基于快速傅立叶变换的在线电网谐波分析仪

2015-01-07 10:03:42来源: c114 关键字:傅立叶变换  在线电网  谐波分析仪

0 引言

由于大量非线性负载(如开关电源、电弧焊机、电力变频器等)的应用,导致电网高次谐波含量增加,也就是谐波污染。如果不对谐波污染进行严格的限制会造成很大的危害。高次谐波含量超标对于电子设备会引发电磁兼容问题,导致半导体器件误动作;对于配电系统,会造成中性线电流过大以至发热甚至燃烧;对于电力传输系统,由于功率因素下降造成大量的能量消耗在电网电力传输线上。因此电力谐波分析治理对电网的管理有重要的意义。

1 电力谐波分析技术

1.1 电力谐波分析标准
  电力谐波分析技术主要是分析电网电压波形的频域振幅特性,国际电工委员会(IEC)陆续颁布了IEC 61000电磁兼容(EMC)谐波电压规划值和兼容值,国家质量监督局于1993年颁布了国标《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-93),分别对电网谐波规划值做出相关规定。可知对高次谐波的限制比对低次谐波的严格,而且3的倍数的谐波含量限制严格于非3的倍数的谐波。

1.2 频谱分析技术

频谱分析技术实现方法主要有扫频法和傅立叶变换法,采用扫频法实现的频谱分析仪也称为扫描调谐频谱分析仪,主要采用模拟信号处理技术,只能实现显示观察功能,其灵活性较差。采用傅立叶变换实现的频谱分析仪也称为实时频谱分析仪,主要采用数字信号处理技术实现。将数字信号处理算法用C语言实现并下载到数字信号处理器(DSP),由数字信号处理器和各种输入输出模块共同构成的嵌入式系统,能够实现灵活的调整设置,并且很容易通过数字通信技术实现数据远传。在线电网谐波分析仪采用的是基于快速傅立叶变换(FFT)的频谱分析技术。

2 在线电网谐波分析仪的硬件设计

2.1 系统设计框图

系统设计框图如图1所示,通过工频同步方波电路、锁相倍频电路、模拟信号调理电路把电网电压信息引入到DSP中,利用傅立叶变换对电网信息进行分析。LCD分屏显示电网电压波形、频域上电压振幅谱,通过按键来实现电压波形和频谱显示来回切换。RS-485实现频谱分析结果数据远传,RS-232接口与PC机通信,通过Windows XP操作系统超级终端访问分析仪,对RS-485接口通信波特率、分析仪器的本机通信地址、各次谐波上限报警进行设置。

2.2 采样电路

2.2.1 模拟输入前端通路

采用高精度电压互感器检测电网的电压波形。电压检测电路如图2所示,电压互感器输出电压峰峰值为12V交流电压。其中R1起限流作用。

2.2.2 抗混叠滤波电路

抗混叠滤波采用二阶巴特沃斯响应滤波器实现。由于本分析仪器要对2~31次谐波进行分析,所以对高于31次谐波频率的信号可以通过滤波器滤除。通过设计该滤波器截止频率为5kHz。

2.2.3 工频同步方波产生电路

为了得到与电网电压频率一致的方波信号,本文设计了如图3所示的电路。电路工作原理是电网电压信号通过限流电阻R1后再通过两个反并联IN4007二极管得到了幅值为0.7V的方波。幅值为0.7V的方波通过电压比较器LM393得到幅值为5V的方波。

2.2.4 锁相倍频电路

锁相倍频电路由CD4046和双4位计数器CD4520构成。

2.2.5 电压调理电路

电压互感器输出电压通过滤波后得到的电压波形是-6v到+6V之间变化的正弦波,而A/D转换器输入电压范围是0~3V,所以需要通过模拟运放进行电压调理。运放U1是加法器,而U2是反相器,U3产生基准电压使电压信号提高到0V以上。电压调理电路原理如图4所示。

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编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0107/article_10543.html
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