臺灣博碩士論文加值系統

本論文為開發一含諧波成分分析且具備功率因數修正之數位電表。經由前端的電阻分壓電路與電流鈎鉗將輸入的電壓以及電流轉換成微控制器可接收的小電壓訊號，再透過晶片內部的類比數位轉換器，將即時的電壓與電流數位化。取得的數值進行快速傅立葉轉換，經由漢寧窗與插值演算法修正電壓與電流振幅。由於透過電流鈎鉗量測會造成相位誤差，因此需要進行相位補償計算。經以上計算的電力參數，可得到待測訊號的電壓有效值、電流有效值、有效功率、無效功率、視在功率、功率因數、頻率。在含有諧波成分的情況下，除了計算總諧波失真外，可再由總諧波失真將功率因數進行修正，以求得較為精確的數值。最後量測與計算結果可直接顯示在液晶顯示面板上或者經由UART傳輸到電腦上顯示。所有的校正參數皆存入晶片的非揮發性記憶體中。電錶校正時，只需依照校正程序輸入所需的電壓與電流，即可完成產品的校正。

The thesis proposed a digital meter with power factor correction capability when the measured signal contains harmonic components. By using resistor voltage divider circuit and current clamp, the input voltage and current are transferred to small voltage signals which can be processed by the microprocessor. These voltage and current waveform are digitized through an analog-to-digital convertor (ADC). Fast Fourier Transform (FFT) is applied. The Hanning Window and frequency interpolation algorithm is used to correct the voltage and current signals. As the front-end circuit may introduce phase shift, phase compensation calculation is required. Accurate RMS voltage, RMS current, active power, reactive power, apparent power, power factor and frequency can be calculated. When measured signal contains harmonic components, the THD is calculated and is used to correct the power factor calculation. The final measurement results are displayed on the LCD and transmitted through the UART. Calibration procedure is also developed to simplify the calibration process. All of the calibration parameters are stored in nonvolatile memory.

中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 xii
第1章 緒論 1
1.1 背景與動機 1
1.2 文獻探討 2
1.3 文章架構 2
第2章 數位電表原理 5
2.1 電表發展概況 5
2.2 數位訊號擷取 5
2.3 電力時域參數運算 14
2.3.1 時域弦波系統電壓電流計算 14
2.3.2 時域視在功率計算 15
2.3.3 時域有效功率計算 16
2.3.4 時域無效功率計算 16
2.3.5 時域功率因數計算 16
2.4 電力頻域參數計算 17
2.4.1 頻域弦波系統電壓電流計算 21
2.4.2 頻域視在功率計算 22
2.4.3 頻域有效功率計算 22
2.4.4 頻域無效功率計算 22
2.4.5 頻域功率因數計算 22
2.5 諧波計算 23
第3章 電力量測修正技術 25
3.1 漢寧窗與頻域差值演算法 25
3.2 具諧波功因修正 34
3.3 相位修正計算 35
3.3.1 硬體相位修正 37
3.3.2 軟體相位修正 38
3.3.3 頻域相位修正技術 39
第4章 系統架構 43
4.1 硬體架構 43
4.1.1 分壓電路 44
4.1.2 比流器 45
4.1.3 電壓隨耦器 46
4.1.4 非反向放大器 47
4.1.5 儀表放大器 48
4.1.6 UART 49
4.1.7 ADC 50
4.1.8 DMA 52
4.1.9 FLASH 53
4.1.10 Bus Matrix 54
4.1.11 LCD 55
4.2 軟體架構 56
4.2.1 主程式 56
4.2.2 訊號取樣副程式 57
4.2.3 電力參數計算副程式 57
4.2.4 校正副程式 58
第5章 實驗結果與驗證 61
5.1 實驗平台與測試儀器 61
5.1.1 功率因數修正之數位電表 61
5.1.2 FLUKE 6100B電能功率標準源 62
5.2 量測校正 68
5.3 電壓與電流量測 72
5.3.1 電壓有效值10V與電流有效值10A量測 73
5.3.2 電壓有效值50V與電流有效值10A量測 76
5.3.3 電壓有效值100V與電流有效值10A量測 79
5.3.4 電壓有效值200V與電流有效值10A量測 82
5.3.5 電壓有效值300V與電流有效值10A量測 85
5.3.6 電壓有效值400V與電流有效值10A量測 88
5.3.7 電壓有效值500V與電流有效值10A量測 91
5.3.8 電壓有效值600V與電流有效值10A量測 94
5.3.9 不同電壓與相同電流各電力參數量測誤差 97
5.3.10 電壓有效值100V與電流有效值0.1A量測 102
5.3.11 電壓有效值100V與電流有效值1A量測 105
5.3.12 電壓有效值100V與電流有效值20A量測 108
5.3.13 電壓有效值100V與電流有效值30A量測 111
5.3.14 電壓有效值100V與電流有效值40A量測 114
5.3.15 電壓有效值100V與電流有效值50A量測 117
5.3.16 電壓有效值100V與電流有效值80A量測 120
5.3.17 相同電壓與不同電流各電力參數量測誤差 123
5.3.18 電壓有效值10V與電流有效值0.1A量測 128
5.3.19 電壓有效值50V與電流有效值1A量測 131
5.3.20 電壓有效值200V與電流有效值20A量測 134
5.3.21 電壓有效值300V與電流有效值30A量測 137
5.3.22 電壓有效值400V與電流有效值40A量測 140
5.3.23 電壓有效值500V與電流有效值50A量測 143
5.3.24 電壓有效值600V與電流有效值80A量測 146
5.3.25 不同電壓與電流各電力參數量測誤差 149
5.4 頻率量測 153
5.4.1 電壓與電流頻率40Hz量測 154
5.4.2 電壓與電流頻率50Hz量測 157
5.4.3 電壓與電流頻率70Hz量測 160
5.4.4 電壓與電流頻率440Hz量測 163
5.4.5 電壓與電流頻率500Hz量測 166
5.4.6 不同頻率各電力參數量測誤差 169
5.5 諧波量測 173
5.5.1 電壓總諧波失真量測 174
5.5.2 電流總諧波失真量測 178
5.5.3 不同諧波功率因數量測誤差 180
第6章 結論與未來展望 183
6.1 結論 183
6.2 未來展望 184
參考文獻 185

[1] IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, IEEE Std 519™-2014, March 2014.
[2] DIY wattmeter with an Arduino.Internet:
https://meettechniek.info/diy-instruments/arduino-wattmeter.html#software,
[September 21, 2015]
[3] 張正輝，同步電力儀表開發，碩士論文，國立台北科技大學自動化科技研究所 ，台北，2014。
[4] W. Mack Grady, Robert J. Gilleskie. Harmonics And How They Relate To Power Factor. Proc. of the EPRI Power Quality Issues & Opportunities Conference (PQA’93), San Diego, CA, November 1993.
[5] Phase Compensated 8-CH Multiplexed Data Acquisition System for Power Automation Reference Design., Texas Instruments, 2014.
[6] NCKU CSIE ADC. Internet:
http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/ADC, [September 21, 2017]
[7] Tony R. Kuphaldt, Lessons in Electric Circuits：Volume IV - Digital, Design Science License, 2006.
[8] B. Baker, How delta-sigma ADCs work, Part 1 & 2, Analog Applications Journal, 2011.
[9] APP 1870.Internet:
https://www.maximintegrated.com/cn/app-notes/index.mvp/id/1870, [April 06, 2017]
[10] 類比數位轉換器設計指南，Microchip文件編號DS21841。
[11] CORDIC 應用於 FFT 64-Point. Internet:
http://eshare.stust.edu.tw/EshareFile/2010_6/2010_6_a78298c9.pdf, [March 13, 2017]
[12] MSP430x4xx Family User’s Guide, MSP430 Applications, Texas Instruments, 2013.
[13] Tony R. Kuphaldt, Lessons in Electric Circuits：Volume III - Semiconductors, Design Science License, 2006.
[14] STMicroelectronics, STM32L151x6/8/B STM32L152x6/8/B, April 2016.
[15] STMicroelectronics, STM32L476xx, December 2015.
[16] STMicroelectronics, RM0351 Reference manual, March 2017.
[17] STMicroelectronics, AN3114 Application note, November 2012.
[18] Fluke Calibration, 6100B/6105A Users Manual, September 2009.