CN111830864A - 一种用于线变关系识别终端的电流发生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于线变关系识别终端的电流发生电路。该电路包括电流注入控制电路、IGBT驱动电路、电源电路、过零检测电路。利用电容两端电压不能突变的原理，通过电源电路提供所需电源，IGBT电路实现PWM驱动及隔离功能，由电流注入控制电路将电流注入到电网环境中，并对电流信号实施控制。该电路支持长报文大数据量的连续传输，电路体积小成本低，实现原理简单，通过测试频率为500HZ时，可以支持3Kbit的数据一次性传输，且电路可以稳定运行。
Description
技术领域
本发明关于电力载波领域，特别是关于一种用于线变关系识别终端的电流发生电路。
背景技术
在电力载波领域，利用电流的流动具有方向性，可以用于检测用电设备的归属状态。在低压领域可以利用电流的特性进行户变关系识别、低压线路归属等，在配电领域可以利用电流特性进行10KV配电变压器的归属、10KV传输线路的分线。目前行业内采用的电流源一般是利用电阻产生特定频率的电流信号来进行信号传输，此种方式会因电阻功率问题而将设备的体积做的比较笨重，且自身发热量比较大、连续报文传输能力有限、传输距离受限，且在进行设计时需要考虑散热及寿命问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，该方法能够解决长距离电流信号传输衰减问题，解决常规电流注入技术所造成的发热问题、功耗问题、体积问题、传输距离问题，可以支持长报文大数据量的连续传输，通过测试频率为500HZ时，可以支持3Kbit的数据一次性传输，且电路可以稳定运行，无需考虑电路本身散热问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于工频通信技术的电流发生控制电路，包括电流注入控制电路、IGBT驱动电路、电源电路、过零检测电路，其特征在于，能够通过对电容两端的电压进行控制，从面产生特定强度及频率的电流信号，并注入到电网环境中。
所述电流注入控制电路以电容为电流源或负载，通过对电容两端压差及电容与电网的导通时间、PWM占空比、频率的控制，从而达到将电流信号注入到电网环境中的目的，并且实现电流信号在电网环境中的信息传输。
所述电流注入控制电路根据电容特性精准控制电容在电网上的投放时序，通过检测工频的过零点，开始对电容两端的电压进行有序控制。
电流注入控制电路通过整流桥DT1将交流信号进行整流，以IGBT VT15、VT16或其它功能相近的晶体管作为控制开关，对IGBT VT15、VT16或其它功能相近晶体管进行PWM控制，使容性负载E16两端电压产生突变，利用电容两端电压不通突变的原理，强行改变电容两端电压状态，产生电流注入到电网环境中。
通过调整PWM占空比的方式可以调节产生电流的大小，电流范围为1A～150A。
所述IGBT驱动电路围绕隔离光耦D3、D6进行驱动设计，PWM输入侧与信号输出侧隔离等级达到AC4KV，驱动输出电流可达3A。
所述IGBT驱动电路包含过流保护功能，通过检测IGBT VT15、VT16导通时的Vce电压，判断其是否饱和，从而判断是够出现过流，进而提供最后一级保护。
所述电流注入电路中包含均压电路，能够解决IGBT晶体管VT15、VT16在静态及动态时因电路特性造成的CE极电压不平均问题。
所述均压电路，包含电阻R11、R21、电容C11、C21、二极管VP4、VP5、VP6、VP7，栅极电阻R31。电阻R11是静态均压电阻，当IGBT关断时两端分得的电压主要由电阻决定，一般取IGBT晶体管VT15、VT16关断电阻的1/10。电阻R21为动态均压电阻，电容C21通过电阻R21放电，电阻值为电阻R11的1/100。电容C11是动态均压电容，当IGBT晶体管VT15、VT16开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C11应阻止电压瞬变，电容C11远大于电容C21。为了有足够的能量均压，电容C11取IGBT门极电容Cies的100倍，电容C21的值等于Cies。
所述过零检测电路通过电容C4与电容C11、C14串联进行分压，通过分压所得到的电压为电路提供偏置电源，控制信号是以电阻R3、R9串联取工频电压的频率，当工频电压进行周期性变化时IGBT VT2通过检测工频电压变化,会控制光耦O1进行快速的导通关断，通过测试过零电路所检测到的过零与实际工频过零偏差小于10uS。电路产生的过零信号通过TZA引脚直接与单片机的外部中断功能脚相连接，单片机通过检测TZA的过零信号，对电流注入电路进行相应控制。
本发明的有益效果：电路实现原理简单，且电容本身为无功器件，不存在有功功率耗散问题，在设备运行过程中电路本身散热问题可以忽略；注入的电流可控性强，电流信号传输距离可以通过调整电流的大小来实现远距离传输。
附图说明
图1为本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路的电路原理图。
图2为本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路的电源注入电路原理图。
图3为本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路的均压电路原理图。
图4为本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路的IGBT驱动电路原理图。
图5为本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路的电源电路原理图。
图6为本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路的过零检测电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明用于线变关系识别终端的电流发生电路包含电源注入电路、IGBT驱动电路、电源电路、过零检测电路。
如图2所示为电源注入电路原理图，整流桥DT1的2脚、3脚外接用电网的输入侧，2脚与容性负载E16相连接，3脚接至电网的任一相线上，1脚、4脚为整流桥DT1的输出部分，1脚输出的电压为正电平，4脚输出的为负电平。IGBT VT15的E级与IGBT VT16的C级相连接，IGBT VT15接整流桥DT1的1脚，IGBT VT16接整流桥DT1的4脚。IGBT VT15、VT16的B级，与“IGBT的驱动电路”的PWM输出信号相连接。
电流注入电路通过整流桥DT1将交流信号进行整流，开关控制器件用两个IGBTVT15、VT16串联，每个IGBT的CE间耐压等级为1200V，为满足EMC的雷击耐压要求，电路设计时电压按照2KV进行电路防护设计。根据电容特性精准控制电容在电网上的投放时序，通过检测工频的过零点，开始对电容两端的电压进行有序控制。在对VT15/VT16进行PWM控制时，电路中容性负载E16两端电压会产生突变，利用电容原理在电压突变时，相应在电网上会产生一定强度的电流。根据应用环境需要的电流大小，通过调整PWM占空比的方式控制电流注入的大小，可控注入电流的大小为1A～150A。
如图3所示为均压电路原理图，该电路包含电阻R11、R21、电容C11、C21、二极管VP4、VP5、VP6、VP7，栅极电阻R31。电阻R11是静态均压电阻，当IGBT关断时两端分得的电压主要由电阻决定，一般取IGBT晶体管VT15、VT16关断电阻的1/10。电阻R21为动态均压电阻，电容C21通过电阻R21放电，电阻值为电阻R11的1/100。电容C11是动态均压电容，当IGBT晶体管VT15、VT16开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C11应阻止电压瞬变，电容C11远大于电容C21。为了有足够的能量均压，电容C11取IGBT门极电容Cies的100倍，电容C21的值等于Cies。
如图4所示为IGBT驱动电路原理图，IGBT驱动电路围绕隔离光耦D3、D6进行驱动设计，PWM输入侧与信号输出侧隔离等级达到AC4KV，驱动输出电流可达3A。
单片机输出的PWM信号，同时与IGBT驱动电路中的电阻R101、R42相连，信号通过隔离光耦D3、D6的第6、7脚输入，经光耦内部电路进行电流放大，耦合至隔离光耦的第11脚经电阻R87、R88、R90输入到电流注入电路当中，电流注入电路会产生相应的动作来完成相应动作频率的电流注入。当进行电流注入过程中检测到通过IGBT VT15、VT16流过的电流过大时，IGBT_U_C/VCC_U_GND位置会检测到过流信号，过流信号经隔离光耦D3、D6的第14(DESAT)引脚耦合到隔离光耦的第3(FAULT)引脚，此引脚通过电阻与单片机相连接，当单片机检测到此脚出现电平变化时，程序会控制PWM输出的关断或打开。
IGBT驱动电路在设计时，计算了电流注入电路中IGBT VT15、VT16的最大允许电流及在开启瞬间因dt时间过短而产生的电流脉冲，根据IGBT VT15、VT16的设计需要预留出足够的消隐时间，即tBLANK＝CBLANK*VDESAT/ICHG。
IGBT驱动电路包含过流保护功能，通过检测IGBT VT15、VT16导通时的Vce电压，判断其是否饱和，从而判断是够出现过流，进而提供最后一级保护。
如图5所示为电源电路原理图，电源电路可以满足IGBT VT15、VT16开启瞬间所需要的大电流及电压要求。
如图6所示为过零检测电路原理图，过零检测电路通过电容C4与电容C11、C14串联进行分压，通过分压所得到的电压为电路提供偏置电源，控制信号是以电阻R3、R9串联取工频电压的频率，当工频电压进行周期性变化时IGBT VT2通过检测工频电压变化,会控制光耦O1进行快速的导通关断，通过测试过零电路所检测到的过零与实际工频过零偏差小于10uS。电路产生的过零信号通过TZA引脚直接与单片机的外部中断功能脚相连接，单片机通过检测TZA的过零信号，对电流注入电路进行相应控制。
用于线变关系识别终端的电流发生电路的应用方法如下所示：
1、电源电路产生两路隔离的电源-8V、+16V，分别对IGBT驱动中的两路隔离光耦D3、D6进行供电。
2、IGBT驱动电路PWM信号为单片机的数据传输信号，此信号直接与单片机的输出引脚相连接。FAULT_U为IGBT驱动电路的过流防护信号，此信号是由隔离光耦D3输出通过限流电阻R93、R74直接连接单片机的输入引脚，单片机通过对此信号的检测，实时对PWM信号进行通断处理。
3、过零检测电路，电源线IN1、IN2与工频电网直接相连接，通过电路原理，TZA产生精准的过零下降沿，单片机通过检测TZA信号可以实现对电网工频时序状态的实时监控，利用TZA信号精准的控制电流对电网电流注入的时序。
4、电流注入电路中的IGBT_U_G与IGBT_D_G为IGBT VT15、VT16的控制信号，分别与隔离光耦D3、D6的输出引脚相连接，IGBT VT15、VT16根据驱动电路的信号状态，对电容负载进行特定频率的投切动作，实现对电网特征电流信号的注入。
5、系统设计控制流程：
1)系统通过采样电路计算出线路中工频等效电阻，根据产品需要通过调整PWM占空比的方式设定好需要向线路中注入电流的大小。
2)单片机根据过零检测电路可以实时检测工频电压的过零状态，为保证电路的稳定运行特征电流的注入需要从过零时刻开始。
3)在进行电流注入时，特征电流的注入频率控制在100Hz～10kHz范围之内。PWM的占空比可以根据对电流的要求程序实时调整或定值设定。
4)适合的电压应用范围：AC110V～AC380V。
5)电网上电流的动态效果：如图5所示。
Claims (10)
1.一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，包括电流注入控制电路、IGBT驱动电路、电源电路、过零检测电路，能够通过对电容两端的电压进行控制，从面产生特定强度及频率的电流信号，并注入到电网环境中。
2.根据权利要求1所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，所述电流注入控制电路以电容为电流源或负载，通过对电容两端压差及电容与电网的导通时间、PWM占空比、频率的控制，从而达到将电流信号注入到电网环境中的目的，并且实现电流信号在电网环境中的信息传输。
3.根据权利要求2所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，所述电流注入控制电路根据电容特性精准控制电容在电网上的投放时序，通过检测工频的过零点，开始对电容两端的电压进行有序控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，电流注入控制电路以IGBTVT15、VT16或其它功能相近的晶体管作为控制开关，对IGBT VT15、VT16或其它功能相近晶体管进行PWM控制，使E16两端电压产生突变，利用电容两端电压不通突变的原理，强行改变电容两端电压状态，产生特定强度的电流注入到电网环境中。
5.根据权利要求4所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，通过调整PWM占空比的方式可以调节产生电流的大小，电流范围为1A～150A。
6.根据权利要求1所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，所述IGBT驱动电路围绕隔离光耦D3、D6进行驱动设计，PWM输入侧与信号输出侧隔离等级达到AC4KV，驱动输出电流可达3A。
7.根据权利要求6所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，所述IGBT驱动电路包含过流保护功能，通过检测IGBT VT15、VT16导通时的Vce电压，判断其是否饱和，从而判断是够出现过流，进而提供最后一级保护。
8.根据权利要求1所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，所述电流注入电路中包含均压电路，能够解决IGBT晶体管VT15、VT16在静态及动态时因电路特性造成的CE极电压不平均问题。
9.根据权利要求8所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，所述均压电路，包含电阻R11、R21、电容C11、C21、二极管VP4、VP5、VP6、VP7，栅极电阻R31，电阻R11是静态均压电阻，当IGBT关断时两端分得的电压主要由电阻决定，一般取IGBT晶体管VT15、VT16关断电阻的1/10，电阻R21为动态均压电阻，电容C21通过电阻R21放电，电阻值为电阻R11的1/100，电容C11是动态均压电容，当IGBT晶体管VT15、VT16开通和关断瞬间两端电压值突变时，电容C11应阻止电压瞬变，电容C11远大于电容C21，为了有足够的能量均压，电容C11取IGBT门极电容Cies的100倍，电容C21的值等于Cies。
10.根据权利要求1所述的一种用于线变关系识别终端的电流发生电路，其特征在于，过零检测电路通过电容C4与电容C11、C14串联进行分压，通过分压所得到的电压为电路提供偏置电源，控制信号是以电阻R3、R9串联取工频电压的频率，当工频电压进行周期性变化时IGBT VT2通过检测工频电压变化,会控制光耦O1进行快速的导通关断，通过测试过零电路所检测到的过零与实际工频过零偏差小于10uS，电路产生的过零信号通过TZA引脚直接与单片机的外部中断功能脚相连接，单片机通过检测TZA的过零信号，对电流注入电路进行相应控制。
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| 程祥;曾林锁;潘晓东;张宇科;: "一种实用中压10kV TSC触发控制电路设计", 电力电容器与无功补偿, no. 02 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111830864B (zh) | 2024-01-23 |
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