CN103698579B - 低压变频器直流电压采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压变频器直流电压采样装置，包括采用磁耦隔离器的隔离电源和依次连接的电阻采样分压电路、光耦隔离放大电路以及采样输出电路；隔离电源提供隔离的电源给光耦隔离放大电路和采样输出电路；电阻采样分压电路对输入的电压值进行采样并分压，输出至光耦隔离放大电路，光耦隔离放大电路对分压后的电压值进行隔离、传输并放大后得到差分电压信号，输出至采样输出电路，经放大及滤波后输出电压采样信号。本发明具有体积小、外围电路少、具有高线性度、高精度的同时工作频率范围宽且性能稳定的优点。

Description

低压变频器直流电压采样装置

技术领域

本发明涉及低压变频器领域，尤其涉及一种低压变频器直流电压采样装置。

背景技术

在电力、化工、煤矿、冶金等工业生产领域，通常要求低压变频器具有极高的可靠性。电压采样电路是变频器检测外围条件的一项重要指标，同时也是确定变频器能否正常工作的必要条件。对于提高设备的稳定性，电压采样装置是首当其冲，电压采样装置的优劣也将直接反映出变频器的综合性能。

在低压变频器领域，对于直流电压采样一般是通过电压互感器、霍尔器件或线性光耦实现。普通的电压互感器通常体积大且笨重，由于内部为铜漆包线的线圈，其成本高、不利于环保，且其测量精度不高、测量结果不稳定、频率特性差，只能适用于测量30—300Hz的电路，一般也只适用于测量50Hz正弦波电路，因此无法用于需要控制精度极高的变频器中。霍尔器件中，虽然能够在工作温度区内（5°C—65°C）达到精度优于1%、线性度优于0.1%的指标同时工作频带宽，其在0-100kHz频率范围内精度为1%，在0－5kHz频率范围内精度为0.5%，然而其抗外磁场能力差且体积较大不利于电路板的布局。

线性光耦采样是当今主流，最理想的工作状态是输入与输出呈线性关系。在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时，由于光电耦合器内部的发光二极管和光敏三极管的伏安特性，使光耦会存在一定的非线性区。若要解决这类问题，则需要极其复杂的外围电路，同时由于光耦是半导体器件，导致电流传输比随着温度的变化而变化，使得输出的电压信号不能严格与输入信号成比例的关系，从而会造成测量误差。此外，普通线性光耦的线性度通常仅有1%，远远不及隔离放大器的线性度，因此采用线性光耦的输入采样范围比较窄，无法满足50V-1200V范围的电压采样。而即便使用高线性度光耦，例如HCNR201类，虽然能够基本满足线性度指标，但是存在原边供电精度的问题，需要使用更大体积的电源系统，造成电压采样电路体积庞大和能耗增大等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、体积小、外围电路少、具有高线性度、高精度的同时使得工作频率范围宽且性能稳定的低压变频器电压采样电路。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低压变频器直流电压采样装置，包括采用磁耦隔离器的隔离电源和依次连接的电阻采样分压电路、光耦隔离放大电路、采样输出电路；所述隔离电源与光耦隔离放大电路、采样输出电路连接，提供隔离的电源；所述电阻采样分压电路对输入的电压值进行采样并分压，输出分压后的电压值至光耦隔离放大电路，所述光耦隔离放大电路对分压后的电压值进行隔离、传输并放大后得到差分电压信号，输出至采样输出电路；所述采样输出电路将差分电压信号放大及滤波后输出电压采样信号。

作为本发明进一步改进：所述隔离电源采用ADuM5000ARWZ磁耦隔离器。

作为本发明进一步改进：所述电阻采样分压电路包括依次连接的第二电阻R2、第四电阻R4和第六电阻R6，输入电压值的正负极分别与所述第二电阻R2、第六电阻R6一端连接，所述第四电阻R4的两端分别连接光耦隔离放大电路输入端的正负极。

作为本发明进一步改进：所述第二电阻R2、第四电阻R4和第六电阻R6均为0.1%的精密电阻。

作为本发明进一步改进：所述光耦隔离放大电路采用HCPL7840隔离运算放大器。

作为本发明进一步改进：所述采样输出电路包括依次连接的差分放大模块和滤波器；所述差分放大模块包括放大器和与放大器连接的第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5以及第七电阻R7；所述滤波器包括并联的第十二电阻R12和第八电容C8。

作为本发明进一步改进：所述放大器为AD8656ARMZ放大器。

作为本发明进一步改进：所述差分放大模块还包括连接在输入端与输出端之间的第九电容C9。

作为本发明进一步改进：所述第七电阻R7为电位器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明采用磁耦隔离器的隔离电源与电阻分压采样、光耦隔离放大器隔离传输结合的结构实现低压变频器的电压采样，电路结构简单、所需的外围电路非常少；通过电阻分压及光耦隔离放大器的设置，能够实现高采样精度和线性度，同时结合磁耦隔离器的使用，不需要使用大体积的电源系统，从而大大减少装置体积，使得可应用的范围广泛。

（2）本发明采用磁耦隔离器提供稳定的电源输入，同时通过光耦隔离放大器进行隔离传输，抗电磁干扰能力强、可以基本忽略EMI和谐波干扰，性能稳定可靠，因此能够运用于多种场合、灵活性大。

（3）本发明采用电阻采样分压电路对采样电压进行分压处理，保证良好的线性放大性能，使得测量电压的频率范围可达到0—100KHz，且线性度为小于0.4‰、响应时间小于10uS。

附图说明

图1是本发明低压变频器直流电压采样装置结构示意图。

图2是本实施例低压变频器直流电压采样装置电路结构示意图。

1、电阻采样分压电路；2、光耦隔离放大电路；3、采样输出电路；4、隔离电源。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明低压变频器直流电压采样装置，包括采用磁耦隔离器的隔离电源4和依次连接的电阻采样分压电路1、光耦隔离放大电路2以及采样输出电路3，其中隔离电源4与光耦隔离放大电路2、采样输出电路3连接，提供隔离的电源。电阻采样分压电路1对输入的电压值进行采样并分压，输出分压后的电压值至光耦隔离放大电路2。光耦隔离放大电路2对经过电阻采样分压电路1分压后的电压值进行隔离、传输及放大，输出一个差分电压信号至采样输出电路3。采样输出电路3将由光耦隔离放大电路2输出的差分电压信号进行放大及滤波后输出电压采样信号。

本发明通过电阻采样分压电路1将输入电压值进行分压后经过光耦隔离放大电路2进行光耦隔离放大处理，由采样输出电路3放大、滤波处理后输出采样电压，隔离电源4为系统提供稳定的直流电压，使系统能够稳定正常的工作，电路结构简单、所需的外围电路非常少，而通过电阻分压及光耦隔离放大器的设置，能够实现高采样精度和线性度。同时结合隔离电源4的使用，不需要使用大体积的电源系统，大大减少装置体积，使得可应用的范围广泛。

本发明采用隔离电源4提供隔离的电源输入，且通过光耦隔离放大电路2进行隔离传输，抗电磁干扰能力强、可以基本忽略EMI和谐波干扰，性能稳定可靠，因此能够运用于多种场合、灵活性大。

如图2所示，本实施例低压变频器直流电压采样装置电路结构，隔离电源4采用ADuM5000ARWZ磁耦合隔离器，电阻采样分压电路1为由第二电阻R2、第四电阻R4和第六电阻R6依次连接构成的电阻网络，光耦隔离放大电路2采用HCPL7840光耦隔离放大器，采样输出电路3包括由放大器、与放大器连接的第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7构成的差分放大模块、由第八电容C8和第十二电阻R12构成的低通滤波器，其中放大器采AD8656ARMZ放大器。

本实施例中，电阻采样分压电路1通过第二电阻R2和第六电阻R6分别与输入电压值连接，其中第二电阻R2一端连接输入电压正级INDC+，第六电阻R6一端连接输入电压负级INDC-，第二电阻R2、第六电阻R6另一端分别连接第四电阻R4的两端。电阻采样分压电路1通过第四电阻R4与光耦隔离放大电路2连接，其中第四电阻R4的两端分别与HCPL7840光耦隔离放大器的输入端的正负极连接。HCPL7840光耦隔离放大器通过第三电阻R3、第五电阻R5与AD8656ARMZ放大器输入两端连接，AD8656ARMZ放大器为高精密运放，由光耦隔离放大器输出的差分信号经第三电阻R3和第五电阻R5输入至AD8656ARMZ放大器的第3引脚和第2引脚，进行放大处理后由第1引脚经第十二电阻R12输出，采样输出电路3通过第一电阻R1与ADuM5000ARWZ磁耦合隔离器连接。ADuM5000ARWZ磁耦合隔离器负责提供稳定、隔离的电源，一路电源从VDD1与COMV1之间（即第一电容C1、第二电容C2两端）输出，另外一路电源由VCC和GND之间（第三电容C3、第四电容C4两端）输出。ADuM5000ARWZ磁耦合隔离器的一路输出与HCPL7840光耦隔离放大器的电源输入端连接，另一路输出与AD8656ARMZ放大器的电源输入端连接。

ADuM5000ARWZ磁耦合隔离器是基于ADI公司的iCoupler技术，能够隔离5.0V 或3.3V 电压，同时提供高达500mW的可调整隔离功率，且隔离电压为2500V、输出电压为3V/5V、输出电流为100mA、最高工作温度为105°C，而其体积仅仅为L10.5mm×W10.0mm×H2.65mm。

HCPL7840光耦隔离放大器是由安捷伦科技有限公司生产的隔离运算放大器，其特征参数为：带宽为100KHZ，非线性度为0.004%，增益误差为5%，且其体积为：L9.8mm×W9.65mm×H4.2mm。

AD8656ARMZ放大器是由ADI公司生产的高精密、极低噪声、输入/输出轨到轨运算放大器，其特征参数为：低噪声2.7 nV/√Hz @ f=10 kHz，失调电压为250uV，带宽为28MHZ的，温漂为0.4 μV/°C。

本实施例中，将50-1200V的直流电压分别接到IDNC+和INDC-端口处，经第二电阻R2、第六电阻R6和第三电阻R4组成的电阻采样分压电路1后将输入电压衰减至16.17mV—388.11mV，输出给光耦隔离放大电路2。电阻采样分压电路1中使用的电阻均为0.1%的精密电阻，从而保证采集信号的准确度。

本实施例中，经过电阻采样分压电路1衰减后的信号分别送至HCPL7840光耦隔离放大器的输入端IN+、IN-，对衰减后的信号进行隔离、传输和放大，在输出端OUT+、OUT-输出一个与输入成大约8倍关系的差分电压信号，输出给采样输出电路3。采用光耦隔离放大器较线性光耦的线性度更高，且采样电压范围更宽，HCPL7840光耦隔离放大器能够实现带宽为100KHZ、非线性度为0.004%且增益误差为5%的光耦隔离放大处理，工作频率范围广、线性度高且其外围电路少，而由于同时采用了磁耦合隔离器作为电源，其所需体积小，而使得能够满足高线性度、高精度的同时装置体积也大大减小，使其应用范围更为广泛。

本实施例中，经HCPL7840光耦隔离放大器光耦隔离放大处理后输出的差分电压信号经由第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5、第七电阻R7以及高精密运算放大器AD8656ARMZ组成的差分放大电路进行差分放大及转换后，由第十二电阻R12和第八电容C8组成的低通滤波器对转换后信号进行滤波，从DCOUT端输出采样信号。由于在输出端引入了低通滤波器，能够滤除杂散干扰信号。

本实施例中，将第七电阻R7设置为电位器，并使得第七电阻R7能够使输出电压在一定范围内微调，通过必要的校正可以使输入输出的精度达到0.1%。

本实施例中，为了减小附加极点而保证系统的稳定性在输入端与输出端之间引入了第九电容C9，第九电容C9与第七电阻R7并联，由于第九电容C9与差分放大模块的第五电阻R5和第七电阻R7构成了惯性环节，根据惯性环节输出不能瞬变的特性，从而使得输出的稳定性得到保证。

本实施例中，采用ADuM5000ARWZ磁耦合隔离器，能够提供高效、稳定的电源的同时大大减小装置的体积，结合HCPL7840光耦隔离放大器进行隔离传输，抗电磁干扰能力强、可以基本忽略EMI和谐波干扰，性能稳定可靠。

本发明同样适用于交流电流的采样，对于交流电流的处理，需要先将变频器的三相交流电经整流桥整流以及电解电容电容滤波后转换为直流电，再按照本发明提供的低压变频器直流电压采样装置进行采样。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种低压变频器直流电压采样装置，其特征在于：包括采用磁耦隔离器的隔离电源（4）和依次连接的电阻采样分压电路（1）、光耦隔离放大电路（2）、采样输出电路（3）；所述隔离电源（4）与光耦隔离放大电路（2）、采样输出电路（3）连接，提供隔离的电源，即为系统提供稳定的直流电压，且通过光耦隔离放大电路（2）进行隔离传输；所述电阻采样分压电路（1）对输入的电压值进行采样并分压，输出分压后的电压值至光耦隔离放大电路（2），所述光耦隔离放大电路（2）对分压后的电压值进行隔离、传输并放大后得到差分电压信号，输出至采样输出电路（3）；所述采样输出电路（3）将差分电压信号放大及滤波后输出电压采样信号。

2.根据权利要求1所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述隔离电源（4）采用ADuM5000ARWZ磁耦隔离器。

3.根据权利要求2所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述电阻采样分压电路（1）包括依次连接的第二电阻R2、第四电阻R4和第六电阻R6，输入电压值的正负极分别与所述第二电阻R2、第六电阻R6一端连接，所述第四电阻R4的两端分别连接光耦隔离放大电路（2）输入端的正负极。

4.根据权利要求3所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述第二电阻R2、第四电阻R4和第六电阻R6均为0.1%的精密电阻。

5.根据权利要求4所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述光耦隔离放大电路（2）采用HCPL7840隔离运算放大器。

6.根据权利要求1~5任意一项所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述采样输出电路（3）包括依次连接的差分放大模块和滤波器；所述差分放大模块包括放大器和与放大器连接的第一电阻R1、第三电阻R3、第五电阻R5以及第七电阻R7；所述滤波器包括并联的第十二电阻R12和第八电容C8。

7.根据权利要求6所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述放大器为AD8656ARMZ放大器。

8.根据权利要求6所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述差分放大模块还包括连接在输入端与输出端之间的第九电容C9。

9.根据权利要求6所述的低压变频器直流电压采样装置，其特征在于，所述第七电阻R7为电位器。