專(zhuān)利名稱(chēng)：用于確定電流和電壓之間的相對(duì)相移的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定三相電或交流電中電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位或相移的設(shè)備，其包括用于采集電流變化的電流采集裝置和用于采集電壓變化的電壓采集裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種用于確定相對(duì)相位的對(duì)應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
為了控制電機(jī)，經(jīng)常需要識(shí)別控制交流電的有效功率。為了確定該有效功率，除了電流和電壓之外還需要相對(duì)的相位角Phi。即，有效功率P定義為P＝U*I*cos Phi＝u(t)*i(t)＝S*cos Phi因此視在功率定義為S＝U*I在此，值U和I分別表示電壓和電流的有效值，而u(t)和i(t)分別表示電壓和電流的瞬間值。
一種目前公知的用于測(cè)量交流電的有效功率的方法基于功率測(cè)量。其中，既采集電壓和電流的有效值U和I又采集電壓和電流的瞬間值u(t)和i(t)，并從中計(jì)算出有效功率P以及視在功率S。相位角Phi以及其余弦按照下式給出cos Phi＝P/S另一種公知的確定電流和電壓之間相位的方法基于時(shí)間測(cè)量。其中，利用A/D轉(zhuǎn)換器采集電流和電壓的模擬信號(hào)并且記錄兩個(gè)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)。這些過(guò)零點(diǎn)用于對(duì)采集信號(hào)之間的時(shí)間差的中斷控制，其中在所使用的微控制器上要求專(zhuān)門(mén)的中斷輸入。為了確定相對(duì)的相位，除了測(cè)量過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間之外，還采集信號(hào)頻率。該方法相當(dāng)容易被干擾，因?yàn)槔玑槍?duì)時(shí)間測(cè)量的錯(cuò)誤或沒(méi)有記錄的中斷會(huì)使得相位Phi的測(cè)量完全不可能。
在文獻(xiàn)EP 0788210B1中描述了借助于時(shí)間測(cè)量確定相位Phi的一種變形。在該文獻(xiàn)中，為了確定相位使用了數(shù)字和模擬信號(hào)的組合。特別是，模擬地采集電流并且按照HW匹配數(shù)字地采集電壓。這種方法也由于受中斷控制的時(shí)間測(cè)量而容易被干擾。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，利用一種簡(jiǎn)化的設(shè)備以及一種簡(jiǎn)化的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓之間相對(duì)相位的測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明，上述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)一種用于確定交流電中電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的設(shè)備解決的，該設(shè)備包括用于采集電流變化的電流采集裝置和用于采集電壓變化的電壓采集裝置，以及用于獲得相位信號(hào)的信號(hào)產(chǎn)生電路，該相位信號(hào)反映了電流變化和電壓變化相互之間的、從-π至+π觀察的絕對(duì)相位的不同符號(hào)，以及用于掃描相位信號(hào)的掃描裝置，以獲得代表著電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的掃描值。
此外，按照本發(fā)明，提供了一種用于確定交流電中電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的方法，包括采集電流變化和采集電壓變化，以及獲得相位信號(hào)，該相位信號(hào)反映了電流變化和電壓變化相互之間的、從-π至+π觀察的絕對(duì)相位的不同符號(hào)，以及掃描相位信號(hào)，以獲得代表著電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的掃描值。
由此，可以確定取決于頻率的相位Phi，其中僅僅遵循掃描原理。此外，通過(guò)本發(fā)明給出了高的抗干擾性。因?yàn)閱蝹€(gè)的錯(cuò)誤掃描僅僅導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量結(jié)果的微小偏差。掃描值之間的干擾幾乎是無(wú)關(guān)緊要的。這點(diǎn)相對(duì)于利用時(shí)間測(cè)量的方法來(lái)說(shuō)帶來(lái)了明顯的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選地，信號(hào)產(chǎn)生電路包括用于從電流變化和電壓變化中分別產(chǎn)生矩形信號(hào)的矩形產(chǎn)生電路，以及用于對(duì)兩個(gè)矩形信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算的邏輯電路，其中所產(chǎn)生的信號(hào)相當(dāng)于相位信號(hào)?；蛘?，信號(hào)產(chǎn)生電路可以包括用于將電壓變化和電流變化進(jìn)行相乘的乘法器，在此所產(chǎn)生的信號(hào)也相當(dāng)于相位信號(hào)。
此外，本發(fā)明的設(shè)備包括計(jì)算裝置，用于從掃描值中計(jì)算出相位值以及尤其是相位值的余弦。因?yàn)榘凑毡景l(fā)明不需要除法和乘法，計(jì)算裝置通過(guò)有利地選擇掃描值而需要極少的計(jì)算時(shí)間。此外，可以將處理器負(fù)擔(dān)均勻地分布，因?yàn)樵撎幚砥髫?fù)擔(dān)基本上是通過(guò)掃描和累加來(lái)確定，而不產(chǎn)生觸發(fā)中斷的高負(fù)載峰值。
可以將邏輯電路、掃描裝置和計(jì)算裝置集成在微控制器中。如果將所提到的矩形信號(hào)產(chǎn)生電路接在微控制器之前，則可以將該微控制器限制為只有數(shù)字輸入。


下面對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，圖中圖1示出了本發(fā)明的用于確定電流和電壓之間的相對(duì)相位的設(shè)備的電路圖，圖2示出了電流信號(hào)和電壓信號(hào)以及所屬的矩形信號(hào)的信號(hào)變化圖，并且圖3示出了從矩形信號(hào)中獲得的相位信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的掃描信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述的實(shí)施方式表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
通過(guò)導(dǎo)線2為電機(jī)1提供交流電。在抽頭點(diǎn)3上量取電機(jī)1上的電壓。借助于矩形信號(hào)產(chǎn)生電路4將模擬的交流電壓變換為矩形信號(hào)，該矩形信號(hào)施加在微控制器5的數(shù)字輸入端。
借助于線圈6感應(yīng)的在導(dǎo)線2上量取提供給電機(jī)1的電流。后接的矩形信號(hào)產(chǎn)生電路7在此也從模擬的電流變化信號(hào)中產(chǎn)生矩形信號(hào)，同樣將該矩形信號(hào)提供到微控制器5的數(shù)字輸入端。
圖2中反映了在上面所示電路中采集的電壓和電流變化。在例如可以通過(guò)比較器實(shí)現(xiàn)的矩形信號(hào)產(chǎn)生電路4和7中根據(jù)下列規(guī)則將電壓和電流轉(zhuǎn)換為對(duì)稱(chēng)的矩形信號(hào)如果(u(t)＞0)u′(t)＝1；如果(u(t)＜0)u′(t)＝0；由此形成了在圖2下面圖形中示出的矩形信號(hào)u′(t)和i′(t)。矩形信號(hào)u′(t)和i′(t)的相位差與模擬信號(hào)u(t)和i(t)的相位差對(duì)應(yīng)。
在微控制器5中對(duì)矩形信號(hào)u′(t)和i′(t)進(jìn)行異或運(yùn)算。由此形成在圖3上部給出的信號(hào)。如果模擬信號(hào)u(t)和i(t)具有不同的符號(hào)，則該信號(hào)不為0。該信號(hào)用來(lái)確定相位，因此在本文獻(xiàn)中被稱(chēng)為具有相應(yīng)相位值的相位信號(hào)。隨后在微控制器5中對(duì)該相位信號(hào)進(jìn)行掃描，其中遵循掃描原理。將不為0的掃描值的數(shù)目相加或累加，并且建立該和與掃描值總數(shù)的比例。從該比值中產(chǎn)生電壓變化u(t)和電流變化i(t)之間的相移。
在下面的例子中更詳細(xì)地解釋了該計(jì)算在特定時(shí)間段中掃描值的總數(shù)是n。不為0的掃描值、即其中相位信號(hào)不等于0(簡(jiǎn)稱(chēng)為異或掃描值)的數(shù)目是X。由此，對(duì)于X＝0的情況不形成相移，即Phi＝0°。反之，對(duì)于X＝n的情況形成Phi＝180°的相移?？梢詮南旅娴囊话愎街袑?dǎo)出相移Phi|Phi|＝(X/n)*180°。
角度Phi可以僅僅確定大小；不過(guò)，符號(hào)對(duì)于確定余弦Phi是不重要的，因?yàn)閏os Phi＝cos(-Phi)。
對(duì)于余弦Phi的顯示，在有負(fù)載時(shí)僅僅余弦Phi＞＝0是重要的，因?yàn)椋?的值顯示發(fā)電機(jī)。
為了得到有意義的結(jié)果，不僅遵循掃描原理，而且將掃描值的總數(shù)n相應(yīng)選擇得很高。如果例如通過(guò)不足掃描破壞了掃描原理，則這樣選擇掃描頻率，使得信號(hào)頻率不出現(xiàn)“間歇”。
在一個(gè)具體的例子中掃描值n＝42以及異或掃描值X＝10。因此得出Phi＝(10/42)*180°Phi＝42.9°在此要注意，隨著掃描值數(shù)目的提高，相位角的分辨率也對(duì)應(yīng)地提高。
權(quán)利要求
1.一種用于確定交流電中電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的設(shè)備，包括-用于采集電流變化的電流采集裝置(6)和-用于采集電壓變化的電壓采集裝置，其特征在于，-用于獲得相位信號(hào)的信號(hào)產(chǎn)生電路，該相位信號(hào)反映了電流變化和電壓變化相互之間的、從-π至+π觀察的絕對(duì)相位的不同符號(hào)，以及-用于掃描相位信號(hào)的掃描裝置，以便獲得代表著電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的掃描值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述信號(hào)產(chǎn)生電路包括用于分別從電流變化和電壓變化中產(chǎn)生矩形信號(hào)的矩形產(chǎn)生電路(4，7)，以及用于對(duì)兩個(gè)矩形信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算的邏輯電路，其中所形成的信號(hào)對(duì)應(yīng)于相位信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述信號(hào)產(chǎn)生電路包括用于將電壓變化和電流變化進(jìn)行相乘的乘法器，并且所形成的信號(hào)對(duì)應(yīng)于相位信號(hào)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括計(jì)算裝置，以便從掃描值中計(jì)算出相位值以及尤其是相位值的余弦。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的設(shè)備，其中，將所述邏輯電路和計(jì)算裝置集成在微控制器(5)中。
6.一種用于確定交流電中電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的方法，包括-采集電流變化和-采集電壓變化，其特征在于，-獲得相位信號(hào)，該相位信號(hào)反映了電流變化和電壓變化相互之間的、從-π至+π觀察的絕對(duì)相位的不同符號(hào)，以及-掃描相位信號(hào)，以便獲得代表著電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的掃描值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，獲取相位信號(hào)包括分別從電流變化和電壓變化中產(chǎn)生矩形信號(hào)，以及對(duì)兩個(gè)矩形信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，獲取相位信號(hào)包括將電壓變化和電流變化進(jìn)行相乘。
9.根據(jù)權(quán)利要求中6至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，從掃描值中計(jì)算出相位值以及尤其是相位值的余弦。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，在微控制器中進(jìn)行對(duì)矩形信號(hào)的異或運(yùn)算、所述掃描以及從掃描值中計(jì)算相位值，其中僅僅數(shù)字地輸入信號(hào)。
全文摘要
為了簡(jiǎn)化例如在電機(jī)的控制中測(cè)量電流和電壓之間的相對(duì)相位，本發(fā)明從電流變化和電壓變化中獲得相位信號(hào)，該相位信號(hào)反映了電流變化和電壓變化相互之間的、從－π至+π觀察的絕對(duì)相位的不同符號(hào)。掃描相位信號(hào)，以獲得代表著電流變化和電壓變化之間的相對(duì)相位的掃描值。
文檔編號(hào)G01R25/00GK1816750SQ200480018734
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者馬賽厄斯·邁耶, 曼弗雷德·普羅爾斯 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司