毕业论文三相智能电表的设计

毕业论文三相智能电表的设计内容摘要：

各模块构成进行详细介绍。 长春工业大学本科生毕业论文 8 本文的主要研究内容 本文主要研究基于三相电能专用计量芯片 ATT7022B 的多功能电能表。 本设计以 MCU 为控制单元，外围电路由各种专用芯片及器件实现，结构简单，整个芯片的体系结构和嵌入式资源配置可以适应高可靠性多功能电能表的设计需求。 计量模块由专用计量芯片构成， 实现正反向，抄压，欠压等诸多测量参数。 通信单元采用 RS485 通信模式，通信速率与抗干扰能力较高。 复费率设计，采用专用实时时钟芯片，保证了时间准确度及安全可靠。 此外，红外、显示及键盘单元均做出了详细的设计过程。 本论文的主要工作： （ 1）提出基于 ATT7022B 芯片的多功能电能表解决方案。 （ 2）根据功能需求进行系统的硬件和软件详细设计。 （ 3）编写软件代码和调试系统功能模块。 （ 4）优化整个系统。 论文共 5 章，基本安排如下： 第 1 章：绪论。 介绍论文的技术背景，对多功能电能表的现状和发展趋势进行了概述，提出 了论文的选题背景及意义，说明了论文所做的工作及论文结构安排。 第 2 章 分析了电能表的基本测量原理 ，包括对三相电路电源负载接线方式的介绍，对电子式电能表测量原理的介绍，着重介绍了几种乘法器的原理及应用。 第 3 章：多功能电子式电能表系统的硬件总体方案和各单元硬件电路设计。 硬件总体方案设计包括对电能表硬件功能模块进行划分，给出硬件组成方框图；各单元硬件电路设计包括主芯片、电能计量模块、 RS485 通信模块、红外通信模块、 LED 显示模块、铁电存储器模块、实时钟模块、电源模块。 第 4 章：多功能电能表软件详细设计。 软件设计采用模块化设计方法，包括主程序流程、各中断处理流程、有功和无功电能分时计量模块、键盘、显示及通信模块等设计，实现电能表多功能要求。 第 5 章：总结与展望。 总结了论文所做的工作，并对论文的不足与前景进行了展望。 长春工业大学本科生毕业论文 9 第 2 章 电能测量原理 三相电路接线方式 三相电源有两种基本连接方式：星形连接和三角形连接。 星形连接示意如图（ a）。 三相对称星形连接时，有如下关系： 3lpUU ， lpII (21) 式中： lU ， lI 线电压和线电流； pU ， pI 相电压和相电流。 对称三相电源可以采用三角形连接 (△连接 )，如果不对称程度比较大，所产生的环路电流将烧坏绕组。 三角形连接示意如图 22(b)。 三相对称三角形连接时，有如下关系： lpUU ， 3lpII (22) 式中： lU ， lI 线电压和线电流； pU ， pI 相电压和相电流。 ABCNCBAAUBUC CU BU AU( a ) 星 形 连 接 ( b ) 三 角 形 连 接图 2 . 1 三 相 电 源 的 星 形 连 接 和 三 角 形 连 接 三 相负载根据其接线方法一般有三相三线和三相四线之分，以下只讨论电源为 Y 形连接时的情况。 当发电机三相绕组按星形方式连接时，负载接成三角形方式，如图 (a)所示，称为三相三线制。 当发电机绕组按星形方式连接时，负载也接成星形方式，如图 (b)所示，称为三相四线制。 三相四线方式时，流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。 当电路为对称三相电路时，中线电流为零。 此时中线可以去掉，变为三相三线制。 长春工业大学本科生毕业论文 10 ACBAU BUCUNABCAIBIIZZZ CAI BCI ABI (a)负载三相三线连接 ACBAU BUCUNABICI ZZ ZNZ NIN ’ (b)负载的三线四线连接 图 三相负载接法图示 以上讨论了三相电源和负载的接线方法，这些知识有利于理解三相多功能电能表的参数采集电路和外部接线方式。 电能测量原理 电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流。 用户在某一时刻消耗电能的 “ 速度 ” 我们称为瞬时功率，它在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流值的乘积，将所有这样的 “ 瞬间 ” 消耗的电能加在一起就得到了总的用户消耗电能的数量。 因此，有功电能的计算可以用电压与电流瞬时值的乘积在时间上做积分得到，其测量可简单地描述如 下。 设在 t 时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： u ( t ) = s i n 2 s i nmU t U t () ( ) s i n ( ) 2 s i n ( )mi t I t U t       () 其中 u(t) t 时刻电压瞬时值； ()it － t 时刻电流瞬时值； mU －电 压峰值； mI －电流峰值； U －电压有效值； I －电流有效值；  －电压与电流相位差； ω －角长春工业大学本科生毕业论文 11 频率。 则在一个周期内平均有功功率 P 为  0001( ) ( )1si n ( )1c os( 2 ) c osc osTTmmTP u t i t dtTU tI t dtTU I t dtTUI        () 一个周期内的电能 W 为 0( ) ( ) c o sTW u t i t d t TU I  () 对于三相电路，总能量可以表示为三个分相能量之和： A B CW W W W   (25) 在实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含 50Hz 频率分量的正弦信号，而是含有很多谐波信号。 事实上我们可以发现瞬时功率信号 Pui 本身是一个含有直流分量和高频分量的信号，而任何频率不为 0 的频率分量从长期来看对于时间积分都没有贡献，因此电能计量数学上就相当于计算瞬时 功率 P 的直流分量在时间上的积分。 为了得到有功功率分量（即直流分量），需要对瞬时功率信号进行低通滤波处理。 三相有功电能的计量 三相电路分为三相三线制和三相四线制两种接法，下边分别讨论这两种电路的测量方法。 测量三相三线电路有功电能可以采用一表法和二表法。 一表法只能用于三相对称电路，实际中一般不会采用；工程中经常采用二表法计量三相电能。 三相三线电路的瞬时功率可表示为： A A B B C C A B A C B CP u i u i u i u i u i     () 式中： AB A Bu u u； CB C Bu u u； ABu 、 CBu —— 线电压的瞬时值。 由式 ()，用两只单相电能表测量三相三线电路的总电能，称为二表法，用这种方法测量三相三线有功电能的接线和原理如图。 两只单相电能表计量值相加即为三相总能量。 长春工业大学本科生毕业论文 12 ABC 三相四线电路可看成由三个单相电路组成的。 其平均功率 P 等 于各相有功功率之和，即 c o s c o s c o sA B C A A A B B B C C CP P P P U I U I U I        () 无论三相电路是否对称，上述公式都成立。 测量三相四线电路的有功电能经常用三只单相有功电能表（ DD 型） ,即三表法或三相四线式有功电能表（ DT 型），三表法就是在三根相线与零线之间分别跨接一只单相有功电能表，总能量即为三只单相表计量值之和，三相四线式有功电能表可以直接通过外部接线计量三相电能。 三相四线电路因为零线电流一般不为零，所以用二表法测量时 会存在较大的测量误差。 以上介绍了传统的三相电能测量方法，分别考虑了三相三线和三相四线方式，在电子式电能表成为主流的今天，越来越多的设计方案开始采用专用的三相电能 IC 芯片，例如 ADE775 ATT702 TM7752 等，这类芯片一般具有测量精度高、外围电路简单、校表容易等特点，并且在不改变电路设计的前提下，可同时适用于三相三线和三相四线方式，专用电能 IC 芯片已经成为三相电子式电能表设计的首选。 电子式电能表的测量原理 电能表测量电能的基本方法是将电压、电流相乘，然后在时间上累加起来，即积分。 电子式电能表实现积分的方法，是将功率转换为脉冲频率输出，该脉冲称为电能计量标准脉冲 Hf （或 Lf ），其频率正比于负荷功率。 电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，而乘法器是该单元的核心组成部分，乘法器是实现被测电压、电流相乘，输出为功率的器件。 常用的乘法器可分为模拟乘法器和数字乘法器两类，模拟乘法器的又分为霍尔效应型、时分割型等；数字乘法器又分为硬件乘法器和软件乘法器。 目前的电子式电能表多以数字乘法器为主。 长春工业大学本科生毕业论文 13 模拟乘法器 霍尔乘法器 霍尔元件是如图 所示的半导体薄片，当它处于磁场感应强度为 B 的磁场中时，如果在它相对的两端通以控制电流 I，则在半导体另外两端将会产生一个大小与控制电流和磁感应强度乘积成正比的电势 HU。 如式 ()所示。 HHU K IB () 式中 HK 霍尔元件的灵敏度； HU 霍尔电势。 图 霍尔元件示意图 由被测 u 电压产生磁场，其磁感应强度为 Bu ；被测电流 i 通过霍尔电动势就能反映被测电压、电流的相乘积。 霍尔乘法器是一个四象限乘法器，其相乘精度甚佳，可达 %左右。 工作频率在 10kHz 以内。 根据霍尔乘法原理实现的静止式电能表可用图 表示。 积 分 器 V / F 变 换霍 尔 乘 法 器电 压电 流脉 冲 输 出图 2 . 5 霍 尔 乘 法 器 型 静 止 式 电 能 表 霍尔乘法器输出的是瞬态功率信号。 瞬态功率信号通过变换很容易产生有功电能、无功电能等所需的数据。 图 所示的属于直接检测式霍尔乘法器。 这种结构在轻载时误差较大。 霍尔乘法器实现的静止电能表主要优点是频率响应宽，准确度能长期保证；抗干扰能力强；可以不需要电流互感器，不存在引入互感器误差。 电压电流回路长春工业大学本科生毕业论文 14 彼此独立，检测和校准相对容易，且线性也较好。 主要缺点是工艺复杂，精度也不容易达到很高。 时分割乘法器 时分割乘法器的工作基于计算式 0 11l immmTK K K Km kkW uid t t u i t u i      () 式中 m ：在一个周期内电流、电压的采样次数。 由式 ()可知，负载在一个周期内消耗的电能近似等于 m 个电压、电流相乘再求和。 m取值越大，上述近似计算产生的误差越小。 由此，时分割乘法器的基本思想有两个，即分割和相乘。 时分割乘法器分为电压型和电流型时分割乘法器，电压型由于尖峰电压的干扰现在已基本不用，现在使用的多为电流型时分割乘法器。 所谓电流型时分割乘法器是指被测电压、 电流都变成电流形式后相乘，其乘积即功率大小也以电流形式表示。 时分割电能测量方法的特点有： (1)时分割乘法器构成的电能仪表电路简单、成本低； (2)时分割方法测量工频范围内的电能线性度高； (3)时分割方法频率测量范围窄，大多数不适于畸变波形下的功率测量； (4)电能测量准确度级别一般为 ～ 级。 数字乘法器 数字乘法器是将数字量相乘，首先将被测电压、电流的模拟量变为数字量，然后相乘。 实现数字量相乘有两中方法： 1）采用硬件乘法电路。 硬件乘法电路是由移位寄存器、加法器和时序控制电路组成，在 时序电路控制下，根据每位乘数是 “ 1” 或是 “ 0” ，来决定是否累加被乘数，每进行一位运算后需要将累加和（即乘积）右移一位。 采用硬件乘法器运算速度高，但需提供硬件电路。 2）采用软件乘法器。 利用计算机的乘法指令实现数字量相乘，这实际是利用一系列的累加和移位完成运算的，采用这种方法运算速度较慢，但可以节约硬件。 若 CPU 里含有硬件乘法器或采用专用的芯片作控制器，运算速度仍非常快。 本系统采用的测量方法 本系统采用专用电能计量芯片 +MCU(微控制器 )的方式测量电能。 电能计量采用 ATT7022B，该芯片是三相电 能专用计量芯片，其内部集成了七路二阶sigmadelta 型 AD 转换器，具有有功测量 级的测量精度。 通过外部接线方式长春工业大学本科生毕业论文 15 的选择，可同时适用于三相三线和三相四线模式。 ATT7022 具有三路电压输入和三路电流输入，大信号接入部分采用电压互感器和电流互感器进行隔离，使数据处理电路。