CN111781420A - 一种直流塑壳断路器电量采集模块 - Google Patents

一种直流塑壳断路器电量采集模块 Download PDF

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祝聪
王梓藤
夏加富
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Abstract

本发明公开了一种直流塑壳断路器电量采集模块，包括用于与母排连接的分流器和与分流器连接的第一光耦合隔离放大器，所述的第一光耦合隔离放大器用于采集分流器的电压信号，通过信号调理单元连接处理器，所述的处理器上连接有隔离CAN收发器，所述的信号调理单元上还连接有第二光耦合隔离放大器，所述的第二光耦合隔离放大器上引出有用于连接正负母排的电阻分压器；本发明采用光耦合隔离式放大器进行基于分流的电流感应，进行直流塑壳断路器电流的采集，采用光耦合隔离式放大器进行基于电阻分压器，进行直流塑壳断路器母线电压的采集，采用自定义CAN通信协议进行信息传输模式的设置，对外提供直流塑壳断路器母线电压、电流和功率信息。

Description

一种直流塑壳断路器电量采集模块
技术领域
本发明属于低压直流开关电器领域，涉及直流塑壳断路器电量信息采集与能量监测技术，具体涉及一种直流塑壳断路器电量采集模块。
背景技术
直流电力系统是我国舰船综合电力系统的发展方向，直流塑壳断路器是直流电力系统重要的区域配电设备。为做好全船的能量管理，作为全船区域配电设备的末梢，直流塑壳断路器需要精确采集断路器母排电压、电流、功率等参数，并向电力监控系统传输以上信息。
直流塑壳断路器体积小，电量采集模块需嵌入直流塑壳断路器本体。
电量采集模块需做好与主回路、电力监控系统的隔离，保证电量采集模块的安全可靠工作。
发明内容
本发明的目的是设计一种直流塑壳断路器电量采集模块，以实现直流塑壳断路器母排电压、电流和功率信息的实时采集。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流塑壳断路器电量采集模块，包括分流器和与分流器连接的第一光耦合隔离放大器，所述的第一光耦合隔离放大器用于采集分流器的电压信号，通过信号调理单元连接处理器，所述的处理器上连接有隔离CAN收发器，所述的信号调理单元上还连接有第二光耦合隔离放大器，所述的第二光耦合隔离放大器上引出有两个电阻分压器，用于分别连接断路器母排。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其第一光耦合隔离放大器的高压侧与分流器之间连接有由电阻R3、电阻R6和电容C2组成的抗混叠滤波器，用于对分流器的电压信号进行滤波。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其信号调理单元包括第一运算放大器、连接在第一光耦合隔离放大器输出正极及第一运算放大器的同相输入端之间的电阻R4和连接在第一光耦合隔离放大器输出负极及第一运算放大器的反相输入端之间的电阻R5，还包括连接在电阻R4与第一运算放大器之间的加法电路和连接在电阻R5与运算放大器之间的反馈电路。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其加法电路由电阻R1、电阻 R2和电容C1组成，进行电流采集的电平移位VREF，信号调理单元输出电压Vout＝I ×R分流器+VREF，其中I为流经分流器的电流，R分流器为分流器的电阻。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其反馈电路由电容C3、电阻 R7和电阻R8组成，其值与电容C1、电阻R1和电阻R2完全匹配。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其第二光耦合隔离放大器通过第二运算放大器连接电阻分压器，连接正极母排的电阻分压器由电阻R10、输入电阻R11、输入电阻R12和输入电阻R13串联而成并连接第二运算放大器的同相输入端，连接负极母排的电阻分压器由电阻R15、输入电阻R16、输入电阻R17 和输入电阻R18串联而成并连接第二运算放大器的反相输入端。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其信号调理单元还包括与第二光耦合隔离放大器连接的第三运算放大器，第二光耦合隔离放大器的输出正极和输出负极分别通过电阻R19和电阻R20连接第三运算放大器的同相输入端和反相输入端，第三运算放大器的反相输入端还连接有电阻R22，电阻R22的另一端与第三运算放大器的输出引脚连接。
所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其电阻R10～R13与电阻 R15～R18阻值完全相同，第二运算放大器的同相输入端和反相输入端还分别连接有阻值相同的电阻R9和电阻R21，所述电阻R9的另一端连接至VREF，所述电阻R21的另一端与第二运算放大器的输出引脚一起连接电阻R14后与第二光耦合隔离放大器连接。
本发明的有益效果是：
本发明采用第一光耦合隔离放大器进行基于分流的电流感应，进行直流塑壳断路器电流的采集，分流器不受断路器磁场的影响，可实现电流的低失调电压、低噪声、低温漂、高可靠性、高线性度的转换。本发明采用第二光耦合隔离放大器进行基于电阻分压器的电压感应，进行直流塑壳断路器母排电压的采集。由于光耦合隔离式放大器具有更低的信号传输延迟、更高的共模抑制比、更高的可靠性和更高的隔离电压等级，能在保证电流采集精度的同时，实现电量采集模块与主回路之间高隔离电压等级，保证电量采集模块的电气安全。
本发明采用自定义CAN通信协议进行信息传输模式的设置，对外提供直流塑壳断路器电压、电流和功率信息，便于电力监控系统通过通信更改本发明采集模块的传输模式，以减轻电力监控系统的资源负担。
电力监控系统可通过CAN通信设置电量采集模块传输模式，自由配置电量采集模块传输速率和设备地址，方便电力监控系统进行资源调度，电力监控系统依据直流塑壳断路器电量附件提供的信息，可实时分配全船电能，做好全船的能量管理。
附图说明
图1为应用本发明采集模块的直流塑壳断路器外部结构图；
图2为直流塑壳断路器的内部结构示意图；
图3为本发明采集模块的功能结构图；
图4为本发明第一光耦合隔离放大器进行基于分流的电流感应的电流采集原理图；
图5为本发明第二光耦合隔离放大器进行基于电阻分压器的直流塑壳断路器母排电压采集原理图。
各附图标记为：11—处理器，12—分流器，13—信号调理单元，14—第一光耦合隔离放大器，15—第二光耦合隔离放大器，16—隔离CAN收发器，17 —电阻分压器，21—第一运算放大器，22—第二运算放大器，23—第三运算放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实例所提供的一种直流塑壳断路器电量采集模块，包括用于串联在正极母排上的分流器12和与分流器12连接的第一光耦合隔离放大器14，所述的第一光耦合隔离放大器14通过信号调理单元13连接处理器11，所述的处理器11上连接有隔离CAN收发器16，所述的信号调理单元13上还连接有第二光耦合隔离放大器15，所述的第二光耦合隔离放大器15上引出有用于连接正负母排的电阻分压器17。
使用时如图1、图2所示，电量采集模块与分流器12安装于直流塑壳断路器内部，直流塑壳断路器采用内置分流器12采集断路器电流，通过分流器12 将母排上的大电流转换为毫伏级的电压，分流器12作为直流塑壳断路器铜排的延伸，安装在断路器底部，分流器12的输出线缆和母排电压引出线缆直接连接至电量采集模块，该方式有效缩短线缆长度，减小了线缆的天线效应，提高了电量采集模块的抗干扰能力。
如图3所示，直流塑壳断路器母排的电流信号和母排电压信号经过第一光耦合隔离放大器14和第二光耦合隔离放大器15的隔离后，经由信号调理单元13输入至处理器11进行模数转换，处理器11计算出直流塑壳断路器母排的电压和电流，计算出母排的电压、电流和功率，进行CAN通信协议解析并通过隔离CAN收发器16发送电量信息，经由CAN总线与电力监控系统通信，并接收电力监控系统数据，并实现了和电力监控系统的隔离。
分流器12的输出接入第一光耦合隔离放大器14的输入电路，第一光耦合隔离放大器14采集分流器12两端的电压，抑制分流器12的共模电压，获得直流塑壳断路器的电流信号。第二光耦合隔离放大器15采用基于运算放大器的仪表放大器，配合部署差分增益模块，设计有两个相同的电阻分压器17，用于隔离传送电阻分压器17输出，获取安全的直流塑壳断路器母排电压信号。
电力监控系统通过CAN通信设置直流塑壳断路器电量采集模块的采集模式，通过CAN通信协议向电力监控系统传输直流塑壳断路器电量信息，设置电量采集模块传输间隔，设备地址、单次发送和自动发送模式。电量采集模块设计非易失性存储器存储电量采集模块传输模式数据，电量采集模块通过CAN总线向电力监控系统传输直流塑壳断路器母排电压、电流和功率信息。
电力监控系统可通过通信更改直流塑壳断路器电量采集模块的传输模式，以减轻电力监控系统的资源负担，电力监控系统可通过CAN通信设置电量采集模块传输模式，自由配置电量采集模块传输速率和设备地址，方便电力监控系统进行资源调度，电力监控系统依据直流塑壳断路器电量附件提供的信息，可实时分配全船电能，做好全船的能量管理。
第一光耦合隔离放大器14用于采集分流器12的电压信号；电阻R3、电阻R6和电容C2组成抗混叠滤波器对分流器12的电压信号进行滤波，差分形式输入至第一光耦合隔离放大器14的高压侧，第一光耦合隔离放大器14的低压侧输出线性的差分电压，输入至由运算放大器和加法电路组成的信号调理单元13实现电流的采集。
如图4所示，第一光耦合隔离放大器14输出信号是差分电压，信号调理单元13中的电阻R4连接至第一光耦合隔离放大器14的输出正极，电阻R5 连接第一光耦合隔离放大器14的输出负极。电阻R4和电阻R5以差分形式分别将信号输入至第一运算放大器21的同相输入端和反相输入端，消除第一光耦合隔离放大器14输出电压中的共模分量。电阻R1、电阻R2和电容C1连接至VREF，另一端也输入至第一运算放大器21的同相输入端，组成加法电路，加法电路进行电流采集的电平移位VREF。信号调理单元13输出电压Vout＝I×R分流器+VREF，其中I为流经分流器12的电流，R分流器为分流器12的电阻，该移位电平VREF保证了输出电压Vout始终不会出现负电压，保证了输入至处理器11电压信号的完整性，藉此完成电流信号采集。电容C3、电阻R7和电阻R8作为第一运算放大器21反相输入端的反馈电路，其值与电容C1、电阻R1和R2完全匹配，而且反馈电路的另一端与第一运算放大器21的输出引脚连接，保证了第一运算放大器21同相输入端和反相输入端的平衡。
第二光耦合隔离放大器15采用基于运算放大器的仪表放大器采集母排电压，并对输入进行信号隔离，第二运算放大器22的同相、反相输入端串联平衡电阻分压，可降低第二运算放大器22的输入电流，抑制母排共模电压，保证第二运算放大器22的电气安全，实现精确采集母排电压。在该配置中，增益精度和共模抑制取决于同相输入电阻、反相输入电阻和反馈电路的平衡匹配。
如图5所示，采用多电阻串联组成的两个电阻分压器17，可以有效提高同相输入端和反相输入端的电阻匹配和平衡，提高母排电压采集精度。仪表放大器的输出以差分形式输入至第二光耦合隔离放大器15的高压侧来实现隔离，并通过第二运算放大器22转换为单端输出，获得需要的母排电压信号。
同相输入电阻R10、输入电阻R11、输入电阻R12和输入电阻R13串联而成的电阻分压器17连接第二运算放大器22的同相输入端，反向输入电阻R15、输入电阻R16、输入电阻R17和输入电阻R18连接第二运算放大器22的反相输入端，而且电阻R10～R13与电阻R15～R18阻值完全相同，第二运算放大器22 的同相输入端和反相输入端还分别连接有阻值相同的电阻R9与电阻R21，其中电阻R9的另一端连接至VREF，电阻R21的另一端与第二运算放大器22的输出引脚一起连接电阻R14后与第二光耦合隔离放大器15连接，可以有效提高同相输入端和反相输入端的电阻匹配和平衡，提高母排电压采集精度，以上元器件组成了基于第二运算放大器22的仪表放大器。
仪表放大器输出电压
Figure RE-GDA0002636956040000071
仪表放大器的输出以差分形式输入至第二光耦合隔离放大器15的高压侧来实现隔离，消除其一阶共模误差，通过第二运算放大器22转换为单端输出，获得需要的母排电压信号。
第二光耦合隔离放大器15输出电压同样为差分信号，其输出正极和输出负极分别连接至电阻R19和电阻R20，并输入至第三运算放大器23的同相输入端和反相输入端，电阻R22作为反馈电路连接至第三运算放大器23的反相输入端和输出引脚之间。电阻R19、电阻R20和电阻R22和第三运算放大器23组成差分放大器，将第二光耦合隔离放大器15的差分输出电压转换为单端信号，输出至处理器11，获得需要的母排电压信号。
本发明采用第一光耦合隔离放大器14进行基于分流的电流感应，进行直流塑壳断路器电流的采集，分流器12不受断路器磁场的影响，可实现电流的低失调电压、低噪声、低温漂、高可靠性、高线性度的转换；采用第二光耦合隔离放大器15进行基于电阻分压器17的电压感应，进行直流塑壳断路器母排电压的采集；采用自定义CAN通信协议进行信息传输模式的设置，对外提供直流塑壳断路器电压、电流和功率信息。由于光耦合隔离式放大器具有更低的信号传输延迟、更高的共模抑制比、更高的可靠性和更高的隔离电压等级，能在保证电流采集精度的同时，实现电量采集模块与主回路之间高隔离电压等级，保证电量采集模块的电气安全。光耦合隔离式放大器可进行差模电压低传播延迟、高共模抗扰度、高隔离电压等级的信号隔离与放大，隔离直流塑壳断路器母排和电量采集模块内部电路，保护电量采集模块电气安全。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于：包括分流器（12）和与分流器（12）连接的第一光耦合隔离放大器（14），所述的第一光耦合隔离放大器（14）用于采集分流器（12）的电压信号，通过信号调理单元（13）连接处理器（11），所述的处理器（11）上连接有隔离CAN收发器（16），所述的信号调理单元（13）上还连接有第二光耦合隔离放大器（15），所述的第二光耦合隔离放大器（15）上引出有两个电阻分压器（17），用于分别连接断路器母排。
2.根据权利要求1所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述第一光耦合隔离放大器（14）的高压侧与分流器（12）之间连接有由电阻R3、电阻R6和电容C2组成的抗混叠滤波器，用于对分流器（12）的电压信号进行滤波。
3.根据权利要求2所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述的信号调理单元（13）包括第一运算放大器（21）、连接在第一光耦合隔离放大器（14）输出正极及第一运算放大器（21）的同相输入端之间的电阻R4和连接在第一光耦合隔离放大器（14）输出负极及第一运算放大器（21）的反相输入端之间的电阻R5，还包括连接在电阻R4与第一运算放大器（21）之间的加法电路和连接在电阻R5与运算放大器之间的反馈电路。
4.根据权利要求3所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述的加法电路由电阻R1、电阻R2和电容C1组成，进行电流采集的电平移位VREF，信号调理单元（13）输出电压Vout=I×R分流器+VREF ，其中I为流经分流器（12）的电流，R分流器为分流器（12）的电阻。
5.根据权利要求4所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述的反馈电路由电容C3、电阻R7和电阻R8组成，其值与电容C1、电阻R1和电阻R2完全匹配。
6.根据权利要求3或4或5所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述的第二光耦合隔离放大器（15）通过第二运算放大器（22）连接电阻分压器（17），连接正极母排的电阻分压器（17）由电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13串联而成并连接第二运算放大器（22）的同相输入端，连接负极母排的电阻分压器（17）由电阻R15、电阻R16、电阻R17和电阻R18串联而成并连接第二运算放大器（22）的反相输入端。
7.根据权利要求6所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述的信号调理单元（13）还包括与第二光耦合隔离放大器（15）连接的第三运算放大器（23），所述第二光耦合隔离放大器（15）的输出正极和输出负极分别通过电阻R19和电阻R20连接第三运算放大器（23）的同相输入端和反相输入端，第三运算放大器（23）的反相输入端还连接有电阻R22，电阻R22的另一端与第三运算放大器（23）的输出引脚连接。
8.根据权利要求6所述的一种直流塑壳断路器电量采集模块，其特征在于，所述的电阻R10～R13与电阻R15～R18的阻值完全相同，第二运算放大器（22）的同相输入端和反相输入端还分别连接有阻值相同的电阻R9和电阻R21，所述电阻R21的另一端与第二运算放大器（22）的输出引脚一起连接电阻R14后与第二光耦合隔离放大器（15）连接。
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