无功功率、均方根电压和均方根电流。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述功率分析仪进一步包括用户增益级，所述用户增益级用以分别为所述有功功率和所述无功功率产生增益调节。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率分析仪进一步包括：第一多路复用器，所述第一多路复用器用于为所述频率检测器选择所述AC的电压数据信号；第二多路复用器，所述第二多路复用器用于为所述第一组乘法器选择所述AC的电压数据信号；以及第三多路复用器，所述第三多路复用器用于为所述第一组乘法器选择所述AC的电流数据信号。8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第二多路复用器包括用于选择的ISUM信号，所述ISUM信号表示来自3相的所有电流的和，并且第三多路复用器包括用于选择的IN信号选项，所述IN信号表示在3相AC中的单独的线上返回的实际中性线电流。9.根据权利要求8所述的装置，其进一步包括：第二功率分析仪，以及近实时谐波失真分析仪，其中所述功率分析仪中的一个产生所述基本频率的功率输出，并且所述功率分析仪中的另一个产生谐波频率的功率，所述实时谐波失真分析仪产生指示电压和电流中的谐波失真的输出。10.根据权利要求1所述的装置，其中所述低通滤波器中的每一个是二阶无限脉冲响应(IIR)滤波器。11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一振荡器使用接近所述AC的基本频率的估计初始频率来产生所述本地参考信号。12.一种用于测量交流电(AC)的功率的方法，其包括：通过检测本地产生的参考信号与所述AC的输入数据信号之间的相位差来检测所述AC的基本频率；产生具有初始相位的指示所检测的基本频率的控制信号；在所检测的所述AC的谐波下产生相互正交的第一和第二正弦曲线信号；将一对所述第一和第二正弦曲线信号分别乘以所述AC的电流信号和电压信号；分别对乘积进行滤波；以及使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·安东塞，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：
国别省市：