CN1052073C - 包含互耦式变换器和积分电路的电流测量电路 - Google Patents

Abstract

一种电流测量电路，包含互感式变换器3、积分电路2和高频脉动信号电路1，其在积分电路2的输入端之前将一方波叠加到来自变换器3的信号上，以便该积分电路2提供一个利用三角形高频脉动信号扰动的表示被测电流的信号。

Description

包含互耦式变换器和积分电路的电流测量电路

本发明涉及一种包含互耦式变换器和积分电路的电流测量电路，识积分电路对互耦式变换器的信号进行积分。

利用互耦式的变换器(又称为电感耦合式变换器)测量电流与其它的测量装置相比具有某些优点。特别是在电工测量领域，使用互耦式的变换器避免了由于DC电流引起的饱和问题，问题的出现与铁心变压器有关并且使电流的测量与其它测量分开，例如，在多相网络的其它各相上测量电流。然而，互耦式变换器存在的一个特殊问题在于，由该变换器所提供的信号是所测量的电流的导数。因此，使用互耦式变换器需要一积分电路，以便处理该信号。

在EP 0403330号专利申请中介绍了一种包括互耦式变换器和积分电路的测量电路。该申请的积分电路特别适合于抑制常规的积分电路的输出端处可能产生的低频信号积寄生的dc信号。

经常有这种情况，代表测量电流的信号利用模数变换器进行变换，以用于后来的处理。一种用于改进模数变换器的分辨率的已知技术是采用在变换器之前将一高频脉动(dither)信号叠加到被测量的信号上。这种高频脉动信号可以是一种随机的信号或周期的信号，例如三角波信号或具有斜H波形的信号。采用这种技术，可以通过对分辨率优于通常用交换器所能得到的量化级的信号变换值进行分析来确定被测信号值。高频脉动技术的原理已经公知很长一段时间了，采用高频脉动信号来改进变换器性能的测量和通讯系统的实例介绍在US 4187466、EP 0181719和EP0613256中。专利EP 0181719特别介绍了将三角波高频脉动信号叠加到变换之前的电流信号上的系统的原理。

因此希望具有一种测量电流的系统，其综合了与互耦式变换器相关均优点与采用高频脉动信号相关的优点。高频脉动信号的产生可能存在的问题与元件的成本和产生该信号的系统的复杂性有关。本发明的目的是提供一种系统，其具备两种技术的优点而避免了系统复杂性和各元件的重复所带来的问题。

为此，本发明的特征在于，该测量电路还包含一高频脉动信号电路，其将一基本上为矩形的信号叠加到来自在积分电路的输入端之前的变换器的信号上，以便该积分电路提供一个受基本上为三角波的高频脉动信号扰动的代表被测电流的信号。

通常，方波或矩形波信号并不适合作为一高频脉动信号，但是它在电子电路中例如在微处理机的输出端可以很容易地产生。本发明提供的一种电路中产生利用三角形高频脉动信号调制的电流信号并可将该信号送到一模数变换器，但是该电路避免了元件的重复，这是由于这样一个事实，即积分电路具有两种功能，对来自互耦式变换器的信号积分和产生的高频脉动信号积分。

如上所述，利用变换器得到的被测信号数值在利用信号处理步骤进行变换之后可以进行计算，该信号处理具有的分辨率优于仅利用模数变换器可能达到的分辨率。

该积分电路可以是常规类型的数字或模拟积分器。然而，优选的是与EP 0403330中使用的相似的电路，其包含：一具有相关的增益控制电阻和一反馈回路的放大器，反馈回路包含一反馈电容器，该积分电路还包含一第二积分器，其安装在放大器的输出端，反馈回路的上游侧。

利用这些装置，积分电路抑制了一在常规模拟电路中可能出现的低频和寄生的dc信号。最好，该积分电路还包含用于校正在积分信号中的相位延迟的特别是由于积分器的增益控制电阻和包含安装在放大器上游侧的无源滤波器引起的延迟的装置，其中电流测量电路构成电量计的输入电路的一部分，该电量计包括一电压测量电路、可以选择无源滤波器，以便利用该滤波器对在电压和电流通道之间的所有相位延迟进行校正，在被直接测量的网络中的电压没有改变它的相位。因此，电压通道不受与用于校正相位的元件的使用有关的限制，假如电压通道还用于数据通讯，这是很有利的。

正如上面讨论的，一个方波或矩形波信号利用电子电路是很容易产生的。在一个实施例中，矩形波信号可以利用在微处理机的输出端处提供的脉宽调制信号(PWM)产生，该信号通过包含至少一个锁存器的开关装置，以便对该PWM信号的平均频率进行分频，并且产生该方波信号。

使用具有简单三角波形式的高频脉动信号可能会引起一些问题，这些问题与该信号的幅度和变换器的量化级之间的关系有关。特别是，假如高频脉动信号的幅度不等于变换器的整数量化级，就会出现一个问题。为了克服这些问题，高频脉动信号电路最好提供一个矩形波信号，其再利用一个调制信号进行调制。然后将这个信号积分使之变成一个调制的三角波信号。

使用具有这种波形的信号克服了一些问题，这些问题与非调制的三角波信号的幅度与变换器量化级之间的差有关。实际上，调制信号向被变换的数值引入一个分量，其取决于三角波信号的幅度和变换器量化之间的差，以及其可以在抑制高频脉动信号的相同的处理过程中，例如利用一个分样(decimation)滤波器在变换之后被抑制。

最好，调制信号也利用微处理机的PWM信号产生。在一个实施例中，利用两个积分电路可以产生调制信号的两个边界，该积分电路对PWM信号(和它的反相信号)进行积分，以便产生每个边界。然而，可以进一步降低所使用元件的数量。最好，该高频脉动信号电路包含一个积分器，其对脉宽调制信号积分，以便产生代表调制信号的一个边界的三角波信号，将这个信号提供到一开关装置，以便产生一个仅具有一个边界的基本上矩形的信号，该边界随来自积分器的信号变化，该高频脉动信号电路还包含一个对信号中的低频分量进行滤波，以便提供一个经均衡调制的矩形波信号的滤波器。

研究滤波步骤之前的矩形调制信号，这个信号包含：一个与矩形波信号的频率相对应的频率分量以及一个与三角波信号相对应的低频分量。所述三角波信号对矩形波信号的两个边界之一进行调制，因此，滤波器消除了各低频分量，并且该信号呈对称的形状，即信号的两个边界被均衡地调制。

结合参阅附图，通过对以说明性的和非限定性的实例作为本发明的一个实施例的如下说明，将会使本发明得到充分的理解，其中：

图1表示用于包含本发明的电流测量电路的电量计输入电路的一个实例；

图2表示产生高频脉动信号的步骤。该高频脉动信号叠加到利用图1中的电路测量的电流信号上。

如图1所示，作为本实施例的用于电量计的输入电路包含：一包括高频脉动信号电路1和积分电路2的电流测量电路，该积分电路2对来自电感式变换器3(互耦式变换器)的，并综合了由高频脉动信号电路提供的方波的信号进行积分，以及还包含电压测量电路4和模数变换器5。

高频脉动信号电路1包含一锁存器6，其接收与该电路相关的微处理器的PWM信号。该锁存器对PWM信号的平均频率进行分频(divides)，以便产生一个方波。利用开关8产生调制信号，该开关8响应于微处理机的PWM信号切换基准电压Vref，以便在滤波之后由电阻9和电容11以及利用电阻9、10和12施加的基准电压Vref产生经调制的Vref信号。按照PWM周期的对应频率用三角波形式对这个信号进行调制，调制深度取决于关系式

这个信号然后由第二开关7响应于由经过锁存器6提供的PWM信号产生的方波进行切换，以便提供一不对称调制的方波信号。电容器13用于均衡调制信号的上升和下降时间。

如图1所示，这个对其上边界进行调制的信号利用一均衡电路进行处理，该均衡电路包含电容15、电阻16、17和电容18，其中电容15消除使被调制的方波不对称的低频分量，以便产生一梯形方式调制的方波信号，电阻16、17和电容18的功能是对由电容器15输出的梯形信号的畸变进行补偿。实际上包含元件15到18的均衡电路构成了一带通滤波器，其使方波的频率以及它的一次谐波通过并排除使该信号的对称波形畸变的频率分量。参阅图2，因此产生一个经调制的对称的方波信号。

如图1所示，电流测量电路还包含一互感式变换器3，它的信号表示通过ac网络的相F₁的电流的导数。这个信号被提供到积分电路2以及其后提供到模数变换器5。积分电路2包含一具有由电容21和电阻22形成的反馈回路的放大器20，该RC回路控制变换器的信号的积分。该电路还包含一耦合电容23和一增益限制电阻24，该电容23连接到反馈回路上游侧的放大器输出端，其改变电路的特性，以便抑制低频和dc信号，电阻24防止放大器的饱和。分压器24、25连接在变换器5上游侧电路的输出端，实际上，这些电路元件与在EP 0403330中介绍的电路相对应，该EP 0403330提供的信号与变换器的信号的积分相对应，没有寄生效应和信号畸变。

该电流测量电路构成为电量计的输入回路的一部分，该电量计还包含一由含有两个电阻26、27的分压器构成的电压测量电路4。本发明的输入电路不同于EP 0403330中的电路，其区别在于后者在电压信号通道中没有相位校正元件，电容28的功能仅在于衰减不希望存在的高频分量。即相位校正元件是由电容29和电阻30构成的，它们的功能是与电阻22和31相综合以校正电流通道的相位，使得电流和电压通道在模数变换器的输入端同相。电流通道还包含一用于衰减不希望存在的高频分量的电容32。电容28和32是非强制性的，在其他实施例中可省略。

来自高频脉动信号电路的信号被叠加到由变换器3接收的信号上，并被提供到在点33处的积分电路上。该综合信号然后被积分以便产生一代表利用变换器测量的，由一高频脉动信号所扰动的电流映象的信号，该高频脉动信号具有利用一梯形波调制的三角波的波形。选择调制信号的幅度和该波形的幅度，以便产生一含有三角波信号30的高频脉动信号，该三角波信号具有的幅度对应于在每个边界上利用一个与至少半数量化级相对应的幅度调制的变换器的几个量化级。该信号然后被提供到模数变换器的输入端。如上所述，利用具有这种波形的信号改进了由变换器变换的信号的分辨率。在变换步骤之后，利用数字分样滤波器或其它已知的装置，例如将模拟高频脉动信号变换为数字信号以及由从表示该电流和高频脉动信号之合成数值的信号中减去这一信号，可以除去高频脉动信号。因此计算的电流和电压信号可以用于计算消耗的能量等。

Claims (7)

1.一种电流测量电路，包含一互耦式变换器和一积分电路，该电路对来自变换器的信号积分，其特征在于，该测量电路还包含一高频脉动信号电路，其在积分电路的输入端之前，将一个矩形波信号叠加到来自变换器的信号上，以便积分电路提供一个利用一个三角波的高频脉动信号扰动的代表被测电流的信号。

2.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于该高频脉动信号电路提供一个经调制信号调制的矩形波信号。

3.如权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于该矩形波信号的产生是利用包含至少一个锁存器的开关装置，该锁存器接收一脉宽调制信号并且将该信号分频，以便产生一个矩形波信号。

4.如权利要求3所述的电流测量电路，其特征在于高频脉动信号电路包含一积分器，其对脉宽调制信号积分，以便产生一代表调制信号的一个边界的三角形信号，将这一信号提供到开关装置，以便产生一仅具有一个边界的矩形波信号，该边界随来自积分器的信号本身变化，该高频脉动信号电路还包含一滤去低频分量的滤波器，以便提供一个被对称调制的矩形波信号。

5.如前述任何一个权利要求所述的电流测量电路，其特征在于该积分电路包含一具有增益限制电阻和反馈回路的放大器，反馈回路包括一反馈电容，该积分电路还包含一连接在反馈回路上游侧的放大器的输出端的第二电容。

6.如权利要求5所述的电流测量电路，其特征在于还包含：用于校正积分信号和由变换器接收的信号之间相位的装置以及包含一连接到放大器上游侧的无源滤波器。

7.一种如权利要求6所述的电流测量电路的电量计的输入电路，其特征在于还包括电压测量电路，其中电流测量电路包括无源滤波器，用于补偿电流和电压通道之间的相位差。