电压电流采样电路设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电压电流采样电路设计.精品文档.常用采样电路设计方案比较配电网静态同步补偿器（DSTATCOM）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号。图2-1 DSTATCOM系统总体硬件结构框图1.1 常用电网电压同步采样电路及其特点1.1.1 常用电网电压采样电路1从D-STATCOM的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。图2-2 同步信号产生电路1从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R5=1，C4=15pF，则时间常数<<l ms，因此符合设计要求;第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较;第三部分为上拉箝位电路，之后再经过两个非门，以增强驱动能力，满足TMS320LF2407的输入信号要求1。1.1.2 常用电网电压采样电路2常用电网电压同步信号采样电路2如图2-3所示。ADMC401芯片的脉宽调制PWM发生器有专门的PWMSYNC引脚，它产生与开关频率同步的脉宽调制PWM的同步脉冲信号。图2-3 同步信号发生电路2图2-3中的输入端信号取自a相的检测电压，经过过零检测电路后得到正负两个电平，随后进入光电隔离TLP521产生高电平和低电平进入D触发器MC14538的正的触发使能输入引脚A，当A为高电平时，输出引脚Q输出一个脉冲，这个脉冲宽度由电阻Rl。和电容C决定。当然这里希望脉冲宽度越小越好，否则将影响STATCOM的输出电压与其接入点电压的同步。与此同时，可以通过设置ADMC401的内部寄存器PWMSYNCWT寄存器与信号脉冲相匹配2。1.1.3 常用电网电压采样电路3电网电压同步电路可以实现精确的过零点检测，并输出高电平，将输出信号脉冲的上升沿输入捕获单元三即可获得同步信号3。图2-4即为一种常见的电网电压同步信号产生电路。图2-4 同步信号产生电路3图2-4所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、滑线变阻器和电压比较器LM353组成的缓冲环节。第二部分由电压比较器LM353构成，实现过零比较。最后一部分为输入DSP系统箝位保护电路31.1.4常用电网电压采样电路4常用网电压同步信号产生电路4如图2-5所示:图2-5 同步信号产生电路4图2-5所示同步电路由两部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该环节主要是滤除电网的毛刺干扰。滤波电路造成的延时可在程序中补偿。第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信号的震荡4。1.1.5常用电网电压采样电路5图2-6所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节主要是滤除电网的谐波干扰。滤波电路造成的延时可在程序中补偿起来。其中凡R341=1 ，C341=0.luF;第二部分由电压比较器LM3ll构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环来抑制干扰和信号的振荡2。图2-6 同步信号产生电路51.2 常用交流电压采样电路及其特点1.2.1常用交流电压采样电路1为了实现对STATCOM的控制，必须要检测三相瞬时电压Ua、Ub和Uc。如下图2-7为电路一相电压采样电路:a. 电压转换电路图2-7 交流电压采样电路图电压转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实现。CHV-50P型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或小电流。磁补偿式测量，过载能力强，性能稳定可靠，易于安装，用于电压测量时，传感器通过与模块原边电路串联的电阻Ru1与被测量电路并联连接，输出电流正比于原边电压。上图电压转换电路为a为单相电压转换电路，这里对电阻Ru1和电阻Ru2的选择作一些说明。由于CHV-50P的输入额定电流In1为10mA，本电路检测的电压是220V的交流电压，则(2.1)电阻Ru1消耗的功率P1为 (2.2)因此电阻Ru1选择阻值为2.2 k，功率为5W的大功率电阻。另外为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两个电容C。当然为了更好地消除这些干扰，可以在电压变换电路之前再加隔离变压器，那么电阻Ru1的选择就要对应于经过隔离变压器后电压的改变而改变。由于CHV-50P的输入额定电流In2为50mA，为了ADMC40l的A/D转换通道检测，必须把输出电流转换为电压，所以在电压传感器的输出侧串联了电阻Ru2。ADMC401的A/D转换通道检测电压范围-2V+2V，则 (2.3)由于电阻Ru2消耗功率比较小，电阻Ru2选择上对功率没有特殊的要求。b.滤波补偿电路由于电压电流的检测点就是STATCOM接入电网的同一点，其谐波干扰还是比较大的滤波补偿电路。，那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入了滤波补偿电路包含两部分:一部分为RC滤波，另一部分为相位补偿，如图上图中所示5。1.2.2常用交流电压采样电路2此三相电压采样电路包括信号放大电路，二阶滤波电路，单极性转换电路。a.信号放大电路交流信号放大电路见图2-8所示。本设计采用的互感器为国内最新的高精度电压互感器(SPT204A)。其中SPT204A实际上是一款毫安级精密电压互感器，输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA，线性范围±10mA，非线性度<0.1%，相移经过补偿后小于5。SCT254AZ是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输出电流为2.5mA，线性范围020A，非线性度小于0.1%，相移经过补偿后小于5。由于该电压传感器采用的为1:1电流变电流型，所以要在电压互感器前面加R1，将电压信号转变为电流信号，而电流互感器就不需要加电阻R1。这样电压互感器副边输出为电流信号，这与电流互感器副边输出信号相似。交流信号放大电路工作原理可由下式表示: (2.4)通过R2将传感器输出的电流信号转变为电压信号图2-8 信号放大电路b.二阶滤波电路图2-9为二阶滤波电路，截至频率为2.5KHz。图2-9 二阶滤波电路c.单极性转换电路由于设计采用的DSP自带的AD，其采样要求输入信号为03.3V，故接入其引脚的信号电压也不能超过3.3V所以必须对放大电路给出的双极性信号做进一步处理。单极性转换电路如下图2-10所示6。图2-10 单极性转换电路1.2.3常用交流电压采样电路3交流电压变送器以05 V的交流电压作为输出信号。因TMS320F2812的A/D输入信号范围为03 V因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入的要求。交流电压调理电路见图2-11，由图可知该电路由3部分组成：第1部分为射极跟随器以提高电路的输入阻抗：第2部分是电压偏移电路：第3部分为箝位限幅电路，以保证输出电压信号在03 V，满足TMS320F2812的A/D输入信号范围7。图2-11 交流电压信号调理电路1.2.4常用交流电压采样电路4系统电压经过相应的传感器后，统一变换为适当幅值的电压信号，经调理电路后，进行A/D转换。图2-12为采样电路原理图。图2-12 系统电压的采样电路从图2-12可知，系统输出电压的采样电路由四部分组成，第一部分是由LF353的运放构成的电压跟随器，R131和C109是为了抑制干扰。第二部分为电平抬升电路，将围绕零电平波动的信号提升为单极性信号，第三部分进行跟随，第四部分为进入A/D前的保护部分，防止信号异常导致DSP芯片损坏4。1.2.5常用交流电压采样电路5相电压检测电路如图2-13所示，该电路采用了运算放大器加电压跟随器的方式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D入口端采用二极管钳位，防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电压互感器的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为03.3V的单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚8。图2-13 相电压采样电路1.3 常用交流电流采样电路及其特点1.3.1常见交流电流采样电路1a.电流转换电路图2-14电流转换电路，其中CT为霍尔电流传感器DT50-P，它的性能也稳定可靠，易于安装。如何选择电阻R比较简单，可以参考上面交流电压转换电路，这里就不再赘述。图2-14 交流信号采样电路图2-15 电流转换电路b.滤波补偿电路由于电压电流的检测点就是STATCOM接入电网的同一点，其谐波干扰还是比较大的滤波补偿电路。那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入了滤波补偿电路包含两部分:一部分为RC滤波，另一部分为相位补偿，如图2-16所示5。图2-16 滤波补偿电路1.3.2常见交流电流采样电路2a.信号放大电路交流信号放大电路见图2-17所示。本设计采用的互感器为国内最新的高精度电流互感器(SCT254AZ)。SCT254AZ是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输出电流为2.5mA，线性范围020A，非线性度<0.1%，相移经过补偿后小于5。因电流互感器输出的是电流信号，故电流互感器就不需要加电阻R1。图2-17 电流信号放大电路b.二阶滤波电路图2-18为二阶滤波电路，截至频率为2.5KHz图2-18 二阶滤波电路c.单极性转换电路由于设计采用的DSP自带的A/D，其采样要求输入信号为03.3V，故接入其引脚的信号电压也不能超过3.3V所以必须对放大电路给出的双极性信号做进一步处理。单极性转换电路如下图2-19所示6。图2-19 单极性转换电路1.3.3常见交流电流采样电路3相电流检测电路如图2-20和所示，该电路采用了运算放大器加电压跟随器的方式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D入口端采用二极管钳位，防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电流互感器的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为03.3V的单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚8。图2-20 相电流检测电路1.3.4常见交流电流采样电路4霍尔电流传感器以-100+100 mA的交流电流作为输出信号，TMS320F2812的A/D输入信号范围为03 V因此必须添加合适的调理电路以满足AD输入的要求。交流电流调理电路见图2-21,与交流电压调理电路不同的是第1部分是经电容C4滤波后流经精密采样电阻尺 ，将电流信号变换为电压信号，第2部分是由运放构成的反相器：第3部分为箝位限幅电路，以保证输出电压信号在03 V，满足TMS320F2407的A/D输入信号范围7。图2-21 交流电流信号采样电路1.3.5常用交流电流采样电路5电流采集采用 TA1014-2K卧式穿芯微型精密交流电流互感器，其额定输入为5A，额定输出为2.5mA，工作频率范围为20Hz20kHz，相移小于5，线性范围大于10A，非线性度小于0.1%，是比较理想的交流电流检测器件。图2-22为电流采集电路原理图。图2-22 交流电路采样电路由于DSP的A/D输入信号范围为03.3V，而经电流互感器测得的电流信号经转化后变成-1.5V+l.5V的交流信号，故对其进行了1.5V的平移9。1.4 常用直流电压采样电路及其特点1.4.1常用直流电压采样电路1a.直流电压传感器采用LEM公司的电压传感器LV100。LV100为霍尔效应的闭环电压传感器，所以有非常良好的原副边隔离作用，可测的电压范围为100V2500V。图2-23为直流电压采样电路图。电压传感器LV100有如下优点：精度高；线性度好；频带宽；抗干扰能力强10。图2-23 直流电压采样传感器电压传感器LV100的原边额定有效电流为10mA,在原边为额定电流时传感器精度最高。采样电阻R1 =80千欧,按原副边1:5的变比设计，副边电流为50 mA，副边采样电阻为150欧，原边电压为800V时副边电压为7.5V。副边信号经二阶滤波电路以减小干扰，由于采样直流信号，滤波器截止频率可以选取的较低，实际设计的滤波器截止频率为2k Hz。b.电压检测电路图2-24 电压检测电路1霍尔电压传感器及采样电阻采集的直流电容电压从Udc端输入图2-24的模拟电路，经电位器调节使U16A的3脚变化范围限制在03.3V，同时用RC滤波器滤除输入信号的噪声，03.3V的电压信号经过电压跟随器，电压跟随器可保证在进行电阻匹配时防止其输入输出电路的电阻干扰。电压跟随器输出接的R64=51欧。电阻是DSP接口的电阻要求，DSP接口端的串联二极管是为了确保输入DSP的电平限制到03.3V3。1.4.2常用直流电压采样电路2直流电压的采样电路与交流电压采样电路略有不同，如图2-25所示:图2-25 直流电压采样电路2直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点，其一，因为传感器不同，前者采用直流电压霍尔，输出信号为电流信号，后者为电压变送器，输出信号为交流信号，因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号;其二，前者信号为直流信号的，后者为交流信号的，因此，直流电压采样不用电压偏移1。1.4.3常用直流电压采样电路3直流侧电容电压的采集是经过两个电阻分压后，接二个电压跟随器，同样电压跟随器起防止电压冲击的作用。输出端加入钳位二极管，把电压钳制在3.3V以内，输出信号接入DSP的ADCIN端口，如图2-26所示9：图2-26 直流电压采样电路31.4.4常用直流电压采样电路4目前，对于直流电压的精确检测基本上都是基于磁补偿原理进行的，又因为本系统直流侧电压值较高，而直流电压传感器本身电流又很小，故从采用均压以后的电容器组上，可以只采一定比例的直流电压，不会影响测量精度，同时还保证了器件的安全性。作为磁补偿的结果，传感器输出信号为一精确的电流信号，直流电压采样电路设计如图2-27所示4:图2-27 系统直流电压采样电路41.4.5常用直流电压采样电路5因直流电路对电压的精度要求低，对直流电压的采样电路直接用DSP内部的A/D，如图2-28所示:图2-28 系统直流电压采样电路5直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点:其一，因为传感器不同，前者采用直流电压霍尔，输出信号为电流信号，后者为电压变送器，输出信号为交流信号，因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号;其二，前者信号为直流信号，后者为交流信号，因此选用的A/D精度和类型不一样2。1.5常用直流电流采样电路及其特点直流电流采样电路设计与直流电压采样电路完全一样，只是前端的采样器件不同，这些器件对用户的接口统一为电流信号，这里就不再讨论2采样电路设计上一章写到3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号的采样电路的各种常见采样电路，可以看出采样电路的发展已经比较成熟，但如何设计出自己需要的采样电路，这将是下面要讨论的问题。2.1 电网电压同步信号采样电路设计DSTATCOM的工作与同步信号有密切的关系，所有的动作都要以同步信号作为参考，故硬件上的同步电路是不可或缺的。同步信号的产生有多种方法。第一种方法为最简单的过零同步，即对系统三相电压进行处理后取出一相基波正序电压作为同步信号，把该同步信号的过零时刻作为脉冲发生器的同步点，通过测量连续两个正向过零点之间的时间作为周期计算出同步信号的频率，因此只能一个周期测得一次频率，在系统频率突变时，容易因无法跟踪系统频率变化而使DSTATCOM过流。第二种方法为采用锁相环技术，由于在同步信号频率突变时锁相环具有较长的延时，因此也容易导致DSTATCOM过流。第三种方法为采用“虚拟转子”法，对三相同步电压信号进行处理，得到脉冲的同步点和同步信号的频率。采用这种方法的优点是可以同时测量同步信号的频率，从而使脉冲发生器在系统同步信号发生突变时能保持与系统同步，保证DSTATCOM不因同步信号的突变而过流。由于设计要求不是特别高，本装置采用第一种方法得到同步信号。图3-1 D-STATCOM系统同步电路如图3-1可知，同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小DSTATCOM系统与电网的相位误差，该环节主要是滤除去电网的噪声干扰，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R1=1000 ，C1=0.1uF,则时间常数T=RC=1 S<<1 mS,因此符合设计要求，且滤波电路中造成的延时可在程序中补偿。第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信号的震荡。第三部分为上拉箱位电路，之后再经过两个非门，以增强驱动能力，满足TMS320LF2407的输入信号要求。2.2交流电压采样电路设计电压转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实现，如图3-2所示。CHV-50P型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或小电流。磁补偿式测量，过载能力强，性能稳定可靠，易于安装，用于电压测量时，传感器通过与模块原边电路串联的电阻Ru1与被测量电路并联连接，输出电流正比于原边电压。图3-2 电压转换电路由于CHV-50P的输入额定电流In1为10mA，本电路检测的电压是220V的交流电压，则 (3.1)电阻Ru1消耗的功率P1，为P1=220V×10 mA=2.2KW (3.2)因此电阻Ru1选择阻值为2.2 K，功率为5W的大功率电阻。另外为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两个电容C。当然为了更好地消除这些干扰，可以在电压变换电路之前再加隔离变压器，那么电阻Ru1的选择就要对应于经过隔离变压器后电压的改变而改变。由于CHV-50P的输入额定电流In2为50mA，为了交流电压采样电路检测，必须把输出电流转换为电压，所以在电压传感器的输出侧串联了电阻Ru2。交流电压采样电路采样电压范围-5V+5V，则 (3.3)由于电阻Ru2消耗功率比较小，电阻Ru2选择上对功率没有特殊的要求。根据选用的电压传感器，交流电压采样电路如图3所示：图3-3 交流电压采样电路从图3-3可以看出系统输出电压的采样电路由四部分组成，第一部分是由TL084的运放构成的射极跟随器，其中R3和C4是说为了抑制干扰，且时间常数<<1 ms,符合实际要求;第二部分是由两个电阻和一个电压源组成的电压偏移电路，因目标信号为交流信号，而经过霍尔传感器采样得出的信号也为交流信号0士5V，而系统CPU的A/D输入电平要求为03.3V，因此，需要进行电压偏移，该电路原理简单，不再赘述。第三部分也为射极跟随器;第四部分为箝位限幅电路，保证采样信号的幅值在03.3V之间，满足TMS320LF2407的输入信号要求。采样电路中，经常用到电压跟随器，电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离。2.3 交流电流采样电路设计1.电流转换电路参考上面常见交流电流采样电路的设计，传感器选择霍尔电流传感器DT50-P，它的性能也稳定可靠，易于安装。如何选择电阻R8的阻值，根据后面交流信号调理电路的输入要求而定，调理电路需输入-5V+5V的交流电压信号，则： （3.4）即可确定R8的阻值图3-4 电流转换电路在图3-5中，电流实际值经过霍尔传感器及采样电阻后，转换成5V电压信号(Io2)，此5V信号是反向的。Io2先进行滤波处理，滤除噪声干扰其中滤波电阻电容的选择应该满足时间常数小于1ms的要求，因此可选R9为100千欧，C6为220pF;再经过理想运算放大器的电压并联负反馈将Io2转换成-3.3V +3.3V的信号;经过3.3V的电平抬升电路及平均处理使得电压跟随器的输入为03.3V单极性信号，其中R13、R14的阻值只要相同就可以，在这里选阻值为10千欧的电阻，即安全又符合要求;最后经过两个串联二极管的限幅，确保输入DSP的信号为03.3V，以保证不会烧毁DSP，系统各元件参数及型号如图3-5中所示R15=1K。各相的电流采样方法原理相同。图3-5 电流调理电路2.4 直流电压采样电路设计1.直流电压传感器采用LEM公司的电压传感器LV100。LV100为霍尔效应的闭环电压传感器，所以有非常良好的原副边隔离作用，可测的电压范围为100V2500V。图3-6为直流电压采样电路图。电压传感器LV100有如下优点：精度高；线性度好；频带宽；抗干扰能力强。图3-6 直流电压采样传感器电压传感器LV100的原边额定有效电流为10Ma,在原边为额定电流时传感器精度最高。采样电阻R1 =80千欧,按原副边1:5的变比设计，副边电流为50 mA，副边采样电阻为150欧，原边电压为800V时副边电压为7.5V。副边信号经二阶滤波电路以减小干扰，由于采样直流信号，滤波器截止频率可以选取的较低，实际设计的滤波器截止频率为2k Hz。经过传感器采样后还需经过直流电压调理电路调理后才能送入DSP的A/D采样端，直流信号调理电路如图3-7所示：图3-7 直流电压信号调理电路前端电阻R16的作用是把霍尔传感器输出的直流电流信号变为直流电压信号，从上面可知霍尔传感器副边输出的电流最大为50mA,根据 (3.5)即可确定电阻R16的大小，其余部分的电阻则没有太严格的要求，我在本设计中采用的电阻型号如图3-7所示；第二部分为两个电压跟随器 ，与后面的采样电路进得电阻匹配；第三部分为两个二极管组成的箝位电路并加上滤波电容，保证输入DSP的A/D采样端的输入电压信号保持在03.3V以内，防止DSP被烧毁。2.5 直流电流采样电路设计电流采样电路设计如图3-8所示，和直流电压信号调理电路完全一样，但前端的采样器件不同，这些器件对用户的接口统一为电流信号。图3-8 直流电流信号调理电路前端电流电流检测采用LEM公司型号为LA58-P的霍尔效应电流变换器,原边与副边之间是电气隔离的，该传感器可用于测量可用于测量直流、交流、脉冲信号。这种霍尔传感器主要的优点有：出色的精度；良好的线性度；低温漂；最佳的反应时间；宽频带；无插入损耗；抗干扰能力强；电流过载能力，因此选用此种类型的传感器可以达到良好的采样要求。