一种三相驱动器有功功率及功率因数计算系统及方法与流程

1.本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种三相驱动器有功功率及功率因数计算系统及方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的不断发展成熟，全球暖通空调(hvac)市场的不断拓宽，变频驱动器的应用越来越广泛，对其性能指标要求越来越高，一些欧洲市场对于设备的消耗功率需要做计量使用，各种外置的功率检测模块的使用也逐渐多了起来，而驱动器本身自带功率检测显然是一种更为可靠简便的方式。
3.由于对于谐波的要求，小功率产品和大功率产品的标准不尽相同，对于＜16a的设备，emc标准：en61000-3-2要求的值远小于en61000-3-12。因此市面上对于单相小功率驱动器，往往内部已经集成了功率因数校正电路，主动pfc电路校正后的pf值高达0.99以上，此时对于功率计算而言，有功功率基本上等于视在功率，功率检测实现起来比较简易。
4.而对于大功率产品来说，由于面向的不是家用需求，emc的谐波没有要求很高，所以三相驱动器产品基本是被动功率因数校正，通常的做法是在三相输入测各增加一个电抗或者整流桥后端增加一个直流电抗，由于其呈现感性，对电流有抑制作用，对于感性负载带来的电流畸变有一定的改善，从而实现谐波的抑制改善，但其功率因数(pf)值往往做不高，通常只能达到0.9左右，且随着电流改变而改变。所以对于三相驱动器来说，有功功率检测很难做到高精度的采样。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三相驱动器有功功率及功率因数计算系统及方法，用于解决现有技术中三相驱动器的有功功率检测很难坐到高精度采样的问题。
6.一方面，为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三相驱动器有功功率及功率因数计算系统，所述三相驱动器有功功率及功率因数计算系统包括：三相电输入模块；差分电压检测模块，与所述三相电输入模块连接，用于实时获取三相驱动器至少两组任意两相的电压值；电流检测模块，与所述三相电输入模块连接，用于实时获取所述三相驱动器任一输入相的采样电流；mcu处理模块，分别与所述差分电压检测单元和所述电流检测模块连接，用于获取采样电压，及用于基于单位周期内的所述采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值。
7.于本发明的一实施例中，所述差分电压检测模块包括：分压限流单元、采样滤波单元、r-s差分检测单元和t-r差分检测单元；所述采样滤波单元与所述分压限流单元连接；所述r-s差分检测单元和所述t-r差分检测单元均分别和所述分压限流单元和所述采样滤波单元连接；其中，所述r-s差分检测单元用于实时获取r相对s相的线电压值，并将所述r相对s相的线电压值发送至所述mcu处理模块；所述t-r差分运放单元用于实时获取r相对t相的
线电压值，并将所述r相对t相的线电压值发送至所述mcu处理模块。
8.进一步地，所述分压限流单元包括：两路r相电阻，一路s相电阻以及一路t相电阻；其中，第一路r相电阻的一端与第二路r相电阻的一端连接且共同连接至所述三相电输入模块的r口连接，所述第一路r相电阻的另一端以及所述第二路r相电阻的另一端分别与所述采样滤波单元连接；所述s相电阻的一端与所述三相电输入模块的s口连接，另一端与所述采样滤波单元连接；所述t相电阻的一端与所述三相电输入模块的t口连接，另一端与所述采样滤波单元连接。
9.进一步地，所述采样滤波单元包括：第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；其中，所述第一电容的一端与所述第一路r相电阻连接，另一端与所述mcu处理模块共同接地；所述第二电容的一端与所述第二路r相电阻连接，另一端与所述mcu处理模块共同接地；所述第三电容的一端与所述s相电阻连接，另一端与所述mcu处理模块共同接地；所述第四电容的一端与所述t相电阻连接，另一端与所述mcu处理模块共同接地。
10.于本发明的一实施例中，所述三相驱动器有功功率及功率因数计算系统还包括开关电源模块；所述开关电源模块与所述三相电输入模块连接，用于检测所述三相驱动器的输入电压。
11.进一步地，所述三相驱动器有功功率及功率因数计算系统还包括储能滤波模块，所述储能滤波模块分别与所述三相电输入模块和所述开关电源模块连接；用于为所述开关电源模块供电。
12.另一方面，本发明提供一种三相驱动器有功功率及功率因数计算方法，所述方法包括以下步骤：实时获取三相驱动器至少两组任意两相的电压值；实时获取所述三相驱动器任一输入相的采样电流；获取采样电压，并基于单位周期内的所述采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值。
13.于本发明的一实施例中，所述获取采样电压，并基于单位周期内的所述采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值包括：对所述至少两组任意两相的电压值进行均方根处理，获取所述采样电压；基于所述单位周期的所述采样电压和所述采样电流，获取瞬时线电压和瞬时线电流；基于所述瞬时线电压和所述瞬时线电流获取所述有功功率和视在功率；基于所述有功功率和所述视在功率获取所述功率因数值。
14.进一步地，所述有功功率的计算公式为：
[0015][0016]
其中，p表示为所述有功功率，u(t)表示为所述线电压，i(t)表示为所述线电流，t表示为单位周期。
[0017]
进一步地，所述视在功率的计算公式为：
[0018]
s＝u
rms
*i
rms
[0019]
其中，s表示为所述视在功率，u
rms
表示为电压有效值，i
rms
表示为电流有效值。
[0020]
进一步地，所述功率因数计算公式为：
[0021]
[0022]
其中，p表示为所述有功功率，s表示为所述视在功率，pf和表示为功率因数值。
[0023]
最后一方面，本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的三相驱动器有功功率及功率因数计算方法。
[0024]
如上所述，本发明所述的三相驱动器有功功率及功率因数计算系统及方法，具有以下有益效果：
[0025]
(1)与现有技术相比，本发明通过新增差分电压检测模块和电流检测模块可以有效计量有功功率和功率因数值，满足客户终端对于功率计量的需求，提高系统的实用性。
[0026]
(2)本发明在实现对输入测的功率计量功能的同时，也可以实现pf计算，输入缺相、错相的判断，驱动的可靠性更高。
附图说明
[0027]
图1显示为本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算系统于一实施例中的结构示意图。
[0028]
图2显示为本发明的分压限流单元和采样滤波单元于一实施例中的结构示意图。
[0029]
图3显示为本发明的r-s差分检测单元于一实施例中的结构示意图。
[0030]
图4显示为本发明的t-r差分检测单元于一实施例中的结构示意图。
[0031]
图5显示为本发明的电流检测单元于一实施例中的结构示意图。
[0032]
图6显示为本发明的三相驱动器有功功率级功率因数计算方法于一实施例中的流程图。
[0033]
图7显示为本发明的获取采样电压，并基于单位周期内的采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值于一实施例中的流程图。
[0034]
图8显示为本发明的瞬时线电压和瞬时线电流于一实施例中的示意图。
[0035]
标号说明
[0036]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
三相驱动器有功功率及功率因数计算系统
[0037]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
三相电输入模块
[0038]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
差分电压检测模块
[0039]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分压限流单元
[0040]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
采样滤波单元
[0041]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r-s差分电压检测单元
[0042]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
t-r差分电压检测单元
[0043]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流检测模块
[0044]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
mcu处理模块
[0045]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关电源模块
[0046]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
储能滤波模块
[0047]
s1～s3
ꢀꢀꢀꢀ
步骤
[0048]
s31～s34
ꢀꢀ
步骤
具体实施方式
[0049]
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0051]
在本说明书中，参考术语“一个实施例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，本领域的技术人员可将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0052]
本发明提供一种三相驱动器有功功率及功率因数计算系统及方法，与现有技术相比，本发明通过新增差分电压检测模块和电流检测模块可以有效计量有功功率和功率因数值，满足客户终端对于功率计量的需求，提高系统的实用性。
[0053]
本发明的存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现下述的三相驱动器有功功率及功率因数计算方法。所述存储介质包括：只读存储器(read-only memory，rom)、随机访问存储器(random access memory，ram)、磁碟、u盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0054]
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0055]
下面将参照根据本发明实施例的系统、方法和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些计算机程序指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。
[0056]
也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，这些指令使得计算机、其它可编程数据处理装置、或其他设备以特定方式工作，从而，存储在计算机可读介质中的指令就产生出包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令的制造品(article of manufacture)。
[0057]
如图1所示，于一实施例中，本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算系统100包括：三相电输入模块1、差分电压检测模块2、电流检测模块3和mcu处理模块4。
[0058]
具体地，差分电压检测模块2与三相电输入模块1连接，用于实时获取三相驱动器
至少两组任意两相的电压值；电流检测模块3与三相电输入模块1连接，用于实时获取三相驱动器任一输入相的采样电流；mcu处理模块4分别与差分电压检测单元和电流检测模块3连接，用于获取采样电压，及用于基于单位周期内的采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值。
[0059]
需要说明的是，微控制单元(microcontroller unit；mcu)，又称单片微型计算机(single chip microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(central process unit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、pc外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到mcu的身影。
[0060]
如图2-4所示，于本发明的一实施例中，差分电压检测模块2包括：分压限流单元21、采样滤波单元22、r-s差分检测单元23和t-r差分检测单元24。
[0061]
具体地，采样滤波单元22与分压限流单元21连接；r-s差分检测单元23和t-r差分检测单元24均分别和分压限流单元21和采样滤波单元22连接；其中，r-s差分检测单元23用于实时获取r相对s相的线电压值，并将r相对s相的线电压值发送至mcu处理模块4；t-r差分运放单元用于实时获取r相对t相的线电压值，并将r相对t相的线电压值发送至mcu处理模块4。
[0062]
进一步地，于本实施例中，分压限流单元21包括：两路r相电阻，一路s相电阻以及一路t相电阻；其中，第一路r相电阻的一端与第二路r相电阻的一端连接且共同连接至三相电输入模块1的r口连接，第一路r相电阻的另一端以及第二路r相电阻的另一端分别与采样滤波单元22连接；s相电阻的一端与三相电输入模块1的s口连接，另一端与采样滤波单元22连接；t相电阻的一端与三相电输入模块1的t口连接，另一端与采样滤波单元22连接。
[0063]
具体地，如图2所示，两路r相电阻分别为r1-r6、r7-r12，一路s相电阻为r13-r18，一路t相电阻为r19-r24；其中，一路r相电阻中的r1一端接三相电输入模块1的r相接口，另外一端与r2、r3、r4、r5、r6依次串联，r6的另一端分别与采样滤波单元22和r-s差分检测单元连接；另一路r相电阻中的r7一端接三相电输入模块1的r相接口，另外一端与r8、r9、r10、r11、r12依次串联，r12的另一端分别与采样滤波单元22和t-r差分检测单元连接。
[0064]
进一步地，采样滤波单元22包括：第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；其中，第一电容的一端与第一路r相电阻连接，另一端与mcu处理模块4共同接地；第二电容的一端与第一路r相电阻连接，另一端与mcu处理模块4共同接地；第三电容的一端与s相电阻连接，另一端与mcu处理模块4共同接地；第四电容的一端与t相电阻连接，另一端与mcu处理模块4共同接地。
[0065]
具体地，如图2所示，采样滤波单元22包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4；其中，c1的一端与分压限流单元的r6连接，另一端与mcu处理模块4共同接地、c2的一端与分压限流单元的r12连接，另一端与mcu处理模块4共同接地；c3的一端与分压限流单元的r18连接，另一端与mcu处理模块4共同接地；c4的一端与分压限流单元的r24连接，另一端与mcu处理模块4共同接地。
[0066]
进一步地，如图3所示，r-s差分检测单元23包括：运算放大器u1、输入电阻r25-r31、滤波电容c5-c6和去耦电容c7；其中，u1的1脚连接至r30，u1的2脚分别与r25和r29连
接，r29的另一端与r30连接，r25的另一端与分压限流单元21的r18连接，u1的4脚与8脚分别接到c7的gnd和3.3v上，r26、r27、r28、c5的一端共同连接至u1的3脚，r26的另一端与分压限流单元21的r6连接，r27的另一端与3.3v连接，r28和c5的另一端共同接地，c6与r31并联，并联的一端接gnd，另一端与r30连接且共同连接至mcu处理模块4，将r-s的实时差分检测信号发送至mcu处理模块4。
[0067]
进一步地，如图4所示，t-r差分检测单元24包括：运算放大器u2、输入电阻r32-r38、滤波电容c8-c9,；其中，u2的7脚连接至r37，u2的6脚分别与r32和r36连接，r36的另一端与r37连接，r32的另一端与分压限流单元21的r12连接，u2的5脚分别与r33、r34、r35和c8连接，r33的另一端连接至分压限流单元21的r24连接，r34的另一端与3.3v连接，r35和c8的另一端共同接gnd，c9和r38并联，并联的一端接gnd，另一端与r37连接且共同连接至mcu处理模块4，将t-r的实时差分检测信号发送至mcu处理模块4。
[0068]
如图5所示，于本发明的一实施例中，电流检测模块3包括：电流传感器u3、去耦电容c11、电阻r39-r42、滤波电容c10；其中，u3的1、2、3、4和5、6、7、8脚接入t相走线内，u3的9、10、11脚与c11共同接地，c11的另一端接3.3v，u3的13脚与r39连接，r39的另一端接3.3v，u3的14脚分别与r40的一端、r41的一端连接，r40的另一端与r39共同接3.3v，r41的另一端接gnd，u3的16脚接3.3v，c10与r42并联，并联的一端接gnd，另一端与u3的12脚共同连接至mcu处理模块4，将检测的实时电流信号发送至mcu处理模块4。
[0069]
具体地，电流检测模块中的电流传感器优选采用霍尔电流传感器。
[0070]
需要说明的是，霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流ic，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁感应强度为b的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势vh，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流i。与磁感应强度b的乘积。即有式中：k为霍尔系数，由霍尔元件的材料决定；i为控制电流；b为磁感应强度；vh为霍尔电势。
[0071]
如图1所示，于本发明的一实施例中，三相驱动器有功功率及功率因数计算系统100还包括开关电源模块5；开关电源模块5与三相电输入模块1连接，用于检测三相驱动器的输入电压。
[0072]
进一步地，三相驱动器有功功率及功率因数计算系统100还包括储能滤波模块6，储能滤波模块6分别与三相电输入模块1和开关电源模块5连接；用于为开关电源模块5供电。
[0073]
需要说明的是，三相电输入模块1、mcu处理模块4、开关电源模块5、储能滤波模块6均为现有技术，故在此不一一赘述其电路连接关系。
[0074]
需要说明的是，本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算系统可以实现本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算方法，但本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的三相驱动器有功功率及功率因数计算系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。
[0075]
如图6所示，于本发明的一实施例中，本发明提供一种三相驱动器有功功率及功率因数计算方法，包括以下步骤：
[0076]
步骤s1、实时获取三相驱动器至少两组任意两相的电压值。
[0077]
步骤s2、实时获取三相驱动器任一输入相的采样电流。
[0078]
步骤s3、获取采样电压，并基于单位周期内的采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值。
[0079]
具体地，如图7所示，获取采样电压，并基于单位周期内的采样电压和采样电流，获取有功功率和功率因数值包括：
[0080]
步骤s31、对至少两组任意两相的电压值进行均方根处理，获取采样电压。
[0081]
具体地，将获取的r-s相差分采样电压和t-r相差分采样电压进行均方根处理，以获取采样电压。
[0082]
步骤s32、基于单位周期的采样电压和采样电流，获取瞬时线电压和瞬时线电流。
[0083]
具体地，获取周期内的采样电压和采样电流，并分别根据采样电压和采样电流获取对应的电压波形图和电流波形图，以获取瞬时线电压和瞬时线电流。
[0084]
步骤s33、基于瞬时线电压和瞬时线电流获取有功功率和视在功率。
[0085]
具体地，有功功率的计算公式为：
[0086][0087]
其中，p表示为有功功率，u(t)表示为线电压，i(t)表示为线电流，t表示为单位周期。
[0088]
视在功率的计算公式为：
[0089]
s＝u
rms
*i
rms
[0090]
其中，s表示为视在功率，u
rms
表示为电压有效值，i
rms
表示为电流有效值。
[0091]
步骤s34、基于有功功率和视在功率获取功率因数值。
[0092]
具体地，功率因数计算公式为：
[0093][0094]
其中，p表示为有功功率，s表示为视在功率，pf和表示为功率因数值。
[0095]
需要说明的是，本发明所述的三相驱动器有功功率及功率因数计算方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
[0096]
下面以一具体实施例为例，详细描述本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算方法。
[0097]
具体地，如图1-7所示，其中，电压r1-r24取值220kω-1/4w，滤波电容c1-c4取值1nf-50v，r25-r28、r32-r35取值5.1kω-1/10w，r29-r31、r36-r38取值2.55kω-1/10w，c6、c9取值100nf-50v，r42取值51k-1/10w，c10取值220pf-50v，电流传感器采用型号为acs733klatr-65ab-t的霍尔电流传感器。
[0098]
根据运放虚断和基尔霍夫电流守恒定律计算u1的3脚处的电压ux：
[0099][0100]
再计算u1的2脚处的电压uy和1脚处电压uo关系式：
[0101][0102]
根据运放虚短：ux＝uy以及以上两式可得出urs-sample与r、s的关系式：
[0103][0104]
由于运放输出后r30与r31分压，则
[0105][0106]
同理可得：
[0107][0108]
通过霍尔电流传感器数据手册数据表查询可以得知：
[0109]
viout＝1.65 it
×
0.22
[0110]
需要说明的是，it为t相输入电流实时值。
[0111]
如图8所示，显示为一个基于1.65v基准点的正弦连续电压波形。根据波形图可以得到不断存送至mcu处理模块的瞬时的线电压u(t)和线电流i(t)，根据有功功率、视在功率以及功率因数计算公式得到如下表1中所示的数据表。
[0112][0113]
根据上表可知，25℃环温，400v的三相输入电压的情况下，在8kw以内的工况下有功功率的精度误差在2.5％以内，完全满足日常使用的需求。
[0114]
综上所述，本发明的三相驱动器有功功率及功率因数计算系统及方法，与现有技术相比，本发明通过新增差分电压检测模块和电流检测模块可以有效计量有功功率和功率因数值，满足客户终端对于功率计量的需求，提高系统的实用性；本发明在实现对输入测的功率计量功能的同时，也可以实现pf计算，输入缺相、错相的判断，驱动的可靠性更高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0115]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟
悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。