CN100585759C - 宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器。由以下组件构成：一个用于从被测电压回路中取出电压信号的电阻式分压器(1)，一个用于从被测电流回路中取出毫伏级电压信号的分流器(2)，一个用于将电阻式分压器(1)及分流器(2)输出的模拟电压信号转变为数字信号并进行运算处理的高压侧信号处理装置(3)，一组连接高压侧信号处理装置(3)和低压侧数显终端(7)的通讯光纤组(6)，一个为高压侧信号处理装置(3)提供工作电源的高压侧电源(4)，一个连接高压侧电源(4)与低压侧供电电网的高压隔离变压器(5)。本发明测量精度高、高线性、低温漂、易校准、隔离电压高、抗干扰能力强。

Description

宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器

技术领域

本发明涉及一种用于交直流、变频电机测量的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器。

背景技术

随着变频技术的发展，使变频电机得到广泛应用，由于给变频电机供电的变频电源输出频率范围宽且含有复杂的高次谐波，传统的互感器已不能满足电参数测试。

霍尔电压传感器测试频率范围较宽，可以较好的满足变频电机的基波电压测试，但是目前测试带宽通常小于15kHz，尤其是3000V电压等级以上的霍尔电压传感器测试带宽通常小于5kHz，对于变频电机电压信号的高次谐波仍然不能准确测量。电阻式分压器具有良好的频率特性及线性，但是由于输出未经隔离，目前一般将电阻式分压器用作直流电压测试，或脉冲电压，或冲击电压测试，其共同特点是测试时一端接大地。在已有技术中还没有采用电阻式分压器取代传统的互感器用于变频交流高电压测试的电压传感器。

分流器尤其是折带式分流器、盘式分流器、同轴分流器等，具有较好的频率特性，但是由于输出未经隔离，目前一般将平板分流器用作直流电流测试，而折带式分流器、盘式分流器及同轴分流器等一般用于脉冲电流或冲击电流测试，其共同特点是测试时一端接大地。另外，由于分流器输出的信号幅值较小，额定电流时，其对应电压信号一般小于250mV，而传统的传感器与仪表分离的做法导致信号传输线路较长，信号在较长距离传输过程中容易引进各种干扰，影响测试精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种频率响应范围宽、交直流通用、有效测试范围宽、无磁饱和问题、测量精度高、高线性、低温漂易校准、隔离电压高、抗干扰能力强的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器。

本发明的技术方案是：利用电阻式分压器及分流器良好的频率特性及线性，采用电阻式分压器及分流器分别取代传统的电压互感器和电流互感器作为交流高电压及大电流测试的传感器件，测量电路与电阻式分压器及分流器紧密结合，采用浮地结构，测量数据以数字量方式通过光纤上传至低压侧数显终端实现信号传输及高压隔离。

本发明由以下组件构成：一个用于从被测电压回路中取出电压信号的电阻式分压器(1)，一个用于从被测电流回路中取出毫伏级电压信号的分流器(2)，一个用于将电阻式分压器(1)及分流器(2)输出的模拟电压信号转变为数字信号并进行运算处理的高压侧信号处理装置(3)，一组连接高压侧信号处理装置(3)和低压侧数显终端(7)的通讯光纤组(6)，一个为高压侧信号处理装置(3)提供工作电源的高压侧电源(4)，一个连接高压侧电源(4)与低压侧供电电网的高压隔离变压器(5)。

所述电阻式分压器(1)由高压臂电阻R1和低压臂电阻R2组成，R1和R2均为无感电阻，并一同封装在绝缘材料灌封的屏蔽金属筒内。

所述分流器(2)根据带宽要求选用平板式分流器、或折带式分流器、或盘式分流器、或同轴式分流器。

所述高压隔离变压器(5)的原边及副边分别与低压侧供电电网及高压侧电源(4)连接。

所述高压侧信号处理装置(3)由信号放大电路3D、AD转换器IC1、微处理器IC2、串行数据发送器3C组成。

所述高压侧信号处理装置(3)还包括采样时钟接收器3A或串行数据接收器3B中的一种或它们的组合。

所述通讯光纤组(6)由至少一根通讯光纤6C组成，通讯光纤6C与高压侧信号处理装置(3)中的串行数据发送器3C及低压侧数显终端(7)连接。

所述通讯光纤组(6)还包括通讯光纤6A或通讯光纤6B中的一根或它们的组合，其中通讯光纤6A与采样时钟接收器3A及低压侧数显终端(7)连接，通讯光纤6B与串行数据接收器3B及低压侧数显终端(7)连接。

本发明具有频率响应范围宽、交直流通用、有效测试范围宽、无磁饱和问题、无二次开路高压危险、测量精度高、高线性、低温漂、易校准、隔离电压高、抗干扰能力强等优点，适合于电机生产企业、电机研究和电机检测中心等场所使用。

附图说明

图1为本发明原理方框图；

图2为实施例1的电路示意图；

图3为实施例2的电路示意图；

图4为实施例3的电路示意图；

图5为实施例4的电路示意图；

图6为实施例5的电路示意图。

图中：1-电阻式分压器，2-分流器，3-高压侧信号处理装置，4-高压侧电源，5-高压隔离变压器，6-通讯光纤组，7-低压侧数显终端。

图6中：S1-1号宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，S2-2号宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

由于实施例中微处理器IC2及IC3均使用了串行数据接收端RXD0及串行数据发送端口TXD0，为了方便描述，图中分别标记为3-RXD0、3-TXD0、7-RXD0、7-TXD0；实施例5中还采用了IC3的串行数据接收端RXD1及串行数据发送端口TXD1，标记为7-RXD1、7-TXD1。

实施例1：参照图1和图2：

本实施例包括从被测电压回路中取出电压信号的电阻式分压器(1)，从被测电流回路中取出毫伏级电压信号的分流器(2)，高压侧信号处理装置(3)，高压侧电源(4)，高压隔离变压器(5)，通讯光纤组(6)，低压侧数显终端(7)。

本实施例低压侧供电电网采用AC220V市电。

电阻式分压器(1)及分流器(2)输出的模拟电压信号与高压侧信号处理装置(3)相连，高压侧信号处理装置(3)将电阻式分压器(1)及分流器(2)输出的模拟电压信号转变为数字信号并运算处理后通过光纤组(6)上传至低压侧数显终端(7)，高压侧电源(4)为高压侧信号处理装置(3)提供工作电源，高压隔离变压器(5)的原边及副边分别与AC220V市电及高压侧电源(4)相连。

电阻式分压器(1)包括高压臂电阻R1和低压臂电阻R2，本实施例中，R1采用6MΩ/30W高压精密无感电阻，最高工作电压达70kV，R2采用3kΩ/0.25W精密无感电阻，R1和R2封装在屏蔽铜管1A内，1A内以环氧树脂1B绝缘灌封，最高直流测试电压可达20kV，最高交流测试电压可达14kV，可满足10kV交直流、变频电机的各种工况电压测试。

本实施例中，分流器(2)采用同轴分流器R3，电阻值约为37uΩ，信号带宽不低于100kHz，连续电流测量范围为0～2000A，短时过载电流可达4000A。

高压侧信号处理装置(3)由已有技术中的运算放大器或仪表放大器构成的信号放大电路3D、AD转换器IC1、微处理器IC2、采样时钟接收器3A、串行数据接收器3B及串行数据发送器3C组成，本实施例中IC1采用16位AD转换器AD7656，IC2采用单片机ATMEGA162，3A、3B采用光纤接收器HFBR-2521，3C采用光纤发送器HFBR-1521。IC1的控制线及数据线与IC2相连，IC1含有一A/D转换启动信号CONVSTA，CONVSTA与采样时钟接收器3A相连，电阻式分压器(1)的低压臂电阻R2的两端分别与IC1的模拟信号输入端AIN1及模拟地AGND相连，分流器(2)信号取样端与信号放大电路3D相连，信号放大电路3D的输出端与IC1的模拟信号输入端AIN0相连，IC2的串行数据接收端口3-RXD0与串行数据接收器3B相连，IC2的串行数据发送端口3-TXD0与串行数据发送器3C相连。

本实施例中，高压侧电源(4)采用典型线性电源，由变压器T1、整流桥B1、B2及三端稳压块V1、V2、V3等构成(图中省略了滤波电容等器件)，为高压侧信号处理装置(3)提供工作电源。

高压隔离变压器(5)的原边及副边分别与AC220V市电及高压侧电源(4)连接，本实施例中，高压隔离变压器(5)的原边与副边匝比为1∶1，原边与副边的隔离耐压不低于20kV，在高压测量侧(包括被测电压回路、电阻式分压器1、分流器2、高压侧信号处理装3、高压侧电源4)与AC220V市电之间起高压隔离作用。

本实施例低压侧数显终端(7)由采样时钟发送器7A、串行数据发送器7B、串行数据接收器7C、微处理器IC3及数据显示装置7D组成，所述7A、7B采用光纤发送器HFBR-1521，起电/光转换作用，7C采用光纤接收器HFBR-2521，起光/电转换作用，IC3采用单片机CY7C68013，7D采用计算机。采样时钟发送器7A的电信号输入端与微处理器IC3的T0OUT引脚相连，串行数据发送器7B的电信号输入端与微处理器IC3的7-TXD0相连，串行数据接收器7C的电信号输出端与微处理器IC3的7-RXD0相连；CY7C68013含有一个USB通讯接口，微处理器IC3与计算机7D之间采用USB电缆连接，实现两者之间的高速数据通讯。

本实施例通讯光纤组(6)由三根通讯光纤6A、6B、6C组成，6A连接3A与7A，6B连接3B与7B，6C连接3C与7C，通讯光纤组(6)在高压侧信号处理装置(3)及低压侧数显终端(7)之间起数据通讯及高压隔离的作用。

工作原理如下：

接在U+及COM两端的被测电压经电阻式分压器(1)分压产生峰值小于10V电压信号与A/D转换器IC1的模拟信号输入端AIN1及模拟地AGND相连，接在I+及COM两端的被测电流信号经分流器(2)转换为毫伏级电压信号经信号放大电路3D放大后转变为峰值小于10V的电压信号与A/D转换器IC1的模拟信号输入端AIN0相连，IC3产生采样时钟信号经7A、6A、3A控制IC1的A/D转换启动信号CONVSTA，启动A/D转换，对模拟信号输入端AIN0及AIN1的输入信号同步采样，A/D转换结束时，IC2读取A/D转换结果，并对A/D转换结果进行运算处理，运算处理后的数据以异步串行方式经3C、6C、7C上传至低压侧数显终端(7)的IC3，IC3再将接收到的数据处理后通过USB电缆上传计算机7D，计算机7D根据需要显示被测电压信号的真有效值、基波有效值、频率、波形畸变率及实时波形等。

计算机7D还可通过USB电缆将需要设置的各种控制指令下传到IC3、IC3再将该指令通过7B、6B、3B下传至高压侧信号处理装置(3)的IC2，为了保证通讯可靠性，还在收到指令后将应答指令通过3C、6C、7C上传至IC3，IC3再将应答指令通过USB电缆上传至计算机7D。典型应用是，宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器可采用多种通讯协议，通过该法设置可选择其中一种用户熟悉的协议，或宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器上传信息可包含瞬态数据包、稳态数据包等或全部信息，通过该法设置可只选择用户关心的数据上传，简化低压侧数显终端(7)的数据通讯。

实施例2：

参照附图3：(图中省略了与图2中相同的电阻式分压器1、分流器2、高压侧电源4、高压隔离变压器5)，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器不关心被测信号的采样时刻，即不需要与其它信号同步采样或作相位对比，故高压侧信号处理装置(3)省去采样时钟接收器3A，通讯光纤组(6)省去通讯光纤6A，低压侧数显终端(7)省去采样时钟发送器7A，同时将A/D转换器IC1的A/D转换启动信号CONVSTA直接与微处理器IC2的时钟输出引脚OC1A相连，由IC2提供采样时钟信号。

实施例3：

参照附图4：(图中省略了与图2中相同的电阻式分压器1、分流器2、高压侧电源4、高压隔离变压器5)，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器无需设置各种指令，故高压侧信号处理装置(3)可省去串行数据接收器3B，通讯光纤组(6)可省去通讯光纤6B、低压侧数显终端(7)可省去串行数据发送器7B。

实施例4：

参照附图5：(图中省略了与图2中相同的电阻式分压器1、分流器2、高压侧电源4、高压隔离变压器5)，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器既不关心被测信号的采样时刻，也不需要用户对其进行各种指令设置，故高压侧信号处理装置(3)省去采样时钟接收器3A、串行数据接收器3B，通讯光纤组(6)省去通讯光纤6A、6B，低压侧数显终端(7)省去采样时钟发送器7A、串行数据发送器7B。

实施例5：

参照图1、图2和图6：

本实施例采用两个宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器对三相交流电的三相线电压Uab、Ucb、Uac及三相相电流Ia、Ib、Ic的瞬态值及有效值等进行测量，图中S1为1号宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，S2为2号宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器。

S1、S2中的高压侧信号处理装置(3)与图2中的高压侧信号处理装置(3)相同。

图中A、B、C分别表示三相交流电的三根相线，M为交流电机；U1+为S1的被测电压输入端，I1+为S1的被测电流输入端，COM1为S1的被测电压及电流公共端；U2+为S2的被测电压输入端，I2+为S2的被测电流输入端，COM2为S2的被测电压及电流公共端。

本实施例中包含两套通讯光纤组，每套三根，分别记为6A1、6B1、6C1、6A2、6B2、6C2。

本实施例低压侧数显终端(7)由采样时钟发送器7A1、7A2，串行数据发送器7B1、7B2，串行数据接收器7C1、7C2，微处理器IC3及数据显示装置7D组成，所述7A1、7B1、7A2、7B2采用光纤发送器HFBR-1521，7C1、7C2采用光纤接收器HFBR-2521，IC3采用单片机CY7C68013，7D采用计算机。采样时钟发送器7A1、7A2的电信号输入端连接在一起并与微处理器IC3的T0OUT引脚相连。串行数据发送器7B1的电信号输入端与微处理器IC3的7-TXD0相连，串行数据发送器7B2的电信号输入端与微处理器IC3的7-TXD1相连，串行数据接收器7C1的电信号输出端与微处理器IC3的7-RXD0相连，串行数据接收器7C2的电信号输出端与微处理器IC3的7-RXD1相连；CY7C68013含有一个USB通讯接口，微处理器IC3与计算机7D之间采用USB电缆连接，实现两者之间的高速数据通讯。

测量原理：

宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器S1及S2的电压及电流测量信号输入端与被测三相交流电如图6相连，S1对Uab及Ia进行测量，S2对Ucb及Ic进行测量，所述S1、S2的采样时钟发送器7A1和7A2的电信号输入端连接在一起，即S1、S2的采样时钟源相同，S1、S2的高压侧信号处理装置(3)的IC1在同一采样时钟源的控制下，分别对三相线电压的Uab、Ucb及三相相电流的Ia、Ic进行同步采样。对于同一采样时刻的每一个瞬态值而言，Uac＝Uab-Ucb、Ia+Ib+Ic＝0即Ib＝-(Ia+Ic)，由此低压侧数显终端(7)的IC3得到Uab、Ucb、Uac、Ia、Ib、Ic的所有瞬态值，再根据有效值的计算原理，计算出Uab、Ucb、Uac、Ia、Ib、Ic的有效值，其它的如波形畸变率等，测量原理相同。

上述实施例通过有关部门的计量认证，其测试精度优于0.2级；电压连续测试范围为0～11kV，短时过载电压达14kV；电压信号带宽为DC～100kHz；电流连续测试范围为0～2000A，短时过载电流达4000A；电流信号带宽为DC～100kHz；最高采样频率为250kHz；串行传输速率为2Mbps；隔离电压不低于20kV。

上述实施例中，若改变电阻式分压器(1)的分压比，并提高高压隔离变压器(5)的绝缘耐压，可进一步提高测试电压；若减小分流器(2)的电阻值，可进一步提高测试电流。

Claims (8)

1.一种宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于，由以下组件构成：一个用于从被测电压回路中取出电压信号的电阻式分压器(1)，一个用于从被测电流回路中取出毫伏级电压信号的分流器(2)，一个用于将电阻式分压器(1)及分流器(2)输出的模拟电压信号转变为数字信号并进行运算处理的高压侧信号处理装置(3)，一组连接高压侧信号处理装置(3)和低压侧数显终端(7)的通讯光纤组(6)，一个为高压侧信号处理装置(3)提供工作电源的高压侧电源(4)，一个连接高压侧电源(4)与低压侧供电电网的高压隔离变压器(5)。

2.根据权利要求1所述的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于所述电阻式分压器(1)由高压臂电阻R1和低压臂电阻R2组成，所述R1和R2为无感电阻，并一同封装在绝缘材料灌封的屏蔽金属筒内。

3.根据权利要求1所述的宽频高压智能电阻式电流传感器，其特征在于所述分流器(2)根据带宽要求选用平板式分流器、或折带式分流器、或盘式分流器、或同轴式分流器。

4.根据权利要求1所述的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于所述高压隔离变压器(5)的原边及副边分别与低压侧供电电网及高压侧电源(4)连接。

5.根据权利要求1所述的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于所述高压侧信号处理装置(3)由信号放大电路3D、AD转换器IC1、微处理器IC2、串行数据发送器3C组成。

6.根据权利要求5所述的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于所述高压侧信号处理装置(3)还包括采样时钟接收器3A或串行数据接收器3B中的一种或它们的组合。

7.根据权利要求1所述的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于，所述通讯光纤组(6)由至少一根通讯光纤6C组成，通讯光纤6C与高压侧信号处理装置(3)中的串行数据发送器3C及低压侧数显终端(7)连接。

8.根据权利要求7所述的宽频高压智能电阻式电压电流组合传感器，其特征在于，所述通讯光纤组(6)还包括通讯光纤6A或通讯光纤6B中的一根或它们的组合，其中通讯光纤6A与采样时钟接收器3A及低压侧数显终端(7)连接，通讯光纤6B与串行数据接收器3B及低压侧数显终端(7)连接。

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