CN113589020A - 高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置及测量方法 - Google Patents

高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，采集发射器与接收处理器通过高速集成光纤相连，采集发射器基于曼彻斯特进行信号编码，接收处理器基于曼彻斯特进行解码；采集发射器可根据实际需求选配数量，每个采集发射器均带有电池，电池供电实现各电压采集AD模块的隔离运行；接收处理器采用FPGA芯片实现多路信号同时采集，减少电路的复杂性；本发明的均压测量方法中采用基于FPGA的曼彻斯特编码与解码技术，减少传输所需要的光纤数量，多路分别实现了单根光纤串行信号高速传输，线路简单，抗干扰力强，传输距离远，方便排查、检修。

Description

高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，还涉及一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法。
背景技术
变频驱动设备广泛应用于各种工程机械设备控制领域，可以提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，节能减排，延长设备使用寿命，简化系统，方便操作和控制，甚至可改变原有工艺，提高整个产品性能。
由于每个功率开关的触发能力不同，即使同一厂家的同一型号，开关时间或者性能也是有差异的，这些原因造成在开关过程中必然会出现开关速度不一致，这种串联运行时候的均压问题是必须要予以检测和控制的，在研发串联高压变频器的过程中，需要测量每只功率元件的两端电压，用于判断均压电路工作效果，因为开关数量众多，目前传统方法是采用示波器高压差分探头测量，需要购置大量探头，高压探头成本较高，连接复杂，而且对于10kV以上系统电压，适用的高压示波器电压探头较难得到。
发明内容
本发明的目的是提供一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，解决了采用示波器高压差分探头测量时，需要购置大量探头且连接关系复杂的技术问题。
本发明的目的是提供一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法。
本发明所采用的技术方案是，一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，包括多个基于曼彻斯特编码技术编码的采集发射器，多个采集发射器通过多个集成光纤连接一个基于曼彻斯特解码技术解码的接收处理器。
本发明的特点还在于：
每个基于曼彻斯特编码技术编码的采集发射器包括编码单元，编码单元连接发射接口，还包括电池，电池分别连接编码单元、发射接口，发射接口连接集成光纤。
每个编码单元包括用于采集电压信号的运算放大器，每个运算放大器依次连接AD模数转换器、编码FPGA芯片，电池分别连接运算放大器、AD模数转换器、编码FPGA芯片，编码FPGA芯片连接发射接口。
发射接口为光纤发射头。
基于曼彻斯特解码技术解码的接收处理器包括多个连接集成光纤的接收接口，多个接收接口连接解码FPGA芯片，解码FPGA芯片连接输出接口，还包括外接电源，外接电源分别连接接收接口、解码FPGA芯片、输出接口。
输出接口包括多个DA模数转换器，每个DA模数转换器均连接解码FPGA芯片。
解码FPGA芯片连接存储接口。
解码FPGA芯片连接显示单元，显示单元连接外接电源。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采集n个高隔离耐压串联电路功率器件两侧电压信号，分别将n个电压信号进行差分运算、模数转换，得到n个时钟信号对应的电压数字量信号；
步骤2、分别将每个时钟信号对应的电压数字量信号进行曼彻斯特编码调制，得到单一的串行数字信号，将单一的串行数字信号传输至集成光纤进行传输；
步骤3、通过一个接收处理器接收集成光纤中的n个单一的串行数字信号，分别将单一的串行数字信号进行曼彻斯特解码，得到n个数据流，分别将n个数据流进行数模转换，得到n个高隔离耐压串联电路功率器件的电压。
还包括步骤4、通过示波器显示高隔离耐压串联电路功率器件的电压模拟量信号数值。
本发明的有益效果是：
本发明高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，采集发射器与接收处理器通过高速集成光纤相连，采集发射器基于曼彻斯特进行信号编码，接收处理器基于曼彻斯特进行解码，接收处理器采用FPGA芯片解码实现多路信号同时采集，减少电路的复杂性，采集发射器可根据实际需求选配数量，每个采集发射器均带有电池，电池供电实现各电压采集AD模块的隔离运行。
本发明的高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法中，采用基于FPGA的曼彻斯特编码与解码技术，减少传输所需要的光纤数量，多路分别实现了单根光纤串行信号高速传输，线路简单，抗干扰力强，传输距离远，方便排查、检修；每个采集发射器用电池独立供电，实现高电压隔离，10kV系统电压等级下替代高压差分探头，解决高隔离耐压问题，同时比高压差分探头更具拓展性，配置灵活性高，充分节约检测成本，并有效提升了维护便捷性、组装灵活性。
附图说明
图1是本发明高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置结构示意图；
图2是本发明的采集发射器结构示意图；
图3是本发明的接收处理器结构示意图。
图中，1.采集发射器，1-1.编码单元，1-1-1.运算放大器，1-1-2.AD模数转换器，1-1-3.编码FPGA芯片，1-2.电池，1-3.发射接口，1-3-1.光纤发射头，2.接收处理器，2-1.接收接口，2-2.显示单元，2-3.解码FPGA芯片，2-4.外接电源，2-5.输出接口，2-5-1.DA模数转换器，2-6.存储接口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，如图1所示，包括多个采集发射器1，多个采集发射器1通过集成光纤连接接收处理器2，采集发射器1是基于曼彻斯特编码技术进行信号编码，接收处理器2是基于曼彻斯特编码技术进行信号解码，采集发射器可根据实际需求选配数量，最多配置32只，接收处理器采用曼彻斯特解码技术能够实现多路信号同时采集，减少电路的复杂性；采用基于曼彻斯特编码与解码技术，减少传输所需要的光纤数量，多路分别实现了单根光纤串行信号高速传输，线路简单，抗干扰力强，传输距离远，方便排查、检修。
其中，每个采集发射器1包括编码单元1-1、电池1-2、发射接口1-3，编码单元1-1连接发射接口1-3，发射接口1-3连接集成光纤，电池1-2为编码单元1-1、发射接口1-3供电，编码单元1-1将能够接收电压数字量信号并进行曼彻斯特编码调制，获得单一的串行数字信号，并将单一的串行数字信号通过发射接口1-3传输至集成光纤。
如图2所示，每个编码单元1-1包括运算放大器1-1-1，每个运算放大器1-1-1依次连接AD模数转换器1-1-2、编码FPGA芯片1-1-3，电池1-2分别连接运算放大器1-1-1、AD模数转换器1-1-2、编码FPGA芯片1-1-3，并为其供电，编码FPGA芯片1-1-3连接发射接口1-3；运算放大器1-1-1能够将采集的高隔离耐压串联电路功率器件两侧电压信号通过电阻分压进行差分运算，输出符合AD模数转换器1-1-2输入范围的电压模拟信号，本发明采集的差分电压最高为1400V，可以根据需要采集的电压值调整分压电阻的比例；AD模数转换器1-1-2能够将模拟信号转换后输出数字量信号和时钟信号；编码FPGA芯片1-1-3对数字量信号和时钟信号进行曼彻斯特编码调制，输出单一的串行数字信号，曼彻斯特编码信号可以通过一根光纤传送数字量和时钟信号，减少传输所需要的光纤数量，分别实现了多路单根光纤串行信号高速传输，极大的简化了线缆连接。电池1-2独立为各个器件供电，实现高电压隔离，10kV系统电压等级下替代高压差分探头，解决高隔离耐压问题，同时比高压差分探头更具拓展性，配置灵活性高，充分节约检测成本，并有效提升了维护便捷性、组装灵活性，其中，多个AD模数转换器1-1-2分别用独立的电池1-2供电，电路上没有连接干涉，绝缘电压由物理距离来决定，具有高电压隔离性。
在线测量时，电池1-2电路产生±15V为运算放大器1-1-1提供电源，产生3.3V为AD模数转换器1-1-2和编码FPGA芯片1-1-3和发射接口1-3供电。
发射接口1-3为光纤发射头1-3-1采用高速光纤发射，实现高电压隔离，采集发射器1与接收处理器2之间的距离决定本发明测量方法的隔离电压，距离5米以上可以达到500kV的隔离电压。
基于曼彻斯特解码技术解码的接收处理器2包括多个连接集成光纤并接收其中信号的接收接口2-1，多个接收接口2-1同时连接解码FPGA芯片2-3，解码FPGA芯片2-3连接输出接口2-5，还包括外接电源2-4，外接电源2-4分别连接接收接口2-1、解码FPGA芯片2-3、输出接口2-5，多个接收接口2-1能够同时接收多个单一的串行数字信号，解码FPGA芯片2-3能够同时接收多路单一的串行数字信号，并分别进行曼彻斯特解码，获得多个数据流，解码FPGA芯片2-3实现多路信号同时处理，减少电路的复杂性。
如图3所示，输出接口2-5包括多个DA模数转换器2-5-1，每个DA模数转换器2-5-1能够接收一个数据流，并将每个数据流进行数模转换，得到n个高隔离耐压串联电路功率器件的电压，实现恢复电压并输出；多个DA模数转换器2-5-1之间相互独立，可以分别连接其它控制系统，进行测量值传输；用户可以使用外界示波器等采集设备采集电压值模拟量进行显示，或者直接在显示单元2-2上观测模拟量信号数值，是用户对测量装置进行设置和监视的人机界面。
解码FPGA芯片2-3连接存储接口2-6，存储接口2-6包含有CF卡插槽，用于存储空间扩展。
一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、如图2所示，采集n个高隔离耐压串联电路功率器件两侧电压信号（即A、B两端的电压），分别通过运算放大器1-1-1将n个电压信号进行差分运算，运算放大器1-1-1输出符合AD模数转换器1-1-2输入范围的电压250mV信号，本发明采集的差分电压最高为1400V，可以根据需要采集的电压值调整分压电阻的比例，通过AD模数转换器1-1-2进行模数转换，得到n（n≤32）个数字量信号和时钟信号，其中时钟信号和电压数字量信号一一对应。
多个电压采集AD模数转换器1-1-2分别用独立的电池1-2供电，电路上没有连接干涉，绝缘电压由物理距离来决定，具有高电压隔离性。
步骤2、分别通过编码FPGA芯片1-1-3将每个数字量信号和时钟信号进行曼彻斯特编码调制，输出单一的串行数字信号，由于曼彻斯特编码信号可以通过一根光纤传送，将编码后的单一的串行数字信号通过光纤发射头1-3-1采用高速光纤发射，实现高电压隔离，n个单一的串行数字信号同时传输，极大的简化了线缆连接。
采集发射器1与接收处理器2之间的距离决定本发明测量方法的隔离电压，距离5米以上可以达到500kV的隔离电压。
步骤3、通过每个接收接口2-1接收集成光纤中的一个单一的串行数字信号，将n个接收接口2-1接收到的n个单一的串行数字信号同事传输至解码FPGA芯片2-3，通过解码FPGA芯片2-3分别将单一的串行数字信号进行曼彻斯特解码，得到n个数据流，并将n个数据流传输至n个DA模数转换器2-5-1中，进行数模转换，实现恢复电压并输出，得到n个高隔离耐压串联电路功率器件的电压。
还包括步骤4、用户可以使用外界示波器等采集设备采集电压值模拟量进行显示，通过示波器显示高隔离耐压串联电路功率器件的电压模拟量信号数值。
通过上述方式，本发明高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，包括一个或多个采集发射器1和一个接收处理器2，其中采集发射器1包括：编码单元1-1，电池1-2，发射接口1-3；接收处理器2包括接收接口2-1，显示单元2-2，解码FPGA芯片2-3，外接电源2-4，输出接口2-5，存储接口2-6。采集发射器1与接收处理器2通过高速集成光纤相连，采集发射器1基于FPGA进行信号编码，接收处理器2基于FPGA进行解码；采集发射器1可根据实际需求选配数量，最多配置32只，均带有3.6V电池1-2，该电池为锂电池，电池1-2供电实现各电压采集AD模块的隔离运行；可进行USB接口充电；接收处理器2采用FPGA实现多路信号同时采集，减少电路的复杂性；FPGA采用曼彻斯特编码与解码技术，减少传输所需要的光纤数量，多路分别实现了单根光纤串行信号高速传输，线路简单，抗干扰力强，传输距离远，方便排查、检修；10kV系统电压等级下替代高压差分探头，解决了高隔离耐压的问题，同时比高压差分探头更具拓展性，配置灵活性高，充分节约检测成本。

Claims (10)

1.一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，包括多个基于曼彻斯特编码技术编码的采集发射器（1），多个所述采集发射器（1）通过多个集成光纤连接一个基于曼彻斯特解码技术解码的接收处理器（2）。
2.根据权利要求1所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，每个所述基于曼彻斯特编码技术编码的采集发射器（1）包括编码单元（1-1），所述编码单元（1-1）连接发射接口（1-3），还包括电池（1-2），所述电池（1-2）分别连接编码单元（1-1）、发射接口（1-3），所述发射接口（1-3）连接集成光纤。
3.根据权利要求2所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，每个所述编码单元（1-1）包括用于采集电压信号的运算放大器（1-1-1），每个所述运算放大器（1-1-1）依次连接AD模数转换器（1-1-2）、编码FPGA芯片（1-1-3），所述电池（1-2）分别连接运算放大器（1-1-1）、AD模数转换器（1-1-2）、编码FPGA芯片（1-1-3），所述编码FPGA芯片（1-1-3）连接发射接口（1-3）。
4.根据权利要求2所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，所述发射接口（1-3）为光纤发射头（1-3-1）。
5.根据权利要求1所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，所述基于曼彻斯特解码技术解码的接收处理器（2）包括多个连接集成光纤的接收接口（2-1），多个所述接收接口（2-1）连接解码FPGA芯片（2-3），所述解码FPGA芯片（2-3）连接输出接口（2-5），还包括外接电源（2-4），所述外接电源（2-4）分别连接接收接口（2-1）、解码FPGA芯片（2-3）、输出接口（2-5）。
6.根据权利要求5所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，所述输出接口（2-5）包括多个DA模数转换器（2-5-1），每个所述DA模数转换器（2-5-1）均连接解码FPGA芯片（2-3）。
7.根据权利要求5所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，所述解码FPGA芯片（2-3）连接存储接口（2-6）。
8.根据权利要求5所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量装置，其特征在于，所述解码FPGA芯片（2-3）连接显示单元（2-2），所述显示单元（2-2）连接外接电源（2-4）。
9.一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采集n个高隔离耐压串联电路功率器件两侧电压信号，分别将n个电压信号进行差分运算、模数转换，得到n个时钟信号对应的电压数字量信号；
步骤2、分别将每个时钟信号对应的电压数字量信号进行曼彻斯特编码调制，得到单一的串行数字信号，将单一的串行数字信号传输至集成光纤进行传输；
步骤3、通过一个接收处理器接收集成光纤中的n个单一的串行数字信号，分别将单一的串行数字信号进行曼彻斯特解码，得到n个数据流，分别将n个数据流进行数模转换，得到n个高隔离耐压串联电路功率器件的电压。
10.根据权利要求9所述一种高隔离耐压串联电路功率器件均压测量方法，其特征在于，还包括步骤4、通过示波器显示高隔离耐压串联电路功率器件的电压模拟量信号数值。
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