CN113252959B - 多变比交流电压分压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多变比交流电压分压器，该分压器包括：高压臂阻抗、运算放大器、低压臂阻抗、继电器，其中，高压臂阻抗的第一端连接输入电压，高压臂阻抗的第二端连接运算放大器反相输入端，运算放大器同相输入端接地；低压臂阻抗的第一端与切换装置的第一端串联，低压臂阻抗的第二端与运算放大器反相输入端连接；切换装置的第二端与运算放大器输出连接；第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处。本发明可以对分压器分压比进行切换，避免了采用切换装置带来的接触阻抗影响。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种多变比交流电压分压器。
背景技术
交流分压器是高电压测量较为常用的一种测量装置。常用的结构是多个阻抗元件串联，在低端阻抗输出电压。然而当输出二次连接负载时，由于负载的等效输入阻抗，会给分压器引起输出误差。为了获得更好的负载特性，常采用有源方式，最常用的是在串联结构的输出侧连接一个电压跟随器，起到阻抗变换的作用。同时，分压器一般具备多变比，通过切换低压侧不同的阻抗值，可以得到不同的分压比。在有源分压器的结构中，为了获得多变比，常采用继电器进行不同阻抗的切换，然而，由于继电器触点存在接触阻抗，在进行切换时，常会引起分压比的变化，对于采用电容器进行分压的原理中，接触阻抗还会引起二次输出的相位误差。
图1为现有技术中采用电压跟随器的分压器示意图，其中ZH是高压臂阻抗，ZL是低压臂阻抗，Zr是继电器的等效阻抗。则在不考虑继电器时，图1分压器的分压比K的为：
当使用继电器切换时，则：
与公式(1)相比，基本误差ε是：
如低压臂使用的是电容器，设其电容量为CL，Zr为纯阻性，阻值为R，则引起的相位附加误差α为
α≈-RωC (4)
但是图1中，由于继电器等效阻抗的存在，引起的分压器分压比的变化以及相位的偏移，且当继电器接触阻抗发生变化时，该影响量也随之变化。
现实中，对于在单频率下使用的分压器，会采用阻容移相网络，对于接触阻抗引入的相位偏移进行补偿，但是随着继电器使用次数的增加，接触阻抗也会发生变化，相应的补偿量也应调整。因此，采用继电器对分压器分压比进行切换，虽然具有结构简单，使用方便的特点，但其接触阻抗对分压比带来的影响处理起来是十分困难的。本专利提出了一种基于电流电压变换原理的有源分压器，并采用中间节点提取输出信号的方法，有效避免了采用切换装置如继电器，而带来的接触阻抗影响。
发明内容
本发明实施例提出一种多变比交流电压分压器，用以对分压器分压比进行切换，避免了采用切换装置带来的接触阻抗影响，该分压器包括：
高压臂阻抗、运算放大器、低压臂阻抗、切换装置和第一电压跟随器，其中，
高压臂阻抗的第一端连接输入电压，高压臂阻抗的第二端连接运算放大器反相输入端，运算放大器同相输入端接地；
低压臂阻抗的第一端与切换装置的第一端串联，低压臂阻抗的第二端与运算放大器反相输入端连接；切换装置的第二端与运算放大器输出连接；
第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处。
在本发明实施例中，第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，即采用中间节点提取输出电压的方法，输出电压与输入电压的比例仅与高压臂和低压臂阻抗的阻值有关，有效避免了采用切换装置而带来的接触阻抗影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术中采用第一电压跟随器的分压器的电路图；
图2为本发明实施例中多变比交流电压分压器的电路图；
图3为本发明实施例中两个电压跟随器结构的多变比分压器的原理图；
图4为本发明实施例中使用差分运算放大器的多变比分压器的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
图2为本发明实施例中多变比交流电压分压器的示意图，如图2所示，包括：
高压臂阻抗、运算放大器、低压臂阻抗、切换装置和第一电压跟随器，其中，
高压臂阻抗的第一端连接输入电压，高压臂阻抗的第二端连接运算放大器反相输入端，运算放大器同相输入端接地；
低压臂阻抗的第一端与切换装置的第一端串联，低压臂阻抗的第二端与运算放大器反相输入端连接；切换装置的第二端与运算放大器输出连接；
第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处。
在一实施例中，低压臂阻抗为多个，多个低压臂阻抗并联且阻抗值不同；切换装置为多个，多个切换装置并联，切换装置的数量与低压臂阻抗的数量相同；
一个低压臂阻抗的第一端分别与一个切换装置的第一端串联。
例如，在图2中，展示了3个低压臂阻抗和3个切换装置的示意图，一个低压臂阻抗与一个切换装置为一个支路，因此，还可以有更多的支路。每次切换时，除了要控制切换装置的开关，还需要在待切换的支路上第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处。
在一实施例中，第一电压跟随器的输入端靠近低压臂阻抗。越靠近低压臂阻抗，由于导线电阻和切换装置造成的输出误差越小，结果越准确。
在图2中，Zr是继电器的等效阻抗，在一实施例中，多变比交流电压分压器的输入电压为：
其中，U2为输出电压；U1为输入电压；ZL为低压臂阻抗；ZH为高压臂阻抗。
上述公式的推导如下：
根据运算放大器“虚短”的原则，图2中O点的电位为0，则在U1的作用下，流过高压臂阻抗的电流为I1，则
设图2中最上面支路的低压臂阻抗ZL接入回路，则根据运算放大器“虚断”原则，有：
而此时，I2流经ZL后产生的压降即为公式(5)表示的压降。
此时，忽略跟随器输出误差，则可以发现，在这个电路结构中，无论支路中切换装置的接触阻抗如何，均不会影响到ZL两端的电压，而流经ZL的电流同样不会受到切换装置的影响，因为其大小仅与一次电流相关，输出电压与输入电压的比例仅与高压臂和低压臂阻抗的阻值有关。
同样的，将图2中中间支路接入时，将第一电压跟随器的输入连接至低压臂阻抗与切换装置连接点处。
在一实施例中，输出电压与输入电压相位相差180°。
在一实施例中，高压臂阻抗采用电容器代替；和/或低压臂阻抗采用电容器代替。此时，同样不会影响到中间节点输出后的相位误差。
在一实施例中，所述切换装置为继电器。当然可以理解的是，也可以为其他类型的切换装置，相关变化例均应落入本发明的保护范围。
在一实施例中，还包括第二电压跟随器，第二电压跟随器的输入端与高压臂阻抗的第二端连接；
第一电压跟随器的输出端电压与第二电压跟随器的输出端电压的差值为多变比交流电压分压器的输出电压。
图3为本发明实施例中两个电压跟随器结构的多变比分压器的电路图，此种电路的优点是，可以测量得到低压臂两端电压，避免O点存在偏置电压带来的输出误差。
在一实施例中，将第一电压跟随器替换为差分运算放大器；
差分运算放大器反相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器同相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，差分运算放大器的输出端电压为多变比交流电压分压器的输出电压；
或差分运算放大器同相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器反相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，差分运算放大器的输出端电压为多变比交流电压分压器的输出电压。
在一实施例中，在差分运算放大器反相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器同相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处时，输出电压与输入电压相位相差180°；
在差分运算放大器同相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器反相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处时，输出电压与输入电压同相。
图4为本发明实施例中使用差分运算放大器的多变比分压器的电路图，同样能达到分压的目的，且输出电压不受继电器触点接触电阻影响，具有较好的稳定性。
综上所述，在本发明实施例提出的分压器中，第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，即采用中间节点提取输出电压的方法，输出电压与输入电压的比例仅与高压臂和低压臂阻抗的阻值有关，有效避免了采用切换装置而带来的接触阻抗影响。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多变比交流电压分压器，其特征在于，包括：高压臂阻抗、运算放大器、低压臂阻抗、切换装置和第一电压跟随器，其中，
高压臂阻抗的第一端连接输入电压，高压臂阻抗的第二端连接运算放大器反相输入端，运算放大器同相输入端接地；
低压臂阻抗的第一端与切换装置的第一端串联，低压臂阻抗的第二端与运算放大器反相输入端连接；切换装置的第二端与运算放大器输出连接；
第一电压跟随器的输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，第一电压跟随器的输出端电压为多变比交流电压分压器的输出电压；
还包括第二电压跟随器，第二电压跟随器的输入端与高压臂阻抗的第二端连接；
第一电压跟随器的输出端电压与第二电压跟随器的输出端电压的差值为多变比交流电压分压器的输出电压；
低压臂阻抗为多个，多个低压臂阻抗并联且阻抗值不同；切换装置为多个，多个切换装置并联，切换装置的数量与低压臂阻抗的数量相同；
一个低压臂阻抗的第一端分别与一个切换装置的第一端串联；
第一电压跟随器的输入端靠近低压臂阻抗；
多变比交流电压分压器的输入电压为：
其中，U2为输出电压；U1为输入电压；ZL为低压臂阻抗；ZH为高压臂阻抗；
输出电压与输入电压相位相差180°。
2.如权利要求1所述的多变比交流电压分压器，其特征在于，将第一电压跟随器替换为差分运算放大器；
差分运算放大器反相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器同相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，差分运算放大器的输出端电压为多变比交流电压分压器的输出电压；
或差分运算放大器同相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器反相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处，差分运算放大器的输出端电压为多变比交流电压分压器的输出电压。
3.如权利要求2所述的多变比交流电压分压器，其特征在于，在差分运算放大器反相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器同相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处时，输出电压与输入电压相位相差180°；
在差分运算放大器同相输入端与低压臂阻抗的第二端连接，差分运算放大器反相输入端连接至低压臂阻抗与切换装置的连接点处时，输出电压与输入电压同相。
4.如权利要求1所述的多变比交流电压分压器，其特征在于，高压臂阻抗采用电容器代替；和/或低压臂阻抗采用电容器代替。
5.如权利要求1所述的多变比交流电压分压器，其特征在于，所述切换装置为继电器。
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