技術(shù)領域

一種用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配裝置，屬電能表計量技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

非線性用電設備的使用，會在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波，其對電能表的影響也越來越受到重視。針對幾種典型的諧波類型，國家標準（GB/T17215.321-2008）提出了具體的諧波影響量試驗方法和要求。其中，直流和偶次諧波影響量試驗的目的是檢測電流中的直流和偶次諧波對電能表計量特性的影響是否滿足相應要求。試驗中，標準表電流線路上的電流為全波，被檢表電流線路上的電流為正半周導通且負半周截止的半波，匹配負載流過的電流為負半周導通且正半周截止的半波。平衡負載與被檢表的電阻應相等，否則波形不滿足要求，造成試驗結(jié)果不準確。

為保證平衡電阻與被檢表電阻相等，目前多采用手動的方法，使用與被檢表同型號的被檢表或電阻當平衡負載。由于試驗時被檢表的規(guī)格、型號和數(shù)量不相同，并且兩個回路的導線連接不可能完全一致，因此每次試驗都需重新調(diào)整匹配負載。傳統(tǒng)方法具有操作不便、耗時長且測試結(jié)果不夠準確的缺點。

公開號CN104698425公開了一種電能表直流偶次諧波試驗的負載自動匹配方法，采用繼電器和電阻并聯(lián)的陣列作為匹配負載，通過控制繼電器的閉合和關(guān)斷，改變匹配負載的電阻值，以實現(xiàn)和被檢測表電阻的匹配。試驗時，繼電器需不停動作直至匹配負載和被檢表的電阻相等，繼電器頻繁動作易產(chǎn)生電弧且自動匹配耗時較長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于電能表直流和偶次諧波影響量試驗的負載自動匹配裝置，實現(xiàn)電能表直流和偶次諧波影響量試驗中匹配負載和被檢表電阻的快速、準確的自動匹配。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配裝置，包括：電子負載單元、驅(qū)動電路、反相器、反饋電路單元、R11電阻、R12電阻和R13電阻。

所述電子負載單元和電阻R13串聯(lián)，構(gòu)成一條支路，電阻R11和電阻R12串聯(lián)，構(gòu)成另一條支路，二條支路并聯(lián)為負載支路，負載支路的兩個端點分別為I+和I-；反饋電路單元輸入端11和27分別連接被檢表的兩端IM-和I+；反饋電路單元的輸入端12和27分別連接二極管D2的陰極和I+；反饋電路單元的輸入端13和14分別連接電阻R12的兩端Fv+和I-，以取電阻R12兩端的電壓作為參考信號；反饋電路單元的輸出端15和驅(qū)動電路輸入端20連接；反相器的輸入端16和17分別連接電阻R13的兩端Fv-和I-，反相器的輸出端18和驅(qū)動電路的輸入端19連接，將電阻13二端的電壓信號反相并輸出；驅(qū)動電路的輸出端21和22分別連接電子負載單元輸入端28和29，電子負載單元一端口23和I+連接，電子負載單元另一端口24和Fv-連接。

所述反饋電路單元，包括：第一有效值轉(zhuǎn)換器AD1、第二有效值轉(zhuǎn)換器AD2、比較器A2、電容C2、電容C3、電阻R21、二極管D3、乘法器、電阻R22、電阻R23、電容C4、第二放大器A3和電阻R24。

第一有效值轉(zhuǎn)換器AD1將被檢表電流線路二端的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，第二有效值轉(zhuǎn)換器AD2將匹配負載支路兩端的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號；電容C2和電容C3并聯(lián)，且兩端分別連接比較器A2的反相端和輸出端；第一有效值轉(zhuǎn)換器AD1和第二有效值轉(zhuǎn)換器AD2的輸出分別連接比較器A2的反相端和同相端，比較器A2的輸出端經(jīng)過電阻R21和二極管D3，連接到乘法器的一個輸入端；從取樣電阻R12上獲取參考波形信號，以差分的形式傳輸?shù)匠朔ㄆ鞯妮斎攵?3和14；乘法器輸出端經(jīng)過電阻R22，連接到第二放大器A3的反相端，第二放大器A3的正相端接地；電阻R23和電容C4并聯(lián)，且兩端分別連接第二放大器A3的反向端和輸出端；第二放大器A3的輸出端與電阻R24連接。

反饋電路單元的作用是，被檢表兩端的電壓信號反映了被檢表的阻抗大小，匹配負載兩端的電壓信號反映了電子負載兩端的阻抗大小；將被檢表兩端的電壓和匹配負載支路（該支路包括電子負載單元、電阻R11、電阻R12和電阻R13）兩端的電壓接到反饋電路單元，反饋電路單元比較兩者的電壓大小，將被檢表和匹配負載支路之間阻抗的匹配情況反饋給驅(qū)動電路。

所述驅(qū)動電路，包括：第三放大器A4、電容C7、電阻R41、電阻R42、第一開關(guān)S1、MOSFET管Q7、第四放大器A5、電容C8、電阻R43、電阻R44、第二開關(guān)S2和MOSFET管Q8。

所述第三放大器A4的同相端和第四放大器A5的同相端連接，第三放大器A4的反相端和第四放大器A5的反相端連接；電容C7的兩端分別連接第三放大器A4的反相端和輸出端；第三放大器A4輸出端經(jīng)電阻R41，連接到第一開關(guān)S1的輸入端；電阻R42的兩端分別連接電源VCC和第二開關(guān)S2的控制端；MOSFET管Q7的漏極和第一開關(guān)S1的控制端連接，MOSFET管Q7的源極接地；電容C8的兩端分別連接第四放大器A5的反相端和輸出端；第四放大器A5輸出端經(jīng)電阻R43，連接到第二開關(guān)S2的輸入端；電阻R44的兩端分別連接電源VCC和第二開關(guān)S2的控制端；MOSFET管Q8的漏極和第二開關(guān)S2的控制端連接，MOSFET管Q8的源極接地；通過控制MOSFET管Q7和MOSFET管Q8的導通與截止，進而控制第一開關(guān)S1和第二開關(guān)S2的斷開與閉合，控制信號由時序提取電路產(chǎn)生。

驅(qū)動電路的作用是實現(xiàn)對電子負載單元內(nèi)部MOSFET管導通電阻的控制。

所述的反相器，包括：電阻R31、電阻R32、電阻R33、電阻R34、電容C1、第一放大器A1組成；電阻R31連接到第一放大器A1的反相端，電阻R32連接到第一放大器A1的同相端；電阻R33和電容C1并聯(lián)，且兩端分別連接第一放大器A1的反相端和輸出端，第一放大器A1的同相端經(jīng)電阻R34接地。

反相器的作用是，將電阻R13上的電壓反相，保證反相器的輸出信號與反饋電路單元的輸出信號相位一致，反相器的輸出作為驅(qū)動電路的輸入信號。當電子負載單元的阻抗在驅(qū)動電路的控制下發(fā)生改變時，電阻R13上電壓也會發(fā)生變化。

所述電子負載單元，包括MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3、MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6、電阻R601~R612、電容C5、電容C6、第一穩(wěn)壓二極管ZD1和第二穩(wěn)壓二極管ZD2組成。

所述電阻R601、電阻R602、電阻R603、電容C5和第一穩(wěn)壓二極管ZD1并聯(lián)；MOSFET管Q1、MOSFET管Q2和MOSFET管Q3并聯(lián)；電阻R604兩端分別連接第一穩(wěn)壓二極管ZD1的陰極和MOSFET管Q1的柵極；電阻R605兩端分別連接第一穩(wěn)壓二極管ZD1的陰極和MOSFET管Q2的柵極；電阻R606兩端分別連接第一穩(wěn)壓二極管ZD1的陰極和MOSFET管Q3的柵極；第一穩(wěn)壓二極管ZD1的陽極與MOSFET管Q1的源極連接；電阻R610、電阻R611、電阻R612、電容C6和第二穩(wěn)壓二極管ZD2并聯(lián)；MOSFET管Q4、MOSFET管Q5和MOSFET管Q6并聯(lián)；電阻R607二端分別連接第二穩(wěn)壓二極管ZD2的陰極和MOSFET管Q4的柵極；電阻R608二端分別連接第二穩(wěn)壓二極管ZD2的陰極和MOSFET管Q5的柵極；電阻R609二端分別連接第二穩(wěn)壓二極管ZD2的陰極和MOSFET管Q6的柵極；第二穩(wěn)壓二極管ZD2的陽極與MOSFET管Q4的源極連接；MOSFET管Q1的漏極和MOSFET管Q4的漏極連接，MOSFET管Q2的漏極和MOSFET管Q5的漏極連接，MOSFET管Q3的漏極和MOSFET管Q6的漏極連接。

根據(jù)驅(qū)動電路輸出電壓值，電子負載單元的阻值改變，使得匹配負載支路的阻抗和電能表的阻抗匹配。

本發(fā)明一種用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配裝置的工作原理如下：反饋電路通過比較匹配負載支路上二端的電壓與被檢表二端的電壓以判斷二者的阻抗是否匹配，并將匹配信息轉(zhuǎn)換成反饋信號輸出給驅(qū)動電路；驅(qū)動電路根據(jù)反相器和反饋電路單元的輸出信號大小，調(diào)節(jié)其輸出的電壓值；電子負載單元根據(jù)驅(qū)動電路的輸出電壓值調(diào)節(jié)內(nèi)部MOSFET管的導通阻抗，以改變自身阻抗，從而實現(xiàn)負載的自動匹配。時序提取電路提取匹配負載支路的信號時序，以控制驅(qū)動電路工作，使匹配負載支路在正半周導通的半波信號和負半周導通的半波信號下均能正常工作。

所述裝置實現(xiàn)負載自動匹配的步驟如下：

步驟1：反饋電路單元取被檢表兩端電壓和匹配負載支路兩端電壓；

步驟2：將步驟1取到的兩個電壓波形，分別由第一有效值轉(zhuǎn)化器AD1和第二有效值轉(zhuǎn)化器AD2進行有效值轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)比較器的輸出信號，得到被檢表和匹配負載阻值大小的關(guān)系；

步驟3：乘法器將電阻R12兩端的電壓波形與步驟2中比較器的輸出電壓相乘，經(jīng)過反相后，作為反饋信號輸入到驅(qū)動電路；

步驟4：電阻R13兩端的反相信號作為驅(qū)動電路的另一個輸入信號；

步驟5：在步驟3和步驟4驅(qū)動電路二個輸入信號共同作用下，第三放大器A4和第四放大器A5輸出兩路信號，由時序提取電路控制，使驅(qū)動電路輸出一路放大器的信號，另一路輸出高電平。

步驟6：步驟5中高電平信號使MOSFET管完全導通，放大器信號調(diào)節(jié)MOSFET管的阻值，以完成阻抗匹配調(diào)節(jié)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明用反饋的方法調(diào)節(jié)場效應管的導通電阻以實現(xiàn)與被檢表電阻的自動匹配。通過本發(fā)明裝置實現(xiàn)負載自動匹配具有精度高、速度快和操作簡單的優(yōu)點，此時產(chǎn)生的直流和偶次諧波波形滿足標準的要求，保證了試驗結(jié)果的準確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的反饋電路單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明的反相器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的驅(qū)動電路示意圖；

圖5是本發(fā)明的電子負載單元結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施方式如圖1所示。

本實施例一種用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配裝置包括電子負載單元、驅(qū)動電路、反相器、反饋電路單元、R11電阻、R12電阻和R13電阻。

本實施例中，電子負載單元和電阻R13串聯(lián)，構(gòu)成一條支路，電阻R11和電阻R12串聯(lián)，構(gòu)成另一條支路，二條支路并聯(lián)為負載支路，負載支路的兩個端點分別為I+和I-；反饋電路單元輸入端11和27分別連接被檢表的兩端IM-和I+；反饋電路單元的輸入端12和27分別連接二極管D2的陰極和I+；反饋電路單元的輸入端13和14分別連接電阻R12的兩端Fv+和I-，以取電阻R12兩端的電壓作為參考信號；反饋電路單元的輸出端15和驅(qū)動電路輸入端20連接；反相器的輸入端16和17分別連接電阻R13的兩端Fv-和I-，反相器的輸出端18和驅(qū)動電路的輸入端19連接，將電阻13二端的電壓信號反相并輸出；驅(qū)動電路的輸出端21和22分別連接電子負載單元輸入端28和29，電子負載單元一端口23和I+連接，電子負載單元另一端口24和Fv-連接。

如圖1所示，按照GB/T17215的要求，電流發(fā)生器輸出標準的正弦電流，其有效值為；由于二極管D1的作用，流過被檢表電流線路的電流為正半周導通而負半周截止的半波電流；由于二極管D2的作用，流過匹配負載的電流為負半周導通而正半周截止的半波電流；被檢表兩端的電壓和匹配負載兩端電壓均作為反饋電路單元的輸入信號，并且取電阻R12兩端的電壓作為參考信號也輸入到反饋電路單元；反相器取電阻R13兩端的電壓進行反相輸入到驅(qū)動電路，而反饋電路單元的輸出也輸入到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路進而輸出信號，通過改變電子負載單元的阻值，以實現(xiàn)在直流和偶次諧波試驗中的負載自動匹配。

圖2所示是本發(fā)明的反饋電路單元結(jié)構(gòu)示意圖，第一有效值轉(zhuǎn)換器AD1將被檢表電流線路二端的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，第二有效值轉(zhuǎn)換器AD2將匹配負載支路兩端的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號；第一有效值轉(zhuǎn)換器AD1和第二有效值轉(zhuǎn)換器AD2的輸出分別連接比較器A2的反相端和同相端，比較器A2的輸出端經(jīng)過電阻R21和二極管D3，連接到乘法器的一個輸入端；從取樣電阻R12上獲取參考波形信號，以差分的形式傳輸?shù)匠朔ㄆ鞯妮斎攵?3和14；乘法器輸出端經(jīng)過電阻R22，連接到放大器A3的反相端，放大器A3的反相端接地；電阻R23和電容C4并聯(lián)，且兩端分別連接放大器A3的反向端和輸出端，放大器A3的輸出端與電阻R24連接，輸出信號。

圖3所示是本實施例的反相器結(jié)構(gòu)示意圖。

本實施例中的反相器，包括：電阻R31、電阻R32、電阻R33、電容C1、放大器A1組成；電阻R31連接到放大器A1的反相端，電阻R32連接到放大器A1的同相端；電阻R33和電容C1并聯(lián)，且兩端分別連接放大器A1的反相端和輸出端，放大器A1的同相端經(jīng)電阻R34接地。

圖4所示是本實施例的驅(qū)動電路示意圖。

本實施例的驅(qū)動電路中的第三放大器A4的同相端和第四放大器A5的同相端連接，第三放大器A4的反相端和第四放大器A5的反相端連接；電容C7的兩端分別連接第三放大器A4的反相端和輸出端；第三放大器A4輸出端經(jīng)電阻R41，連接到第一開關(guān)S1的輸入端；電阻R42的兩端分別連接電源VCC和第二開關(guān)S2的控制端；MOSFET管Q7的漏極和第一開關(guān)S1的控制端連接，MOSFET管Q7的源極接地；電容C8的兩端分別連接第四放大器A5的反相端和輸出端；第四放大器A5輸出端經(jīng)電阻R43，連接到第二開關(guān)S2的輸入端；電阻R44的兩端分別連接電源VCC和第二開關(guān)S2的控制端；MOSFET管Q8的漏極和第二開關(guān)S2的控制端連接，MOSFET管Q8的源極接地；通過控制MOSFET管Q7和MOSFET管Q8的導通與截止，進而控制第一開關(guān)S1和第二開關(guān)S2的斷開與閉合，控制信號由時序提取電路產(chǎn)生。

當端口26控制信號為低電平時，MOSFET管Q7截止，第一開關(guān)S1控制端為高電平，第一開關(guān)S1閉合；同時，端口25控制信號為高電平，MOSFET管Q8導通，第二開關(guān)S2控制端為低電平，第二開關(guān)S2斷開；為保證電子負載正常工作，驅(qū)動電路輸出端口22此時為高電平。同樣的，當端口25控制信號為低電平時，MOSFET管Q8截止，第二開關(guān)S2控制端為高電平，第二開關(guān)S2閉合；同時，端口26控制信號為高電平，MOSFET管Q7導通，第一開關(guān)S1控制端為低電平，第一開關(guān)S1斷開；為保證電子負載正常工作，驅(qū)動電路輸出端口21此時為高電平。

圖5所示是本發(fā)明的電子負載單元結(jié)構(gòu)示意圖，當開關(guān)S1導通時，MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3均工作在可變電阻區(qū)，端口29和時序提取電路端口22連接，此時輸出高電平，MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6均導通；同樣的，當開關(guān)S2導通時，MOSFET管Q4、MOSFET管Q5、MOSFET管Q6均工作在可變電阻區(qū)，端口28和時序提取電路端口21連接，此時輸出高電平，MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、MOSFET管Q3均導通。

本實施例實現(xiàn)負載自動匹配的步驟如下：

步驟1：反饋電路單元取被檢表兩端電壓和匹配負載支路兩端電壓。

步驟2：將步驟1取到的兩個電壓波形，分別由第一有效值轉(zhuǎn)化器AD1和第二AD2有效值轉(zhuǎn)化器進行有效值轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)比較器的輸出信號，得到被檢表和匹配負載阻值大小的關(guān)系。

步驟3：乘法器將電阻R12兩端的電壓波形與步驟2中比較器的輸出電壓相乘，經(jīng)過反相后，作為反饋信號輸入到驅(qū)動電路。

步驟4：電阻R13兩端的反相信號作為驅(qū)動電路的另一個輸入信號。

步驟5：在步驟3和步驟4驅(qū)動電路二個輸入信號共同作用下，第三放大器A4和第四放大器A5輸出兩路信號，由時序提取電路控制，使驅(qū)動電路輸出一路放大器的信號，另一路輸出高電平。

步驟6：步驟5中高電平信號使MOSFET管完全導通，放大器信號調(diào)節(jié)MOSFET管的阻值，以完成阻抗匹配調(diào)節(jié)。