[实用新型]一种功率因数的测量装置

摘要

本实用新型公开一种功率因数的测量装置，利用同一相的测量用电压、电流互感器的二次电流经过电阻转换成的、且经过电子线路的滤除谐波干扰等处理的正弦电压波形信号，即电压互感器、电流互感器的二次正弦波形信号过零时的时间差且以该时间差作为存储器地址来直接获取存储器相应存储单元中的功率因数值的测量装置，并且介绍了三种适用于不同场合的、具有超前或滞后指示的功率因数测量装置。

主权项

一种功率因数的测量装置，该测量装置输入的电压及电流两个信号分别为同一相的测量用电压、电流互感器的二次电流经过电阻转换成的、且经过电子线路的滤除谐波干扰等处理的正弦电压波形信号，简称为电压互感器、电流互感器的二次正弦波形信号，其特征在于：其包括第一、二、三、四电路单元，第十二电路单元和一个时间数据应用模块，以BCD码形式存储转换表中的H个值的地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器连接在时间数据应用模块中；其中，第一、二电路单元的电路结构、元器件及其参数完全相同，是把输入的电压、电流互感器二次正弦波形信号分别转换成TTL电平的矩形波信号输出的电路，第一电路单元包括用运放OP‑07作为前置电压跟随器U₁、用OP‑37作为具有开环增益的电压比较器U₄、电阻R₄、R₅、R₈、R₉、电容C₁、二极管D₁、二极管D₂，还包括有U₆和U₈，U₆和U₈分别是有施密特触发器的四2输入与非门74LS132中的一个门电路，其接法是，电压互感器的二次正弦波形信号接入U₁的同相输入端即1_IN，U₁的反相输入端与U₁的输出端相连接，U₁的输出端和电阻R₄的一端相连接，电阻R₄的另一端和U₄的同相输入端相连接，电阻R₅的另一端和U₄的反相输入端即2_IN相连接，U₄的输出端和电阻R₈的一端相连接，R₈的另一端和R₉的一端相连接，R₉的另一端连接模拟地，电容C₁和R₉并联，R₈的另一端和U₆的两个输入端相连接，二极管D₁的输入端和U₆的两个输入端相连接，D₁的输出端连接+5V，二极管D₂的输出端连接D₁的输入端，D₂的输入端连接数字地，U₆的输出端和U₈的两个输入端相连接，U₈的输出端是第一电路单元的输出端，其输出高电平的矩形波脉冲信号；第二电路单元包括用运放OP‑07作为前置电压跟随器U₃、用OP‑37作为具有开环增益的电压比较器U₅、电阻R₆、R₇、R₁₀、R₁₁、电容C₂、二极管D₃、二极管D₄，还包括有U₇和U₉，U₇和U₉分别是有施密特触发器的四2输入与非门74LS132中的一个门电路，其接法是，电流互感器的二次正弦波形信号接入U₃的同相输入端即1_IN，U₃的反相输入端与U₃的输出端相连接，U₃的输出端和电阻R₆的一端相连接，电阻R₆的另一端和U₅的同相输入端相连接，电阻R₇的另一端和U₅的反相输入端即2_IN相连接，U₅的输出端和电阻R₁₀的一端相连接，R₁₀的另一端和R₁₁的一端相连接，R₁₁的另一端连接模拟地，电容C₂和R₁₁并联，R₁₀的另一端和U₇的两个输入端相连接，二极管D₃的输入端和U₇的两个输入端相连接，D₃的输出端连接+5V，二极管D₄的输出端连接D₃的输入端，D₄的输入端连接数字地，U₇的输出端和U₉的两个输入端相连接，U₉的输出端是第二电路单元的输出端，其输出高电平的矩形波脉冲信号；第三电路单元是一个零点电压调整电路单元，其包括用运放OP‑07作为电压跟随器U₂、可调电阻R₁、电阻R₂、R₃，其接法是，可调电阻R₁的一端连接+15V，另一端连接‑15V，可调 电阻R₁的可调整端连接电阻R₂的一端，R₂的另一端连接电阻R₃的一端，R₃的另一端连接模拟地，R₂的另一端和U₂的同相输入端相连接，U₂的反相输入端和U₂的输出端相连接，U₂的输出端的输出分成两路，一路和第一电路单元的电阻R₅的一端相连接，R₅的另一端和U₄的反相输入端即2_IN相连接，另一路和第二电路单元的电阻R₇的一端相连接，R₇的另一端和U₅的反相输入端即2_IN相连接；第四电路单元由四2输入与门集成电路74LS08中的一个与门电路U₁₀和四2输入或门集成电路74LS32中的一个或门电路U₁₁构成，其接法是，U₈的输出端连接U₁₀的输入端1_IN和U₁₁的输入端4端脚；U₉的输出端连接U₁₁的输入端2_IN和U₁₀的输入端3端脚；第十二电路单元是一个用LED灯来指示功率因数超前、滞后的电路，其包括一个U₁₆、即4位双向移位寄存器74LS194，74LS04反相器中的两个门电路U₁₃、U₁₄，限流电阻R₁₂、R₁₃，一个指示电压超前的绿色发光二极管LED灯D₅，一个指示电流超前的红色发光二极管LED灯D₆和电阻R₁₄、电容C₃以及一个脉冲延迟器；U₁₁的输出端2_OUT输出的信号经该脉冲延迟器稍加微秒的延迟后输入到U₁₆的11脚、即CP端，以截取电压、电流两者信号中的先后次序即可判断并作出超前或滞后的红、绿灯光指示，脉冲延迟器的元器件包括四2输入或门集成电路74LS32中的一个门电路U₂₁，74LS02四2输入或非门集成电路中的两个门电路U₂₃、U₂₄，74LS04六反相器集成电路中的一个门电路U₂₂和电阻R₁₆、电容C₅；脉冲延迟器的接法是，U₁₁的输出端2_OUT分别连接U₂₁的两个输入端1、2脚，U₂₁的输出端3脚和电阻R₁₆的一端相连接，R₁₆的另一端分别与U₂₃的一个输入端1脚及电容C₅的一端相连接，C₅的另一端连接数字地，U₂₃的另一个输入端2脚和U₂₄的输出端3脚相连接，U₂₃的输出端3脚和U₂₄的一个输入端1脚相连接，反相器U₂₂的输入端和U₂₁的输出端3脚相连接，U₂₂的输出端和U₂₄的另一个输入端2脚相连接，U₂₄的输出端是脉冲延迟器的输出端，U₂₄的输出端3脚连接到U₁₆的11脚、即CP端；第十二电路单元中的U₁₆的3脚和U₈的输出端相连接，U₁₆的5脚和U₉的输出端相连接，U₁₆的1、9、10脚和电阻R₁₄的一端相连接，R₁₄的另一端和+5V相连接，R₁₄的一端还和电容C₃的一端相连接，C₃的另一端连接数字地，U₁₆的15脚和U₁₃的输入端相连接，U₁₃的输出端和指示电压超前的绿色发光二极管LED灯D₅的负极相连接，D₅的正极通过电阻R₁₂和+5V相连接，U₁₆的13脚和U₁₄的输入端相连接，U₁₄的输出端和指示电流超前的红色发光二极管LED灯D₆的负极相连接，D₆的正极通过电阻R₁₃和+5V相连接；一个时间数据应用模块，该时间数据应用模块具有两种应用形式：当应用功率因数测量方法的功率因数测量装置被应用于对测量准确度要求较低的普通测量场合时，测量装置中的时间数据应用模块采用测量型时间数据应用模块，装置称为测量型功率因数测量装置；当功率因数测量装置被应用于对测量准确度要求较高的交流电能计量场合时，测量装置中的时间 数据应用模块采用计量型时间数据应用模块，装置称为计量型功率因数测量装置；当功率因数测量装置被应用于对测量准确度要求较低的普通测量场合时，测量装置中的时间数据应用模块采用测量型时间数据应用模块，其包括第五、六、七、八、九、十、十一电路单元；第五电路单元是10MHZ脉冲产生及十分频电路，其输出的1MHZ脉冲输入到第六电路单元，所述第五电路单元包括10MHZ晶体振荡器、74LS04六反相器U₃₀、74LS160十进制同步计数器U₂₉、电阻R₁₇、R₁₈、R₁₉、电容C₆，其接法是，74LS04六反相器U₃₀的第1、2脚之间连接电阻R₁₈，U₃₀的第3、4脚之间连接R₁₉，U₃₀的第2、3脚之间连接C₆，U₃₀的第1、4脚之间连接10MHZ晶体振荡器，U₃₀的第2脚和第13脚相连接，U₃₀的第12脚和74LS160十进制同步计数器U₂₉的第2脚CP端相连接，U₂₉的第1、7、9和10脚通过电阻R₁₇与+5V电源连接，U₂₉的第15脚输出10MHZ经十分频后的1MHZ脉冲，即每微秒为1个脉冲；第六电路单元是由四个74LS161四位二进制同步计数器U₂₅、U₂₆、U₂₇、U₂₈依次连接而成的一个16位二进制的时间脉冲计数电路，其输出的是一个由零开始、每次递增1us的16位二进制数，该四个计数器中的左侧第一个、即U₂₅的第14脚是输出的16位二进制数中的最低位，该四个计数器中的右侧第一个、即U₂₈的第11脚是输出的16位二进制数中的最高位，其接法是，U₂₅的第15脚连接U₂₆的第10脚，U₂₆的第15脚连接U₂₇的第10脚，U₂₇的第15脚连接U₂₈的第10脚，四个计数器的第2脚CP端与U₂₉的第15脚相连接，四个计数器的第7、9脚和U₂₅的第10脚通过电阻R₁₇与+5V电源相连接，四个计数器的第1脚端和第四电路单元的U₁₁的输出端2_OUT相连接；第七电路单元是一个保持脉冲电路，由74LS08四2输入与门集成电路U₃₅中的一个与门电路构成，其接法是，U₃₅的1脚与第六电路单元输出的16位二进制数中的第11位、即U₂₇的12脚相连接，U₃₅的2脚与16位二进制数中的第13位、即U₂₈的14脚相连接，U₃₅的3脚作为第七电路单元的输出端在时间计数电路启动计数后第5120us时产生并输出保持脉冲，其脉冲输入到第九电路单元的四个双向移位寄存器的CP端；第八电路单元是四个以并入‑并出方式工作的74LS194即4位双向移位寄存器U₃₁、U₃₂、U₃₃、U₃₄依次连接成的时间数据暂存电路，其接法是，第六电路单元的四个计数器共16个数据输出端一一对应连接到第八电路单元的16个数据输入端，即把U₂₅、U₂₆、U₂₇、U₂₈每个计数器的第14、13、12、11脚依次一一对应接入U₃₁、U₃₂、U₃₃、U₃₄每个寄存器的第3、4、5、6脚；四个寄存器的共16个数据输出端和第九电路单元的16个数据输入端一一对应相连接，即把U₃₁、U₃₂、U₃₃、U₃₄每个寄存器的第15、14、13、12脚依次一一对应接入U₃₆、U₃₇、U₃₈、U₃₉每个寄存 器的第3、4、5、6脚；四个寄存器U₃₁、U₃₂、U₃₃、U₃₄的第9、10脚连接电阻R₂₀的一端，电阻R₂₀的另一端和+5V电源连接，R₂₀的一端通过电容C₇连接数字地；四个寄存器U₃₁、U₃₂、U₃₃、U₃₄的第1脚端和第四电路单元的U₁₁的输出端2_OUT相连接；四个寄存器U₃₁、U₃₂、U₃₃、U₃₄的第11脚CP端和第四电路单元的U₁₀的输出端1_OUT相连接；第九电路单元是四个以并入‑并出方式工作的74LS194即4位双向移位寄存器U₃₆、U₃₇、U₃₈、U₃₉依次连接成的时间数据保持电路，其接法是，四个寄存器U₃₆、U₃₇、U₃₈、U₃₉的第1脚端、9、10脚和电阻R₂₀的一端相连接，R₂₀的另一端和+5V电源连接，R₂₀的一端通过电容C₇连接数字地；四个寄存器的第11脚CP端和第七电路单元的输出端、即U₃₅的3脚相连接；四个寄存器的16个数据输出端中的前十三个输出端、即从U₃₆的第15脚起，按顺序地，第14、13、12脚，接下是U₃₇的第15、14、13、12脚，再接下是U₃₈的第15、14、13、12脚，最后是U₃₉的第15脚，分别依次和第十电路单元、即第一个存储器U₄₀、第二个存储器U₄₁并联的13条地址线A₀～A₁₂一一对应相连接；第十电路单元是设置成只读工作方式的地址线并联的8K×8位的两个电擦除可编程只读存储器EEPROM2864，即第一个存储器U₄₀和第二个存储器U₄₁的13条地址线并联且和第九电路单元的前十三个数据输出端依序一一对应相连接，两个电擦除可编程只读存储器存储单元中已采用四位二‑十进制的BCD码的形式存入转换表中的H个的值；其接法是，第一个存储器U₄₀和第二个存储器U₄₁的第20、22脚通过电阻R₂₁连接数字地，第一个存储器U₄₀和第二个存储器U₄₁的第27脚通过电阻R₂₂连接+5V电源，第一个存储器U₄₀和第二个存储器U₄₁并联的13条地址线A₀～A₁₂依次和第九电路单元的16个数据输出端中的前十三个输出端、即U₃₆、U₃₇、U₃₈的15、14、13、12脚和U₃₉的15脚一一对应相连接，第一个存储器U₄₀和第二个存储器U₄₁的数据输出端口线I/O₀～I/O₇共16条和第十一电路单元相连接；第十一电路单元是用来即时显示被测的功率因数值，其包括BCD‑七段译码器/驱动器U₄₂、U₄₃、U₄₄、U₄₅；限流电阻R₂₃×7、R₂₄×7、R₂₅×7、R₂₆×7；七段共阳极LED数码显示器U₄₆、U₄₇、U₄₈、U₄₉；第十一电路单元的输入端与第十电路单元的地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器的数据输出端口线I/O连接；其连接方法是，第一个存储器U₄₀的数据输出端口线第11、12、13、15脚、即I/O₀、I/O₁、I/O₂、I/O₃依次和U₄₂的7、1、2、6脚相连接，其输出并在U₄₆上显示的是地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器的共两个存储字节中存储的第一个十进制数字，第一个存储器U₄₀的数据输出端口线第16、17、18、19脚、即I/O₄、I/O₅、I/O₆、I/O₇依次和U₄₃的7、1、2、6脚相连接，其输出并在U₄₇上显示的是地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器的共两个存储字节中存储的第二个十进制数字，第二个存储器U₄₁ 的数据输出端口线第11、12、13、15脚、即I/O₀、I/O₁、I/O₂、I/O₃依次和U₄₄的7、1、2、6脚相连接，其输出并在U₄₈上显示的是地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器的共两个存储字节中存储的第三个十进制数字，第二个存储器U₄₁的数据输出端口线第16、17、18、19脚、即I/O₄、I/O₅、I/O₆、I/O₇依次和U₄₅的7、1、2、6脚相连接，其输出并在U₄₉上显示的是地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器的两个存储字节中存储的第四个十进制数字；U₄₂、U₄₃、U₄₄、U₄₅的9～15脚和限流电阻R₂₃×7、R₂₄×7、R₂₅×7、R₂₆×7以及七段数码显示器U₄₆、U₄₇、U₄₈、U₄₉相应连接以实现数码显示；当功率因数测量装置被应用于对测量准确度要求较高的交流电能计量场合时，测量装置中的时间数据应用模块采用计量型时间数据应用模块，该模块包括四2输入异或门集成电路74LS86中的一个门电路U₁₀₁，一片其时鈡晶体振荡器频率为12MHZ的单片机8031即U₁₀₂，三个八上升沿D触发器74LS377即U₁₀₃、U₁₀₄、U₁₀₅和以BCD码形式存储了转换表中的H个值的地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器EEPROM2864即第一个存储器U₄₀、第二个存储器U₄₁，单片机8031通过P₀口扩展输出口，利用三个八上升沿D触发器74LS377和该地址线并联的两个电擦除可编程只读存储器进行连接，其电路的具体接法是：第四电路单元的U₁₀的输出端1_OUT和异或门U₁₀₁的第1脚相连接，第四电路单元的U₁₁的输出端2_OUT和异或门U₁₀₁的第2脚以及单片机8031的即U₁₀₂的第13脚和第十二电路单元中的脉冲延迟器的U₂₁的两个输入端1、2脚相连接，异或门U₁₀₁的第3脚和单片机8031的即U₁₀₂的第12脚相连接；单片机P0口线的8个端脚按编号由小到大、即按P0.0到P0.7的顺序依序一一对应地和第一个八上升沿D触发器U₁₀₄的8个数据输入端1D～8D相连接，第一个八上升沿D触发器U₁₀₄的8个数据输出端1Q～8Q一一对应地和第二个八上升沿D触发器U₁₀₅的8个数据输入端1D～8D相连接，第三个八上升沿D触发器U₁₀₃的8个数据输入端1D～8D依序一一对应地和第一个八上升沿D触发器U₁₀₄的8个数据输入端1D～8D并联相连接，第三个八上升沿D触发器U₁₀₃的8个数据输出端1Q～8Q和第一个存储器U₄₀的低八位的地址线端脚按编号由小到大、即按A0到A7的顺序依序一一对应地进行连接，第二个八上升沿D触发器U₁₀₅的8个数据输出端中的1Q～5Q和第一个存储器U₄₀的高五位的地址线端脚按编号由小到大、即按A8到A12的顺序依序一一对应地进行连接，单片机U₁₀₂的第16脚、即端脚和三个八上升沿D触发器U₁₀₃、U₁₀₄、U₁₀₅的第11脚、即CP端脚相连接，单片机U₁₀₂的第27脚、即P2.6脚和第一个八上升沿D触发器U₁₀₄的第1脚、即端脚相连接，单片机U₁₀₂的第28脚、即P2.7脚同时和第二个八上升沿D触发器U₁₀₅、第三个八上升沿D触发器U₁₀₃的第1脚、即端脚相连接，第二个存储 器U₄₁的地址线端脚A0～A12和第一个存储器U₄₀的地址线端脚A0～A12一一对应地进行并联的连接；设定单片机U₁₀₂其P0口输出的二字节的16位二进制数的地址数据是由最低位向最高位依顺序排列、分二次、每次一字节送到八上升沿D触发器的8个数据输入端，其中第一次送到第一个八上升沿D触发器U₁₀₄的8个数据输入端的数据是高字节的地址，该地址数据从该16位二进制数的第九位起到第十六位为止、依次的、第九位对应于八上升沿D触发器8个数据输入端的1D、第十位对应于2D、……第十六位对应于8D；第二次送到第三个八上升沿D触发器U₁₀₃的8个数据输入端的数据是低字节的地址，该地址数据从该16位二进制数的第一位起到第八位为止，依次的第一位对应于八上升沿D触发器8个数据输入端的1D、第二位对应于2D、……第八位对应于8D；分二次送出的二字节地址数据在第三个八上升沿D触发器U₁₀₃、第二个八上升沿D触发器U₁₀₅的数据输出端口形成一个由低到高依顺序排列的13位二进制存储器地址码、且第三个八上升沿D触发器U₁₀₃的数据输出端口1Q～8Q以及第二个八上升沿D触发器U₁₀₅的数据输出端口1Q～5Q和两个地址线并联的第一个存储器U₄₀、第二个存储器U₄₁的地址端脚A0～A12有着一一对应的连接关系。