CN101231311A - 宽频高压智能电阻式电流传感器 - Google Patents

宽频高压智能电阻式电流传感器 Download PDF

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CN101231311A CNA2008100306810A CN200810030681A CN101231311A CN 101231311 A CN101231311 A CN 101231311A CN A2008100306810 A CNA2008100306810 A CN A2008100306810A CN 200810030681 A CN200810030681 A CN 200810030681A CN 101231311 A CN101231311 A CN 101231311A
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Abstract

本发明公开了一种宽频高压智能电阻式电流传感器,由以下组件构成:一个用于从被测电流回路中取出电压信号的分流器(1),一个用于将分流器(1)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(2),一组连接高压侧信号处理装置(2)和低压侧数显终端(6)的通讯光纤组(5),一个为高压侧信号处理装置(2)提供工作电源的高压侧电源(3),一个连接高压侧电源(3)与低压侧供电电网的高压隔离变压器(4)。本发明频率响应范围宽、可交直流通用、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、高耐压、高线性、低温漂、易校准、抗干扰能力强。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。

Description

宽频高压智能电阻式电流传感器 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流传感器。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,传统的互感器己不能满足电参数测试。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,提供一种采用分流器取代传统的互感器用于 交流高压大电流测试,提高测量带宽、精度及抗干扰性能的宽频高压智能电阻式电流传感器。本发明的技术方案是:利用分流器良好的频率特性及线性,采用分流器取代传统的互感 器作为高压交流大电流测试的传感器件,测量电路与分流器紧密结合,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: 一个用于从被测电流回路中取出电压信号的分流器(1), 一个 用于将分流器(1)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(2), 一组连接高压侧信号处理装置(2)和低压侧数显终端(6)的通讯光纤组(5),— 个为高压侧信号处理装置(2)提供工作电源的高压侧电源(3), —个连接高压侧电源(3) 与低压侧供电电网的高压隔离变压器(4)。与低压侧供电电网的高压隔离变压器(4)。所述分流器(1)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(4)的原边及副边分别与低压侧供电电网及高压侧电源(3)连接。 所述高压侧信号处理装置(2)由信号放大电路2D、 AD转换器IC1、微处理器IC2、串行数据发送器2C组成。所述高压侧信号处理装置(2)还包括采样时钟接收器2A或串行数据接收器2B中的一种或它们的组合。所述通讯光纤组(5)由至少一根通讯光纤5C组成,通讯光纤5C与高压侧信号处理装 置(2)中的串行数据发送器2C及低压侧数显终端(6)连接。所述通讯光纤组(5)还包括通讯光纤5A或通讯光纤5B中的一根或它们的组合,其中 通讯光纤5A与采样时钟接收器2A及低压侧数显终端(6)连接,通讯光纤5B与串行数据接 收器2B及低压侧数显终端(6)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 —分流器,2—高压侧信号处理装置,3 —高压侧电源,4一高压隔离变压器,5 一通讯光纤组,6—低压侧数显终端。图6中:Sl — l号宽频高压智能电阻式电流传感器,S2—2号宽频高压智能电阻式电流传 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2-RXD0、 2-TXD0、 6-RXD0、 6-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6-RXDl、6-TXDl。实施例1:参照图1和图2:本实施例低压侧供电电网采用AC220V市电。分流器(1)作为电流传感器件,接在被测电流回路I+、 I-两端,将被测电流转变为毫 伏级模拟电压信号接入高压侧信号处理装置(2),高压侧信号处理装置(2)将分流器(1) 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(5)上传至低压侧数显终端 (6),高压侧电源(3)为高压侧信号处理装置(2)提供工作电源,高压隔离变压器(4)的 原边及副边分别与AC220V市电及高压侧电源(3)相连。本实施例中,分流器(1)采用同轴分流器R1,电阻值约为37uQ ,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(2)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 2D、 AD转换器IC1、微处理器IC2、釆样时钟接收器2A、串行数据接收器2B及串行数据发 送器2C组成,本实施例中IC1采用16位AD转换器AD7656, IC2采用单片机ATMEGA162, 2A、 2B采用光纤接收器HFBR-2521, 2C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2A相连,分流器(1)输出的毫伏电压信号与信号放大电路2D相连,放大后信号与IC1的模拟 信号输入端AIN相连,IC2的串行数据接收端口2-RXD0与串行数据接收器2B相连,IC2的 串行数据发送端口 2-RXD0与串行数据发送器2C相连。本实施例中,高压侧电源(3)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(2) 提供工作电源。高压隔离变压器(4)的原边及副边分别与AC220V市电及高压侧电源(3)连接,本实 施例中,高压隔离变压器(4)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(包括被测电流回路、分流器1、高压侧信号处理装2、高压侧电源3)与AC220V 市电之间起高压隔离作用。本实施例通讯光纤组(5)由三根通讯光纤5A、 5B、 5C组成,5A连接2A与6A, 5B 连接2B与6B, 5C连接2C与6C,通讯光纤组(5)在高压侧信号处理装置(2)及低压侧数 显终端(6)之间起数据通讯及高压隔离的作用。本实施例低压侧数显终端(6)由采样时钟发送器6A、串行数据发送器6B、串行数据接 收器6C、微处理器IC3及数据显示装置6D组成,所述6A、 6B采用光纤发送器HFBR-1521 , 起电/光转换作用,6C采用光纤接收器HFBR-2521,起光/电转换作用,IC3采用单片机 CY7C68013, 6D采用计算机。采样时钟发送器6A的电信号输入端与微处理器IC3的TOOUT 引脚相连,串行数据发送器6B的电信号输入端与微处理器IC3的6-TXD0相连,串行数据接 收器6C的电信号输出端与微处理器IC3的6-RXD0相连;CY7C68013含有一个USB通讯接 口 ,微处理器IC3与计算机6D之间采用USB电缆连接,实现两者之间的高速数据通讯。工作原理如下:被测电压流流经分流器(1)后产生毫伏级电压信号,毫伏级电压信号经信号放大电路 2D放大后产生峰值小于10V电压信号输入到A/D转换器IC1, IC3产生采样时钟信号经6A、5A、 2A控制IC1的A/D转换启动信号CONVSTA,启动A/D转换,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 2C、 5C、 6C上传至低压侧数显终端(6)的IC3, IC3再将接收到的数据处理后通过USB电 缆上传计算机6D,计算机6D根据需要显示被测电流信号的真有效值、基波有效值、频率、 波形畸变率及实时波形等。计算机6D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6B、 5B、 2B下传至高压侧信号处理装置(2)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2C、 5C、 6C上传至IC3, IC3再将应答指令通过USB电缆上传至计 算机6D。典型应用是,宽频高压智能电阻式电流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流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(6)的数据通讯。实施例2:参照附图3:(图中省略了与图2中相同的分流器1、高压侧电源3、高压隔离变压器4), 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流传感器不关心被测信号 的采样时刻,即不需姜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(2)省去 采样时钟接收器2A,通讯光纤组(5)省去通讯光纤5A,低压侧数显终端(6)省去采样时 钟发送器6A,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0C1A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中相同的分流器1、高压侧电源3、高压隔离变压器4), 本实施例与实施例l不同的是,本实施例中宽频高压智能电阻式电流传感器无需设置各种指 令,故高压侧信号处理装置(2)省去串行数据接收器2B,通讯光纤组(5)省去通讯光纤5B、低压侧数显终端(6)省去串行数据发送器6B。 实施例4:参照附图5:(图中省略了与图2中相同的分流器1、高压侧电源3、高压隔离变压器4), 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流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(2)省去采样 时钟接收器2A、串行数据接收器2B,通讯光纤组(5)省去通讯光纤5A、 5B,低压侧数显 终端(6)省去采样时钟发送器6A、串行数据发送器6B。实施例5:参照附图l、图2和图6:本实施例采用两个宽频高压智能电阻式电流传感器对无中线连接的三相交流电的三相相 电流Ia、 Ib、 Ic的瞬态值及有效值等进行测量,图6中Sl为1号宽频高压智能电阻式电流传 感器,S2为2号宽频高压智能电阻式电流传感器。Sl、 S2中的高压侧信号处理装置(2)与图2中的高压侧信号处理装置(2)相同。 本实施例中包含两套通讯光纤组,每套三根,分别记为5A1、 5B1、 5C1、 5A2、 5B2、5C2。本实施例低压侧数显终端(6)由釆样时钟发送器6A1、 6A2,串行数据发送器6B1、 6B2, 串行数据接收器6C1、 6C2,微处理器IC3及数据显示装置6D组成,所述6A1、 6B1、 6A2、 6B2采用光纤发送器HFBR-1521, 6C1、 6C2釆用光纤接收器HFBR-2521, IC3采用单片机 CY7C68013, 6D采用计算机。采样时钟发送器6A1、 6A2的电信号输入端连接在一起并与微 处理器IC3的TOOUT引脚相连。串行数据发送器6B1的电信号输入端与微处理器IC3的 6-TXD0相连,串行数据发送器6B2的电信号输入端与微处理器IC3的6-TXD1相连,串行 数据接收器6C1的电信号输出端与微处理器IC3的6-RXD0相连,串行数据接收器6C2的电 信号输出端与微处理器IC3的6-RXD1相连;CY7C68013含有一个USB通讯接口,微处理 器IC3与计算机6D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流传感器Sl的测量信号输入端与被测三相交流电的Ia相连,宽 频高压智能电阻式电流传感器S2的测量信号输入端与被测三相交流电的Ic相连,所述Sl、 S2的采样时钟发送器6A1和6A2的电信号输入端连接在一起,即Sl、 S2的采样时钟源相同, Sl、 S2的高压侧信号处理装置(2)的IC1在同一采样时钟源的控制下,分别对三相交流电 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,Ia+Ib+Ic=0,即仍=-(Ia+Ic),由此低压侧数显终端的IC3得到Ia、 Ib、 Ic的所有瞬态值,再根据有效值的计算原 理,计算出Ia、 Ib、 Ic的有效值,其它的如波形畸变率等,测量原理相同。上述两个实施例通过有关部门的计量认证,其测试精度优于0.2级;电流连续测试范围 为0-2000A,短时过载电流达4000A;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。上述两个实施例中,若减小分流器(1)的电阻值,并提高高压隔离变压器(4)的绝缘耐压, 可进一步增大测试电流。

Claims (7)

1.一种宽频高压智能电阻式电流传感器,其特征在于,由以下组件构成:一个用于从被测电流回路中取出电压信号的分流器(1),一个用于将分流器(1)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(2),一组连接高压侧信号处理装置(2)和低压侧数显终端(6)的通讯光纤组(5),一个为高压侧信号处理装置(2)提供工作电源的高压侧电源(3),一个连接高压侧电源(3)与低压侧供电电网的高压隔离变压器(4)。
2. 根据权利要求l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(1) 根据带宽要求选用平板式分流器或折带式分流器、盘式分流器、同轴式分流器中的任一种。
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,其特征在于所述高压隔离变 压器(4)的原边及副边分别与低压侧供电电网及高压侧电源(3)连接。
4.根据权利要求1所述的宽频高压智能电阻式电流传感器,其特征在于所述高压侧信号 处理装置(2)由信号放大电路2D、 AD转换器IC1、微处理器IC2、串行数据发送器2C组 成。
5. 根据权利要求4所述的宽频高压智能电阻式电流传感器,其特征在于所述高压侧信号 处理装置(2)还包括采样时钟接收器2A或串行数据接收器2B中的一种或它们的组合。
6. 根据权利要求l所述的宽频高压智能电阻式电流传感器,其特征在于,所述通讯光纤 组(5)由至少一根通讯光纤5C组成,通讯光纤5C与高压侧信号处理装置(2)中的串行数 据发送器2C及低压侧数显终端(6)连接。
7. 根据权利要求6所述的宽频高压智能电阻式电流传感器,其特征在于,所述通讯光纤 组(5)还包括通讯光纤5A或通讯光纤5B中的一根或它们的组合,其中通讯光纤5A与采样 时钟接收器2A及低压侧数显终端(6)连接,通讯光纤5B与串行数据接收器2B及低压侧数 显终端(6)连接。
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