CN209072459U - 信号转换电路、风电变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种信号转换电路、风电变流器。该信号转换电路包括：差分处理模块和放大处理模块，其中，差分处理模块包括第一分压单元、第二分压单元、第三分压单元和第四分压单元；第一分压单元的第一端用于接收第一采样信号，第一分压单元的第二端分别与第二分压单元的第一端和放大处理模块的第一输入端连接，第二分压单元的第二端与电压参考端连接；第三分压单元的第一端用于接收第二采样信号，第三分压单元的第二端分别与第四分压单元的第一端和放大处理模块的第二输入端连接，第四分压单元的第二端与电压参考端连接；放大处理模块的输出端与模数转换芯片连接。采用本实用新型实施例能够提高信号转换精度。

Description

信号转换电路、风电变流器

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种信号转换电路、风电变流器。

背景技术

变流器的控制器需要精确采集网侧三相AC电压(约400V)、直流母排DC电压(约1050V)等高电压信号，采集信号的关键中间环节是模数转换芯片ADC，这就需要将高电压采样信号转换为满足模数转换芯片ADC输入范围的信号。模数转换芯片ADC的模拟信号的输入范围是-10V～+10V，输出为等量的数字信号，然后由数字信号处理器进行采集。

现有技术中，风电变流器内测量高电压的信号转换电路由电压霍尔传感器和运算放大器的方式实现，电压霍尔传感器直接对高电压采样信号进行处理，但是，由于高电压采样信号的波动幅度相对较高，直接对高电压采样信号进行处理的方式会降低信号转换精度。

发明内容

本实用新型实施例提供了一种信号转换电路、风电变流器，能够先对高电压采样信号进行差分处理得到低电压信号，然后基于低电压信号进行后续转换操作，提高信号转换精度。

第一方面，本实用新型实施例提供一种信号转换电路，包括：差分处理模块和放大处理模块，其中，差分处理模块包括第一分压单元、第二分压单元、第三分压单元和第四分压单元；

第一分压单元的第一端用于接收第一采样信号，第一分压单元的第二端分别与第二分压单元的第一端和放大处理模块的第一输入端连接，第二分压单元的第二端与电压参考端连接；

第三分压单元的第一端用于接收第二采样信号，第三分压单元的第二端分别与第四分压单元的第一端和放大处理模块的第二输入端连接，第四分压单元的第二端与电压参考端连接；

放大处理模块的输出端与模数转换芯片连接，用于将第一采样信号和第二采样信号转换为模数转换芯片可用的单端低电压信号。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一分压单元包括第一电阻网络；第二分压单元包括第二电阻网络；第三分压单元包括第三电阻网络；第四分压单元包括第四电阻网络；其中，第一电阻网络的阻值和第三电阻网络的阻值相等，第二电阻网络的阻值和第四电阻网络的阻值相等，且第一电阻网络的阻值大于第二电阻网络的阻值。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻；第二电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻；第三电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻；第四电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一电阻网络包括相串联的第一电阻、第二电阻和第三电阻；第二电阻网络包括第四电阻；第三电阻网络包括相串联的第五电阻、第六电阻和第七电阻；第四电阻网络包括第八电阻。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相等。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一电阻网络、第二电阻网络、第三电阻网络和第四电阻网络中的电阻均采用高精密耐高压电阻。

在第一方面的一种可能的实施方式中，信号转换电路还包括第一钳位单元和第二钳位单元；第一钳位单元分别与第一分压单元的第二端和放大处理模块的第一输入端连接，用于使第一输入端的电压钳位在放大处理模块的工作电压范围内；第二钳位单元分别与第三分压单元的第二端和放大处理模块的第二输入端连接，用于使第二输入端的电压钳位在放大处理模块的工作电压范围内。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一钳位单元包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的阴极与第一直流正压源连接，第二二极管的阳极与第一直流负压源连接，第一二极管的阳极、第二二极管的阴极均与第一分压单元的第二端连接，第一直流正压源与第一直流负压源的输出电压的绝对值相等；第二钳位单元包括第三二极管和第四二极管，第三二极管的阴极与第二直流正压源连接，第四二极管的阳极与第二直流负压源连接，第三二极管的阳极、第四二极管的阴极均与第三分压单元的第二端连接，第二直流正压源与第二直流负压源的输出电压的绝对值相等。

在第一方面的一种可能的实施方式中，放大处理模块为精密仪表放大器。

第二方面，本实用新型实施例提供一种风电变流器，风电变流器的控制器电路板上集成包括如上所述的信号转换电路。

在本实用新型实施例中，第一采样信号和第二采样信号为高电压采样信号，第一分压单元和第二分压单元对第一采样信号进行分压处理，可以得到第一低电压信号，第三分压单元和第四分压单元对第二采样信号进行分压处理，可以得到第二低电压信号。

与现有技术中的需要电压霍尔传感器直接对高电压采样信号进行处理相比，由于本实用新型实施例能够先对第一采样信号和第二采样信号进行分压处理，使输入至放大处理模块的信号转换为第一低电压信号和第二低电压信号，然后由放大处理模块对上述第一低电压信号和第二低电压信号进行转换处理，得到模数转换芯片ADC可用的精度较高的单端低电压信号，避免因第一采样信号和第二采样信号的波动幅度较大而降低信号转换精度。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为本实用新型一实施例提供的信号转换电路的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的信号转换电路的结构示意图；

图3为本实用新型又一实施例提供的信号转换电路的结构示意图；

图4为本实用新型再一实施例提供的信号转换电路的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的精密仪表放大器的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。

本实用新型实施例提供了一种信号转换电路、风电变流器，是一种将大电压信号转换为小电压信号的高精度电路，用于模数转换芯片ADC的模拟信号输入前的电压信号调理。采用本实用新型实施例中的技术方案，能够先对高电压采样信号进行差分处理得到低电压信号，然后基于低电压信号进行后续转换操作，提高信号转换精度。

由于变流器内电磁环境恶劣，信号容易受到干扰，本实用新型实施例将转换电路的器件体积缩小，使其能够集成到控制器电路板上，并以固定的比例进行信号缩小，实现大电压信号(400V_AC和1050V_DC等级)的高精度转换，转换得到满足模数转换芯片ADC模拟信号输入范围(-10V～+10V等级)的信号，并具备较强的抑制电磁干扰能力。

图1为本实用新型一实施例提供的信号转换电路的结构示意图。如图1所示，该信号转换电路包括：差分处理模块101和放大处理模块102。

其中，差分处理模块101包括第一分压单元F1、第二分压单元F2、第三分压单元F3和第四分压单元F4。

第一分压单元F1的第一端用于接收第一采样信号HT+，第一分压单元F1的第二端分别与第二分压单元F2的第一端和放大处理模块102的第一输入端连接，第二分压单元F2的第二端与电压参考端连接。

第三分压单元F3的第一端用于接收第二采样信号HT-，第三分压单元F3的第二端分别与第四分压单元F4的第一端和放大处理模块102的第二输入端连接，第四分压单元F4的第二端与电压参考端连接。

放大处理模块102的输出端与模数转换芯片ADC连接，用于将第一采样信号HT+和第二采样信号HT-转换为模数转换芯片ADC可用的单端低电压信号。

其中，电压参考端的实际电压可以根据信号转换电路的工作场景以及需求进行设定，在一示例中，电压参考端可以为风电变流器壳体。

在本实用新型实施例中，第一采样信号HT+和第二采样信号HT-为高电压采样信号，第一分压单元F1和第二分压单元F2可以对第一采样信号HT+进行分压处理，得到第一低电压信号VM+，第三分压单元F3和第四分压单元F4可以对第二采样信号HT-进行分压处理，得到第二低电压信号VM-。

与现有技术中的需要电压霍尔传感器直接对高电压采样信号进行处理相比，由于本实用新型实施例能够先对第一采样信号HT+和第二采样信号HT-进行分压处理，使输入至放大处理模块102的信号转换为第一低电压信号VM+和第二低电压信号VM-，然后由放大处理模块102对上述第一低电压信号VM+和第二低电压信号VM-进行转换处理，得到ADC芯片可用的精度较高的单端低电压信号，避免因第一采样信号HT+和第二采样信号HT-的波动幅度较大而降低信号转换精度。

其中，第一分压单元F1、第二分压单元F2、第三分压单元F3和第四分压单元F4可以由元器件组成。

在一示例中，第一分压单元F1包括第一电阻网络；第二分压单元F2包括第二电阻网络；第三分压单元F3包括第三电阻网络；第四分压单元F4包括第四电阻网络，第二电阻网络和第四电阻网络连接公共参考电压端，构成信号的差分形式。

具体地，第一电阻网络可以包括一个或者多个相串联的电阻；第二电阻网络可以包括一个或者多个相串联的电阻；第三电阻网络可以包括一个或者多个相串联的电阻；第四电阻网络可以包括一个或者多个相串联的电阻。

需要说明的是，第一电阻网络和第三电阻网络的阻值相等，第二电阻网络和第四电阻网络的阻值相等，通过调整第一电阻网络、第二电阻网络、第三电阻网络和第四电阻网络中电阻的数量、组合形式和阻值大小，可以实现对第一采样信号HT+和第二采样信号HT-以固定比例进行信号缩小。

进一步地，第一电阻网络的阻值可以大于第二电阻网络的阻值，从而使接入放大处理模块102的第一输入端的信号为低电压信号，第三电阻网络的阻值可以大于第四电阻网络的阻值，从而使接入放大处理模块102的第二输入端的信号为低电压信号。

图2为本实用新型另一实施例提供的信号转换电路的结构示意图。

在图2的示例中，第一电阻网络包括相串联的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；第二电阻网络包括第四电阻R4；第三电阻网络包括相串联的第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7；第四电阻网络包括第八电阻R8。此处，采用多个电阻串联设置的形式，能够降低分摊至每个电阻的电压，从而降低电路的发热功率，提高电路的耐压等级和转换精度。

优选地，第一电阻网络、第二电阻网络、第三电阻网络和第四电阻网络中的电阻均采用高精密耐高压电阻。

此外，为便于计算，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7的阻值可以相等，第四电阻R4和第八电阻R8的阻值可以相等。

图3为本实用新型又一实施例提供的信号转换电路的结构示意图，图3与图1的不同之处在于，图3中的信号转换电路还包括第一钳位单元Q1和第二钳位单元Q2。

其中，第一钳位单元Q1分别与第一分压单元F1的第二端和放大处理模块102的第一输入端连接，用于使第一输入端的电压钳位在放大处理模块102的工作电压范围内。

第二钳位单元Q2分别与第三分压单元F3的第二端和放大处理模块102的第二输入端连接，用于使第二输入端的电压钳位在放大处理模块102的工作电压范围内。

图4为本实用新型再一实施例提供的信号转换电路的结构示意图，用于展示第一钳位单元Q1和第二钳位单元Q2的具体结构组成。

其中，第一钳位单元Q1包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1的阴极与第一直流正压源连接，第二二极管D2的阳极与第一直流负压源连接，第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极均与第一分压单元F1的第二端连接，第一直流正压源与第一直流负压源的输出电压的绝对值相等，分别为+15V和-15V。

第二钳位单元Q2包括第三二极管D3和第四二极管D4，第三二极管D3的阴极与第二直流正压源连接，第四二极管D4的阳极与第二直流负压源连接，第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极均与第三分压单元F3的第二端连接，第二直流正压源与第二直流负压源的输出电压的绝对值相等，分别为+15V和-15V。

第一钳位单元Q1的工作原理为：当VM+高于15V时，第一二极管D1导通，将VM+下拉至15V，当VM+低于-15V时，第二二极管D2导通，将VM+上拉至-15V，从而使放大处理模块102的第一输入端的电压钳位在放大处理模块102的工作电压范围内[-15V，+15V]，避免因VM+电压溢出对放大处理模块102造成损坏。

同理，第二钳位单元Q2的工作原理为：当VM-高于15V时，第三二极管D3导通，将VM-下拉至15V，当VM-低于-15V时，第四二极管D4导通，将VM-上拉至-15V，从而使放大处理模块102的第二输入端的电压钳位在放大处理模块102的工作电压范围内[-15V，+15V]，避免因VM-电压溢出而损坏放大处理模块102。

优选地，本实用新型实施例中的放大处理模块102可以采用精密仪表放大器。精密仪表放大器具有非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗等特性，利用精密仪表放大器执行对采样信号的放大处理功能，能够提高采样信号的精确性和稳定性。

图5为本实用新型实施例提供的精密仪表放大器的结构示意图。图5中示出的精密仪表放大器由三颗运算放大器组成。

其中，前级输入侧的两个电压跟随器G1和G2，用于提供同相输入端与反相输入端的高输入阻抗，当R9断开时，相当于R9为∞，前级放大比例为1。后级是差分放大器C1，用于对两个输入端进行差分放大，通常后级差分放大器的增益会设计为1，即只做两个VM+和VM-的相减运算。

在本实用新型实施例中，差分处理模块101中的分压电阻R1-R3，R5-R7采用兆欧级高压精密电阻，能够降低电路的发热，提高电路的耐压等级与转换精度；分压电阻与精密仪表放大器构成的电路，结构简单，体积小，可集成到控制器电路板上，缩小了安装空间，减少了配线，成本低廉，降低了变流器的成本，提高了抗电磁干扰能力。

在一示例中，R1、R2、R3、R5、R6、R7为相同的兆欧级高压精密电阻且阻值为R，R4和R8为相同的千欧级精密电阻且阻值为r，则仪表放大器输出电压U0为：

其中，R一般选取1MΩ，R4和R8的阻值可以根据测量端输入电压(HT+和HT-之间的差值)和仪表放大器的输出电压来决定。比如，输入为1050V_DC，输出为8V_DC(在-10V～+10V之间)，则代入公式(1)，可以得到：

通过公式(2)可以得到：r＝23.03KΩ，由于电路的差分结构形式，可以在很大程度上抑制共模噪声，从而提高信号的抗电磁干扰能力。

使用时，本实用新型实施例中的转换电路可以集成到变流器的控制器电路板上，减小变流器控制系统的安装空间，简化控制器外部配线，具有很高的转换精度与抗电磁干扰能力，与使用电压霍尔传感器的方式相比，每一路信号采集可节约成本280元左右。

本实用新型实施例提供一种风电变流器，风电变流器的控制器电路板上集成包括如上所述的信号转换电路。

需要明确的是，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或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他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本实用新型的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本实用新型的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。

Claims (10)

1.一种信号转换电路，其特征在于，包括：差分处理模块和放大处理模块，其中，差分处理模块包括第一分压单元、第二分压单元、第三分压单元和第四分压单元；

所述第一分压单元的第一端用于接收第一采样信号，所述第一分压单元的第二端分别与所述第二分压单元的第一端和所述放大处理模块的第一输入端连接，所述第二分压单元的第二端与电压参考端连接；

所述第三分压单元的第一端用于接收第二采样信号，所述第三分压单元的第二端分别与所述第四分压单元的第一端和所述放大处理模块的第二输入端连接，所述第四分压单元的第二端与所述电压参考端连接；

所述放大处理模块的输出端与模数转换芯片连接，用于将所述第一采样信号和所述第二采样信号转换为所述模数转换芯片可用的单端低电压信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述第一分压单元包括第一电阻网络；

所述第二分压单元包括第二电阻网络；

所述第三分压单元包括第三电阻网络；

所述第四分压单元包括第四电阻网络；

其中，所述第一电阻网络的阻值和所述第三电阻网络的阻值相等，所述第二电阻网络的阻值和所述第四电阻网络的阻值相等，且所述第一电阻网络的阻值大于所述第二电阻网络的阻值。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，

所述第一电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻；

所述第二电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻；

所述第三电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻；

所述第四电阻网络包括一个或者多个相串联的电阻。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，

所述第一电阻网络包括相串联的第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述第二电阻网络包括第四电阻；

所述第三电阻网络包括相串联的第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述第四电阻网络包括第八电阻。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，

所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻的阻值相等。

6.根据权利要求3-5任一项所述的电路，其特征在于，

所述第一电阻网络、所述第二电阻网络、所述第三电阻网络和所述第四电阻网络中的电阻均采用高精密耐高压电阻。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述信号转换电路还包括第一钳位单元和第二钳位单元；

所述第一钳位单元分别与所述第一分压单元的第二端和所述放大处理模块的第一输入端连接，用于使所述第一输入端的电压钳位在所述放大处理模块的工作电压范围内；

所述第二钳位单元分别与所述第三分压单元的第二端和所述放大处理模块的第二输入端连接，用于使所述第二输入端的电压钳位在所述放大处理模块的工作电压范围内。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，

所述第一钳位单元包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极与第一直流正压源连接，所述第二二极管的阳极与第一直流负压源连接，所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极均与所述第一分压单元的第二端连接，所述第一直流正压源与所述第一直流负压源的输出电压的绝对值相等；

所述第二钳位单元包括第三二极管和第四二极管，所述第三二极管的阴极与第二直流正压源连接，所述第四二极管的阳极与第二直流负压源连接，所述第三二极管的阳极、所述第四二极管的阴极均与所述第三分压单元的第二端连接，所述第二直流正压源与所述第二直流负压源的输出电压的绝对值相等。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述放大处理模块为精密仪表放大器。

10.一种风电变流器，其特征在于，所述风电变流器的控制器电路板上集成包括如权利要求1-9任一项所述的信号转换电路。