智能负载识别器的设计

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智能负载识别器的设计

!西北工业大学自动控制系!陕西西安"#$$"%&

摘要!一种新颖的基于面积关系判别线性负载与非线性整流负载识别器的设计!详细介绍了

设计原理及算法实现!并给出了硬件框图及软件流程"

关键词!线性负载非线性整流负载面积关系负载识别器

近年来!随着高校规模的不断扩大!学生人数急剧上升!许多高校都兴建了高层学生公寓"在高校后勤社会化的大趋势下!实现学生公寓用电管理的科学化和智能化迫在眉睫"首先要确保用电的安全性!即在保证学生正常用电的前提下!防止个别学生私拉电线!使用大功率电器等不良现象的发生"其次也要注重电能质量!这主要是指现在的学生公寓非线性整流负载#计算机$电视机$充电器等%越来越多!这些大量应用的整流电路!迫使电网供给严　

重畸变的非正弦电流!其谐波电流对电网有危害作用!并且使得输入端的功率因数下降"因此有必要有效地区分纯阻性"线性#负载"电灯$电炉$电暖器$电热毯等$与非线性整流性负载"针对这种情况而研制开发的智能负载识别控制器!既能对用户的用电功率进行检测!在其用电功率超过允许值时发出警告信号!以便于供电计量控制系统及时切断对此类用户的电力供应!确保用电安全&又能对用户的用电状况进行监测!以识别电路中是否包含非线性整流负载!并给出判断结果’

现在的学生公寓由于接入了大量的计算机类非线性整流性负载!即负载电路中一般有电容存在!这使得电源只有在高于电容电压时做功!导致输入电流发生畸变"所以对于这类设备来说!虽然输入的交流电压!是正弦波形!但其输入交流电流"的波形却严重畸变!呈脉冲状!如图%所示&!’"

图%非线性整流性负载的输入电压波形与输入电流波

形

!"#负载识别原理

线性负载的输入电流呈正弦波!设其幅值为!!对该正弦波在&(!!’上积分!则其面积为(

!设计原理

!"!线性负载与非线性整流性负载

线性负载通常指的是纯电阻性负载"这类负载一般仅由电阻组成!不包含电容等元件!所以其输入电压波形与输入电流波形在形状上是一致的!区别仅在于二者的幅值不同!如图!所示"

#!)

!*+,$-$)%

(

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而非线性整流性负载输入电流的波形呈脉冲状!对该畸变波形进行谐波分析后可知(基波占./0!.次谐波占

%10!2次谐波占!10!/次谐波占1320!1次谐波占43/0!

更高次谐波忽略不计&!’)故可将畸变波形用下式表示(

%)(3./*+,$5(3%1*+,.$6(3!1*+,2$5(3(12*+,/$6(3(4/*+,1$

对其在&(!!’上积分!则其面积为(

#%)

!%-$)(3./!%5(3%1!%7.6(3!1!%725(3(12!%7/6

(

!

(3(4/!%71)(34

因此!可以根据二种负载输入电流波形在相同积分时间内面积的不同对其加以区分"这里在&(!!’上积分的原因是输入电流经调理整形后变为半波"

图!线性负载的输入电压波形与输入电流波形

实际的学生公寓既有线性负载!又有非线性整流负

*%!*

!微型机与应用"!""!年第"期

万方数据

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载!这使得用户电路或负载的输入电流呈混合波形!其叠加后的波形如图)所示"对于这样的负载!设其中的正弦波幅值为!!!非正弦波幅值为!*!对其在+,!!-上积分!求得的面积如下#图)中阴影部分$%

"!.!/"!0!1"1.1!/023"!1

而对于幅值为#!40!1$的正弦波来说!其面积如下#图

)中虚线部分$%

".15!/6!*7

二者之间的面积差为%

""."8"!.!39!*

则%!!.":!*!!*.""

图)用户电路或负载的输入电流量混合波叠加后的波形

由此可见!根据"和"!的面积差""可求得线性负载

的电流幅值!!及非线性整流负载的电流幅值!*!据此可以

很容易地算出电路中所包含的线性负载功率与非线性整流负载功率!再由控制电路实现对不同负载的识别与控制&

!具体实现

!"#设计思路

根据以上分析可知!本设计先通过对采样点的分析处理!分别得出对应于图)中阴影和虚线部分的积分面积!再按照面积关系得出线性负载与非线性整流负载的电流幅值!进而求得相应的负载功率&具体过程如下%首先对输入电流波形进行采样!在采样周期内由所有的采样点求得混合电流波形的面积"!’然后在所有的采样点中找出最大值!据此最大值按正弦积分求面积"’再根据"和"!的面积差""求线性负载的电流幅值!!’最后由!!算出电路中线性负载的功率;并判断此功率是否超过电路的许用值&

!"!实现方法1313/硬件电路

硬件电路框图如图(所示&调理电路将输入的/"路电流信号变换为单片机可识别的电压信号5半波<后送入1个

#选/模拟开关;由单片机$#%&$’%"%+1-发出片选及地址

信号!将地址对应的信号输入’单片机由软件控制内置的

=>?转换器将相应的模拟信号转换成数字信号!转换结果

送寄存器保存等待计算处理!此过程可理解为采样过程&采样结束后!由程序按照编制的算法#详见1@1@1$对采样数据进行分析计算!判断此路信号对应的用户电路中的线性负,**-

万方数据

#选

##路输入

!路模电流输入

输#路拟出信号!"整开片选

片选

锁输出路形关

存

电调$#%&$’%"%流理输电#单片机

入

路

选

片选

片选

##路输入!路

#模输

路拟出

信号开锁输出关

存

图(硬件电路框图

载是否超标!若超标则由单片机发片选及地址信号至输出锁存电路!并在对应的输出线路上给出最终的判断结果&

1@1@1软件流程

主程序如图A所示!采样数据处理子程序如图"所示&程序均采用’A4编写+B-&

开始

开始

半波采样!采样点*22个初始化

由采样点算电流波形的实际面积找出采样点中的最大值!通道选择!启动定以此值为幅值得出正弦波的面积

时器及=>?转换

采样并进行数

个半波采样完否+

F

据处理

G

分别求出二面积的平均值!并求出二者的差值

输出判断结果

由面积差计算!!及其相应的线性负载功率

图

A主程序

流程图

与限定功率比较!得出判断结果图"采样数据处理子程序流程图

$结束语

按照这种方法设计完成的智能负载识别器经实际测试效果良好!对不同性质的负载有很好的识别功能&与其他的控制电路配合!能起到限制超标用电!消除(谐波)干扰的作用!已在某公司生产的智能集中式电能计量控制系统中得到应用"

参考文献

/张占松!蔡宣三@开关电源的原理与设计@北京%电子工业出版社!/CC#

1广州周立功单片机发展有限公司@$#%&$’%"%DE$单片机原理@*222

)

马忠梅!籍顺心@单片机的’语言应用程序设计@北京%北京航空航天大学出版社!!CCC

*收稿日期%*2298!!8!"$

!微型机与应用"!""!年第"期

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