CN106557104B - 一种高精度宽频带宽量程电流‑电压转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高精度宽频带宽量程电流‑电压转换装置，所述装置包括依次相连的电流输入档位切换继电器阵列、大电流双级电流互感器、二次电流选择继电器阵列、I/U变换器以及与电流输入档位切换继电器阵列和二次电流选择继电器阵列分别相连的档位切换控制器。本装置可以将宽频带电流转换为4V电压，转换过程快速精准，转换结果忠实的保留了原电流的频率和相位参数。转换过程中减少了双极互感器绕制工艺的要求，误差补偿校准方法简单易行，特别适用于对高频谐波进行转换。
Description
技术领域
本发明涉及电流-电压转换领域，尤其涉及一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置。
背景技术
电力系统中，功率计量装置、继电保护装置、仪器仪表及自动化系统中经常需要将电流源信号线性的转换为电压源信号。而在宽频交流量测量过程中,由于频率变化以及分布参数、器件的交流参数和温度特性影响,很难保证电流-电压转换的高精度和长期稳定性。特别在对小电流进行低阻抗测量时,更是带来非常大的误差。而实际工作中的交流电流范围很宽，存在谐波，且测量仪器能够保证的精度输入范围很有限。
实验室常用的交流/直流溯源方法主要是利用电流比较仪技术和交流电压溯源技术,这些方法处理步骤多，电路复杂,误差源多。而且在进行谐波测量时，随着频率的升高比差和角差将会越来越大，使得后续的信号处理、计量、研究等工作造成误差。
发明内容
本发明提供一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，以解决现有技术中电流-电压转换精度低的技术问题。
本发明提供一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，所述装置包括电流输入档位切换继电器阵列、大电流双级电流互感器、二次电流选择继电器阵列、I/U变换器以及档位切换控制器，其中，
所述电流输入档位切换继电器阵列用于根据接收到的交流宽频电流的大小切换继电器阵列切换所述大电流双级电流互感器工作档位，所述交流宽频电流为5mA-100A；
所述大电流双级电流互感器用于将所述交流宽频电流转换为交流小电流并将所述交流小电流输出至所述二次电流选择继电器阵列，所述交流小电流为80mA或8mA；
所述二次电流选择继电器阵列用于根据所述大电流双级电流互感器输出的交流小电流切换所述I/U变换器工作档位；
所述I/U变换器用于将所述大电流双级电流互感器输出的交流小电流转为交流电压并将所述交流电压输出；
所述档位切换控制器用于根据所述交流宽频电流的电流等级和所述交流小电流的电流等级控制所述电流输入档位切换继电器阵列和所述二次电流选择继电器阵列。
优选的，所述大电流双级电流互感器包括第一级互感器和第二级电流互感器，其中，第二级电流互感器将所述第一级互感器的励磁安匝作为第二级互感器的一次安匝，所述第二级互感器的二次安匝为励磁安匝为其中，为一次电流，N1为一次侧线圈匝数，为补偿电流，NB补偿线圈匝数，为二次侧总电流。
优选的，所述I/U变换器包括小电流双级电流互感器、主回路电路、检测绕组回路电路以及加法运算放大器，其中，
所述小电流双级电流互感器用于将二次绕组的主回路电流和检测绕组回路电流分别输入至所述主回路电路和检测绕组回路电路；
所述主回路电路用于将所述主回路电流转换为主回路电压，并将所述主回路电压放大后输出至所述加法运算放大器；
所述检测绕组回路电路用于将所述检测绕组回路电流放大后转换为检测绕组回路电压，并将所述检测绕组回路电压放大后输出至所述加法运算放大器；
所述加法运算放大器用于将所述主回路电路和检测绕组回路电路分别输出的电压求电压矢量和，完成电流到电压的转换。
优选的，所述主回路电路包括第一电阻阵列和主回路有源补偿放大电路，其中，所述第一电阻阵列用于将所述主回路电流转换为所述主回路电压；所述主回路有源补偿放大电路用于放大所述主回路电压。
优选的，所述检测绕组回路电路包括电流有源补偿放大回路、第二电阻阵列以及检测回路有源补偿放大电路，其中，所述电流有源补偿放大回路用于放大所述检测绕组回路电流；所述第二电阻阵列用于将所述放大后的检测绕组回路电流转换为检测绕组回路电压；所述检测回路有源补偿放大电路用于放大所述检测绕组回路电压。
优选的，所述主回路有源补偿放大电路、所述电流有源补偿放大回路和检测回路有源补偿放大电路为反向放大器构成的有源补偿电路。
优选的，所述主回路有源补偿放大电路、所述电流有源补偿放大回路和检测回路有源补偿放大电路为正向放大器构成的有源补偿电路。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，所述装置包括依次相连的电流输入档位切换继电器阵列、大电流双级电流互感器、二次电流选择继电器阵列、I/U变换器以及与电流输入档位切换继电器阵列和二次电流选择继电器阵列分别相连的档位切换控制器。本装置可以将宽频带电流转换为4V电压，转换过程快速精准，转换结果忠实的保留了原电流的频率和相位参数。转换过程中减少了双极互感器绕制工艺的要求，误差补偿校准方法简单易行，特别适用于对高频谐波进行转换。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中提供的大电流双级电流互感器的原理示意图；
图3是本发明实施例中提供的I/U变换器的结构示意图；
图4是本发明实施例中提供的反向放大器构成的有源补偿电路的结构示意图；
图5是本发明实施例中提供的同向放大器构成的有源补偿电路的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
请参考图1，所示为本发明实施例中提供的一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置的结构示意图。
由图1可见，所述装置包括电流输入档位切换继电器阵列100、大电流双级电流互感器200、二次电流选择继电器阵列300、I/U变换器400以及档位切换控制器500，其中，
所述电流输入档位切换继电器阵列用于根据接收到的交流宽频电流的大小切换继电器阵列切换大电流双级电流互感器工作档位，所述交流宽频电流为5mA-100A；
所述大电流双级电流互感器用于将所述交流宽频电流转换为交流小电流并将所述交流小电流输出至二次电流选择继电器阵列，所述交流小电流为80mA或8mA；
所述二次电流选择继电器阵列用于根据所述大电流双级电流互感器输出的交流小电流切换I/U变换器工作档位；
所述I/U变换器用于将所述大电流双级电流互感器输出的交流小电流转为交流电压并将所述交流电压输出；
所述档位切换控制器用于根据所述交流宽频电流的电流等级和所述交流小电流的电流等级控制所述电流输入档位切换继电器阵列和所述二次电流选择继电器阵列。
本装置的主要工作流程为：5mA-100A交流宽频电流输入、电流输入档位切换继电器阵列切换大电流双级电流互感器工作档位、大电流双级电流互感器把交流转换为交流80mA或8mA输出、二次电流选择继电器阵列切换I/U变换器工作档位、I/U变换器把交流80mA或8mA转为直流输出。其中，电流输入档位切换继电器阵列和二次电流选择继电器阵列由档位切换控制器(单片机)控制，档位切换控制器(单片机)判别交流大电流等级和二次输入交流小电流后对电流输入档位切换继电器阵列和二次电流选择继电器阵列进行控制。
所述装置包括电流输入档位切换继电器阵列、大电流双级电流互感器、二次电流选择继电器阵列、I/U变换器以及档位切换控制器可以把宽频带电流转换为4V电压，转换过程快速精准，转换结果忠实的保留了原电流的频率和相位参数。转换过程中减少了双极互感器绕制工艺的要求，误差补偿校准方法简单易行，特别适用于对高频谐波进行转换。
请参考图2，所示为本发明实施例中提供的大电流双级电流互感器的原理示意图。
由图2可见，大电流双级电流互感器是由两级电流互感器(第一级互感器和第二级电流互感器)组成的特殊电流互感器，相当于将第一级互感器的空载压降加在第二级互感器的一次，使第二级空载压降减小，而双级电压互感器的误差由第二级空载压降决定，为第一级和第二级空载误差的乘积的负值，也等于第一级和第二级的一次绕组内阻抗和励磁导纳乘积的负值。
其中第一级电流互感器与一般的电流互感器相同，而第二级电流互感器是将第一级互感器的励磁安匝作为第二级互感器的一次安匝，第二级互感器的二次安匝为励磁安匝为其中，为一次电流，N1为一次侧线圈匝数，为补偿电流，NB补偿线圈匝数，为二次侧总电流。大电流双级电流互感器的误差主要由第二级互感器铁芯的励磁安匝所决定，如果第二级互感器的误差为10％-1％，则大电流双级电流互感器可比一般的电流互感器提高准确度1-2个数量级。根据推导得大电流双级电流互感器的误差为：
式中：
—一次侧励磁电流
—第一级互感器的空载误差
—第二级互感器的空载误差
Z0B—第二级互感器的总阻抗；
Z02—二次负荷总阻抗；
Z′m—折算至二次的铁芯励磁阻抗；
z′Bm—折算至第二级互感器二次的第二级互感器的励磁阻抗。
5mA-100A的交流宽频电流输入后由档位切换控制器(单片机)判断电流输入级别并控制电流输入档位切换继电器阵列切换工作档位，5mA-10A的宽频电流输入到20AT双极电流互感器并转换为80mA宽频交流电流，10A-100A的宽频电流输入到200AT双极电流互感器并转换为8mA宽频交流电流。
请参考图3，所示为本发明实施例中提供的I/U变换器的结构示意图。
由图3可见，所述I/U变换器包括小电流双级电流互感器、主回路电路、检测绕组回路电路以及加法运算放大器，其中，
所述小电流双级电流互感器用于将二次绕组的主回路电流和检测绕组回路电流分别输入至主回路电路和检测绕组回路电路；
所述主回路电路用于将所述主回路电流转换为主回路电压，并将所述主回路电压放大后输出至所述加法运算放大器；所述主回路电路包括第一电阻阵列和主回路有源补偿放大电路，其中，所述第一电阻阵列用于将所述主回路电流转换为主回路电压；所述主回路有源补偿放大电路用于放大所述主回路电压。
所述检测绕组回路电路用于将所述检测绕组回路电流放大后转换为检测绕组回路电压，并将所述检测绕组回路电压放大后输出至所述加法运算放大器；所述检测绕组回路电路包括电流有源补偿放大回路、第二电阻阵列以及检测回路有源补偿放大电路，其中，所述电流有源补偿放大回路用于放大所述检测绕组回路电流；所述第二电阻阵列用于将所述放大后的检测绕组回路电流转换为检测绕组回路电压；所述检测回路有源补偿放大电路用于放大所述检测绕组回路电压。
所述加法运算放大器用于将所述主回路电路和检测绕组回路电路分别输出的电压求电压矢量和，完成电流到电压的转换。
8mA或80mA的交流宽频电流由档位切换控制器(单片机)判断电流输入级别后输入I/U变换器，8mA的宽频电流输入到8mA/4V的I/U变换器，80mA的宽频电流输入到80mA/4V的I/U变换器。其中，电阻阵列为高精度纯电阻，具有频率不变性，可以很好的跟踪宽频电流。电流经过电阻后变为电压信号，输入到有源补偿放大电路。
以上主回路有源补偿放大电路、所述电流有源补偿放大回路和检测回路有源补偿放大电路可以为反向放大器构成的有源补偿电路。
请参考图4，所示为本发明实施例中提供的反向放大器构成的有源补偿电路的结构示意图。
令：T＝C×(R2+R3)；ω＝2×π×f；p＝R3×R1-R4×R2；R12＝R1+R2；R34＝R3+R4。
其中，R1、R2、R3、R4为四个纯电阻，C为等效泄漏电容，T为时间常数，ω为角频率(单位为：rad)，f为输入信号频率。
则考虑交流情况下的K(ω)(分压器变比关于频率的函数)为：
经严格数学公式推导，在K(ω)表达式中存在隐含的重要判断因子p：
P＝R3×R1-R4×R2 (式3)
进一步代入补偿电路的电阻、等效电容等参数仿真计算：
当p＝0时，无论是频率与等效电容如何变化，分压器的比例误差和角差为零。
当p<0时，分压器的比例误差为正且绝对值随频率升高呈ω2关系变大。角差为负且绝对值随频率升高呈ω关系变大。
当p>0时，分压器的比例误差为负且绝对值随频率升高呈ω2关系变大。角差为正且绝对值随频率升高呈ω关系变大。
式2中的虚部数值很小，对比差计算可忽略。
计算得角差为：
角差校准系数为：
比差为：
比差校准系数为：
由此，有源补偿放大电路的误差可以分别简约表示为：
比差：
fc＝ω2×Kf (式8)
角差：
δc＝ω×Kt (式9)
Kf量值约为1×10-15，由电阻参数、屏蔽结构参数和空气介质等决定，是不随频率变化的常量，在50Hz-3kHz范围内简约式8、式9与精确式2的计算吻合度约为1×10-20。
Kt量值约为1×10-7，由电阻参数、屏蔽结构参数和空气介质等决定，是不随频率变化的常量，在50Hz-3kHz范围内简约式8、式9与精确式2的计算内吻合度约为1×10-14。
如此，放大补偿电路误差函数可由自身的结构特征参量Kf、Kt简化表示为：
δi＝jωi×Kt (式12)
式10中第一项即放大补偿电路比差式11，第二项为放大补偿电路角差式12，准确地用fi、δi表示测量频率范围内任一频点的比差和角差，ωi表示频点，Kf、Kt特征量可以通过在参考标准下任意一个频点测量比差和角差，按式5和式7简单计算即可获得Kf和Kt，即通过一个频点的溯源校准完成了全频范围的校准。此特征量仅与结构参数相关，由于信号的频率变化而引起的误差变化可以忽略，故称为具有频率不变性的特质。
同理，可得同向放大器构成的有源补偿电路角差校准系数和比差校准系数。请参考图5，所示为本发明实施例中提供的同向放大器构成的有源补偿电路的结构示意图。
令：T＝C×(R2+R3)；ω＝2×π×f；p＝R3×R1-R4×R2；R12＝R1+R2；R34＝R3+R4，
其中，R1、R2、R3、R4为四个分压电阻，C为等效泄漏电容，T为时间常数，ω为角频率(单位为rad)，f为分压器输入信号频率，p为判断因子。则：
角差为：
角差校准系数为：
比差为：
比差校准系数为：
通过试验选择合适的屏蔽结构和R1、R2参数使判断因子p值尽可能小。以Kt值为调整目标是因为通常Kf值比Kt值要小4-5个数量级，只要Kt值选好后因p值小会同时得到较小的Kf值。选取合适的频点如1kHz，进行选定的电压比例如80mA-4V测量得到比差测量值fc、角差测量值δc，按式5、式7或式15、式17计算出Kf、Kt，将Kf、Kt代入式11和式12即可计算出任意频点ωi的误差(包括校准点1kHz自身)，完成对45Hz-3050Hz连续频谱的误差校准。档位切换控制器(单片机)与电流输入档位切换继电器阵列和二次电流选择继电器阵列相连，并能指示当前档位，进行手动档位控制，通过以太网和RS485与外网相连。
相比现有技术，本发明提供的高精度宽频带宽量程电流-电压变换装置很好的解决了在宽频带和宽量程下的电流转换为4V交流电压的问题。高精度宽频电流变换器主要参数指标如表1所示。
表1电流比例标准参数及指标
本发明提供的一种高精度宽频带宽量程电流-电压变换器，包括电流输入档位切换继电器阵列、大电流双极电流互感器、二次电流选择继电器阵列、I/U变换器、档位切换控制器(单片机)。其中，大电流双极电流互感器包括：200AT双极电流互感器和20AT双极电流互感器两个部分。其中，I/U变换器包括：小电流双极电流互感器、电阻阵列、主回路有源补偿放大电路、检测回路有源补偿放大电路、加法运算放大器组成。
双级电流互感器的误差补偿校准方法将输出电流的宽频校准归结为Kt和Kf两个校准系数的校准，实现一个系数对全频带范围的校准。该校准既可采用硬件电路实施也可采用软件数字校准，本装置中采用软件数字校准方式。
该方法将双级电流互感器二次绕组的主回路电流和检测绕组的电流分别独立检测并转换成电压，再将放大变换的两路电压输入到加法运算放大器求和，完成了有源阻抗的矢量电压合成输出。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述装置包括电流输入档位切换继电器阵列、大电流双级电流互感器、二次电流选择继电器阵列、I/U变换器以及档位切换控制器，其中，
所述电流输入档位切换继电器阵列用于根据接收到的交流宽频电流的大小切换继电器阵列切换所述大电流双级电流互感器工作档位，所述交流宽频电流为5mA-100A；
所述大电流双级电流互感器用于将所述交流宽频电流转换为交流小电流并将所述交流小电流输出至所述二次电流选择继电器阵列，所述交流小电流为80mA或8mA；
所述二次电流选择继电器阵列用于根据所述大电流双级电流互感器输出的交流小电流切换所述I/U变换器工作档位；
所述I/U变换器用于将所述大电流双级电流互感器输出的交流小电流转为交流电压并将所述交流电压输出；
所述档位切换控制器用于根据所述交流宽频电流的电流等级和所述交流小电流的电流等级控制所述电流输入档位切换继电器阵列和所述二次电流选择继电器阵列。
2.根据权利要求1所述的高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述大电流双级电流互感器包括第一级互感器和第二级互感器，其中，所述第二级互感器将所述第一级互感器的励磁安匝作为第二级互感器的一次安匝，所述第二级互感器的二次安匝为励磁安匝为其中，为一次电流，N1为一次侧线圈匝数，为补偿电流，NB补偿线圈匝数，为二次侧总电流。
3.根据权利要求1所述的高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述I/U变换器包括小电流双级电流互感器、主回路电路、检测绕组回路电路以及加法运算放大器，其中，
所述小电流双级电流互感器用于将二次绕组的主回路电流和检测绕组回路电流分别输入至所述主回路电路和检测绕组回路电路；
所述主回路电路用于将所述主回路电流转换为主回路电压，并将所述主回路电压放大后输出至所述加法运算放大器；
所述检测绕组回路电路用于将所述检测绕组回路电流放大后转换为检测绕组回路电压，并将所述检测绕组回路电压放大后输出至所述加法运算放大器；
所述加法运算放大器用于将所述主回路电路和检测绕组回路电路分别输出的电压求电压矢量和，完成电流到电压的转换。
4.根据权利要求3所述的高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述主回路电路包括第一电阻阵列和主回路有源补偿放大电路，其中，
所述第一电阻阵列用于将所述主回路电流转换为所述主回路电压；
所述主回路有源补偿放大电路用于放大所述主回路电压。
5.根据权利要求4所述的高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述检测绕组回路电路包括电流有源补偿放大回路、第二电阻阵列以及检测回路有源补偿放大电路，其中，
所述电流有源补偿放大回路用于放大所述检测绕组回路电流；
所述第二电阻阵列用于将所述放大后的检测绕组回路电流转换为所述检测绕组回路电压；
所述检测回路有源补偿放大电路用于放大所述检测绕组回路电压。
6.根据权利要求5所述的高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述主回路有源补偿放大电路、电流有源补偿放大回路和检测回路有源补偿放大电路为反向放大器构成的有源补偿电路。
7.根据权利要求5所述的高精度宽频带宽量程电流-电压转换装置，其特征在于，所述主回路有源补偿放大电路、电流有源补偿放大回路和检测回路有源补偿放大电路为正向放大器构成的有源补偿电路。
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