CN103364634B - 三相交流电源频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三相交流电源频率测量方法，其包括步骤：采集三相电源的三相电压信号V_a、V_b和V_c，采集三相电源的三相电压信号V_a、V_b和V_c，将三相电压信号V_a、V_b和V_c转变为两相坐标系的实时值V_α和V_β，求当前电压旋转矢量的模值V_m；根据两相坐标系的实时值V_α和V_β，以及模值V_m，求出二分之一的旋转矢量角度θ的正切值；查正切表求取对应的角度，进而求出旋转矢量角度θ；对旋转矢量角度θ进行求导数运算计算出角频率ω，用角频率ω除以即可以得到电网电压的频率值。本发明具有抗干扰能力强、精度高的特点，可用于信号不稳定、不平衡、谐波含量大等恶劣环境，尤其适合用于频率以及相序测量装置中。

Description

三相交流电源频率测量方法

技术领域

本发明涉及一种电源频率测量技术，尤其是涉及一种三相交流电源频率测量方法。

背景技术

现有的三相交流电源的频率测量以及相序判断方法，多采用过零点进行判断，需要硬件电路来检测过零信号，兵计算相邻两个过零信号之间的时间间隔T，进而求出频率。

现有方法依赖硬件电路检测精度，并且，当市电谐波较大时，或者在过零点附近来回抖动，势必存在多个过零点，导致频率误判，而且对这种误判很难找到合适的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提出一种抗干扰能力强、精度高、被检测三相信号源的稳定性不影响测量结果的三相交流电源频率测量方法。

本发明采用如下技术方案实现：一种三相交流电源频率测量方法，其包括步骤：

采集三相电源的三相电压信号V_a、V_b和V_c，将三相电压信号V_a、V_b和V_c转变为两相坐标系的实时值V_α和V_β，求当前电压旋转矢量的模值V_m；

根据两相坐标系的实时值V_α和V_β，以及模值V_m，求出二分之一的旋转矢量角度θ的正切值tan(θ/2)；

查正切表求取对应的角度θ/2，进而求出旋转矢量角度θ；

对旋转矢量角度θ进行求导数运算计算出角频率ω，用角频率ω除以2π即可以得到电网电压的频率值。

其中，将三相电压信号V_a、V_b和V_c转变为两相坐标系的实时值V_α和V_β，以及模值V_m的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}=\left(\frac{2}{3}\right)\×(V_a\×1-V_b\×0.5-V_c\×0.5)\\ V_{\mathrm{\β}}=\left(\frac{2}{3}\right)\×(V_a\×0+V_b\×\frac{\sqrt{3}}{2}-V_c\×\frac{\sqrt{3}}{2})\\ V_m=\sqrt{V_{\mathrm{\α}}\×V_{\mathrm{\α}}+V_{\mathrm{\β}}\×V_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right..$

其中，求出二分之一的旋转矢量角度θ的正切值tan(θ/2)的公式为 $\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{V_m\sin \mathrm{\θ}}{V_m+V_m\cos \mathrm{\θ}}=\frac{V_{\mathrm{\β}}}{V_m+V_{\mathrm{\α}}}.$

在一个实施例中，还包括步骤：根据频率的正负值判断出当前的相序，当频率值大于0是正序，当频率值小于0时是负序。

其中，当旋转矢量角度θ值在-45°～45°之间时，对旋转矢量角度θ进行求导数运算计算出角频率ω。

在一个实施例中还包括步骤：使用低通滤波器进行噪声滤波处理来稳定频率值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明具有抗干扰能力强、精度高的特点，可用于信号不稳定、不平衡、谐波含量大等恶劣环境，尤其适合用于频率以及相序测量装置中，比如三相交流供电设备、三相交流检测仪表以及三相交流检测装置。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是电网正序时旋转矢量角度θ的变化示意图；

图3是电网负序时旋转矢量角度θ的变化示意图；

图4是旋转矢量角度θ在不连续时引起噪声的信号示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个优选实施例包括如下实现步骤：

步骤S1、使用传感器采集三相电源的三相电压信号V_a、V_b和V_c。

步骤S2、将传感器采集的三相电压信号V_a、V_b、V_c通过三相至两相的坐标变换，转变为两相(静止)坐标系的实时值V_α和V_β，并求出当前电压旋转矢量的模值V_m，转换关系如下式(1-1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}=\left(\frac{2}{3}\right)\×(V_a\×1-V_b\×0.5-V_c\×0.5)\\ V_{\mathrm{\β}}=\left(\frac{2}{3}\right)\×(V_a\×0+V_b\×\frac{\sqrt{3}}{2}-V_c\×\frac{\sqrt{3}}{2})\\ V_m=\sqrt{V_{\mathrm{\α}}\×V_{\mathrm{\α}}+V_{\mathrm{\β}}\×V_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right.---(1-1)$

其中，V_m为实时值V_α或V_β的幅值。

步骤S3、根据两相坐标系的实时值V_α和V_β，以及实时值V_α或V_β的幅值V_m，求出二分之一的电压旋转矢量角度θ的正切值tan(θ/2)。

根据三角函数关系：

$\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{1+\cos \mathrm{\θ}}---(1-2)$

其中已知： $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}=V_m\cos \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{\β}}=V_m\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---(1-3)$

为了简化运算，将(1-2)式分子分母同时乘以V_α或V_β的幅值V_m，则得：

$\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{V_m\sin \mathrm{\θ}}{V_m+V_m\cos \mathrm{\θ}}=\frac{V_{\mathrm{\β}}}{V_m+V_{\mathrm{\α}}}---(1-4)$

步骤S4、根据(1-4)式求出tan(θ/2)值，然后需要查正切表求取对应的角度θ/2，进而求出旋转矢量角度θ。

此步骤需要制作正切表，由于正切函数的定义域是-90°～90°变化，对应的正切值是从负无穷大到正无穷大，为了查表的方便制作了-89°～89°表格。

步骤S5、对旋转矢量角度θ进行求导数运算计算出角频率ω，用角频率ω除以2π即可以得到电网电压的频率值。

从图2和图3中看以看出当电网是正序时旋转矢量角度θ从-180°～180°变化，且斜率是大于0的；当电网是负序时，旋转矢量角度θ从180°～-180°变化，且斜率是小于0的。其中，图2的横坐标是时间，单位是秒，纵坐标是正序旋转矢量角度值(-180°～180°)；图3的横坐标是时间，单位是秒，纵坐标是负序旋转矢量角度值(-180°～180°)。

如图4所示，旋转矢量角度θ值在-π～π过渡过程中求取微分会引入噪声，导致求取频率值不稳定。为了降低噪声，本中请采取了缩小θ变化区域的方法，也就是当θ值在-45°～45°之间时再进行微分的运算，虽然这种方法无法从根本上消除噪声，但是可以将噪声减小，并通过使用1Hz的低通滤波器即可以滤掉噪声，达到稳定频率值的目的。其中，图4的横坐标是时间，单位是秒，纵坐标是频率及旋转矢量角度，图4中：直线(1)表示频率50Hz；

曲线(2)旋转矢量角度是三角波；曲线(3)为频率噪声线，是尖峰脉冲。

综上，本发明通过将三相电压信号转变为两相坐标系的实时值Vα和Vβ，进而求取旋转矢量角度θ，对旋转矢量角度θ求取导数，折算出频率值，对频率信号进行低通滤波，滤掉频率信号中的噪声信号，从而求出稳定的频率信号，同时根据频率的正负值判断出当前的相序，当频率大于0是正序，当频率小于0时是负序。本发明具有抗干扰能力强、精度高的特点，可用于信号不稳定、不平衡、谐波含量大等恶劣环境，尤其适合用于频率以及相序测量装置中，比如三相交流供电设备、三相交流检测仪表以及三相交流检测装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三相交流电源频率测量方法，其特征在于，包括步骤：

采集三相电源的三相电压信号V_a、V_b和V_c，将三相电压信号V_a、V_b和V_c转变为两相坐标系的实时值V_α和V_β，求当前电压旋转矢量的模值V_m；

根据两相坐标系的实时值V_α和V_β，以及模值V_m，求出二分之一的旋转矢量角度θ的正切值tan(θ/2)；

查正切表求取对应的角度θ/2，进而求出旋转矢量角度θ；

对旋转矢量角度θ进行求导数运算计算出角频率ω，用角频率ω除以2π即可以得到电网电压的频率值；

当旋转矢量角度θ值在-45°～45°之间时，对旋转矢量角度θ进行求导数运算计算出角频率ω；

还包括步骤：使用1Hz的低通滤波器进行噪声滤波处理来稳定频率值。

2.根据权利要求1所述三相交流电源频率测量方法，其特征在于，将三相电压信号V_a、V_b和V_c转变为两相坐标系的实时值V_α和V_β，以及模值V_m的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}=\left(\frac{2}{3}\right)\×(V_a\×1-V_b\×0.5-V_c\×0.5)\\ V_{\mathrm{\β}}=\left(\frac{2}{3}\right)\×(V_a\×0+V_b\×\frac{\sqrt{3}}{2}-V_c\×\frac{\sqrt{3}}{2})\\ V_m=\sqrt{V_{\mathrm{\α}}\×V_{\mathrm{\α}}+V_{\mathrm{\β}}\×V_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right..$

3.根据权利要求1所述三相交流电源频率测量方法，其特征在于，求出二分之一的旋转矢量角度θ的正切值tan(θ/2)的公式为 $\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{V_m\sin \mathrm{\θ}}{V_m+V_m\cos \mathrm{\θ}}=\frac{V_{\mathrm{\β}}}{V_m+V_{\mathrm{\α}}}.$

4.根据权利要求1所述三相交流电源频率测量方法，其特征在于，还包括步骤：根据频率的正负值判断出当前的相序，当频率值大于0是正序，当频率值小于0时是负序。