CN211127531U - 一种直流系统专用电压转换模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种直流系统专用电压转换模块，该模块内部包括两组电压转换电路、一组模数转换电路和一个参数存储器，模块对外包含两段母线电压输入端口、模拟电源输入端口、微机通信接口和通信电源接口；微机通信接口包含用于参数存储器的IIC接口，用于ADC模块的SPI通信接口，用于过零点信号的过零点信号接口；每组电压转换电路包含总电压转换电路、正负端压差转换电路、中性点转换电路、交流转换电路和过零点转换电路；ADC模块包含偏置电压生成电路。本实用新型可以解决将电压采样和转换功能集成为一个独立的模块，并且通过计算得到正端电压、负端电压、总电压、总电压纹波值、正负端对地交流电压成分等技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力直流系统的仪器仪表技术。
背景技术
直流系统电压包括正端电压、负端电压、总电压、纹波电压和对地交流电压，目前通常采用的是3个电压表计分别采样正端电压、负端电压和总电压的方法。
直流专用仪表对这些电压的检测电路一般与主板一同设计，如果采样电路出现故障，则需要连同主板一起维修或更换。
发明内容
本实用新的目的是提供一种直流系统专用电压转换模块，以解决将电压采样和转换功能集成为一个独立的模块，并且该模块能存储电压转换的电路参数，还可以得到两段母线的总电压，正、负端对地电压差和正、负端交流电压，进而可额外通过计算得到正端电压、负端电压和总电压纹波值等技术问题。
为了实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种直流系统专用电压转换模块，该模块内部包括两组电压转换电路、一组模数转换电路和一个参数存储器，模块对外包含两段母线电压输入端口、模拟电源输入端口、微机通信接口和通信电源接口；两段母线电压输入端口包含I段正极BUS1+，I段负极BUS1-，II段正极BUS2+，II段负极BUS2-和大地AGND；微机通信接口包含用于参数存储器的IIC接口，用于ADC模块的SPI通信接口，用于过零点信号的过零点信号接口；每组电压转换电路包含总电压转换电路、正负端压差转换电路、中性点转换电路、交流转换电路和过零点转换电路；ADC模块包含偏置电压生成电路；ADC模块与外部通信信号通过第一隔离电路隔离，过零点转换电路与外部信号通过第二隔离电路隔离；每组电压转换电路的总电压转换电路输入端分别与I段正极BUS1+，I段负极BUS1-，II段正极BUS2+，II段负极BUS2-连接，每组电压转换电路的总电压转换电路的输出端接模数转换电路，每组电压转换电路的中性点转换电路的输入端分别与I段正极BUS1+，负极BUS1， II段正极BUS2+，负极BUS2-连接，每个中性点转换电路输出端分别通过对应的交流转换电路、中性点转换电路与模数转换电路连接；所述每个交流转换电路通过各自的过零点转换电路与第二隔离电路连接；模数转换电路通过第一隔离电路与SPI通信接口连接；参数存储器与IIC通信接口连接。
总电压转换电路包含实现总电压幅值的变换和偏置电压加入的差分放大器，BUS1+通过10MΩ电阻连接至运算放大器U17B的同相输入端5，参考电压通过24KΩ电阻连接至运算放大器U17B的同相输入端5， BUS1-通过10MΩ电阻连接至运算放大器U17B的反相输入端6，运算放大器U17B的同相输入端5和反向输入端6之间并联一个组合二极管BAV99，运算放大器U17B的输出端7和反向输入端6串联一个24KΩ电阻，运算放大器U17B的输出端7串联一个RC低通滤波后，BUS1信号作为ADC的输入信号。
正、负端中性点电压转换电路，在输入正端电压BUS1+和输入负端电压BUS1-之间分别串联2个200KΩ电阻，并将这两个电阻的中间点通过5个2MΩ电阻串联，连接至运算放大器U24B的反相输入端5，运算放大器U24B同相输入端5接大地信号AGND，同相输入端5和反向输入端6之间并联1个组合式二极管BAV99，运算放大器输出端7和反向输入端6之间串联一个36KΩ电阻，运算放大器U24B输出端7作为中性点信号 Diff1。
正、负压差转换电路，中性点电压信号Diff1通过10K电阻连接到运算放大器U10A同相输入端3，参考电压ADC_REF通过10K电阻连接到运放U10A同相输入端3，地电压AGND通过10K电阻连接至运放U10A 反向输入端2，运放U10A输入端1和反向输入端2串联10K电阻。
交流采样电路，得到的中性点电压Diff1通过串联22uF电容，再串联10K电阻连接至交流信号输出端子BUS1_AC，参考电压ADC_REF通过10K电阻连接至BUS1_AC，BUS1_AC对地串联一个100nF电容，Diff1 通过电容C35的隔离，得到Diff1中的交流成分Diff1_AC。
过零点采样电路，BUS1_AC信号连接至比较器U27A的反向输入端2，参考电压ADC_REF通过1K电阻连接至比较器U27A的同相输入端3，比较器U27A输出端与同相输入端3之间串联1M电阻，比较器U27A 输出端通过10K电阻连接工作电源+2.5V，比较器U27A输出端通过330欧电阻连接到光耦U28的阴极，光耦阳极连接工作电源+2.5V；光耦输出信号V1_ZC为带隔离的过零点信号。
ADC转换器选用ADI公司的AD73360L，6个输入通道对应关系为：通道1对应输入电压1的正、负端压差信号，通道2对应输入电压2的正、负端压差信号，通道3对应输入电压1的总电压信号，通道4对应输入电压2的总电压信号，通道5对应输入电压1的对地交流信号，通道6对应输入电压2的对地交流信号。
本实用新型的优点：
1.本实用新型将电力直流系统两段电压所有信号的采集整合在一个模块中，实现两段电压的总电压，正、负端对地电压差，正、负端对地交流电压的测量共6种电压的转换，转换结果由6个16位的数据表示。
2.转换结果通过SPI接口与微控制器通信，微控制器也可通过IIC接口读取或修改本模块存储器中的电路参数，实现测量值与实际电压的转换。
3.本实用新型实现数字通信接口与模拟电路的信号隔离，增强了本模块和外部主机的抗干扰性能。
4.本实用新型实现了正、负端对地交流信号过零点检测功能，该功能可用于检测交流信号频率，也可用于母线对地电容值测量。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理方框图。
图2是本实用新型的总电压转换电路。
图3是本实用新型的正、负端中性点电压转换电路。
图4是本实用新型的正、负压差转换电路。
图5是本实用新型的交流电压采样电路。
图6是本实用新型的过零点采样电路。
图7是本实用新型的ADC转换器的输入通道对应关系示意图。
图8是本实用新型的ADC转换器通信接口电路。
具体实施方式
本实用新型的具体电路结构及工作原理结合附图说明如下：
本发明提供一种支持直流系统两段电压采集的模块，参见图1，该模块内部包括两组电压转换电路，一组模数转换电路和1个参数存储器，模块对外包含两段母线电压输入端口，模拟电源输入端口，微机通信接口和通信电源接口，并实现微机通信接口与输入电压的隔离。
两段母线电压输入端口包含I段正极BUS1+，I段负极BUS1-，II段正极BUS2+，II段负极BUS2-和大地 AGND。
微机通信接口包含用于参数存储器的IIC接口，用于ADC模块的SPI通信接口，用于零过点信号的过零点信号接口。
每组电压转换电路包含总电压转换电路，正、负端压差转换电路，中性点转换电路，交流转换电路和过零点转换电路。
ADC模块包含偏置电压生成电路。
ADC模块与外部通信信号通过隔离电路1隔离，过零点转换电路与外部信号通过隔离电路2隔离。
总电压转换电路通过差分放大器实现总电压幅值的变换和偏置电压的加入，如图2所示。该电路输入阻抗通过5个2MΩ电阻串联达到10MΩ，其中BUS1+表示输入正端电压，BUS1-表示负端电压，BUS1+通过 10MΩ电阻连接至运算放大器U17B的同相输入端5，参考电压通过24KΩ电阻连接至运算放大器U17B的同相输入端5，BUS1-通过10MΩ电阻连接至运算放大器U17B的反相输入端6，运算放大器 U17B的同相输入端5和反向输入端6之间并联一个组合二极管BAV99，运算放大器U17B 的输出端7和反向输入端6串联一个24KΩ电阻，运算放大器U17B的输出端7串联一个RC 低通滤波后，BUS1信号作为ADC的输入信号。
BUS1信号与BUS1+和BUS1-的对应关系为：
其中，(BUS1+)–(BUS1-)为总电压U1，得到：
参见图3，为正、负端中性点电压转换电路，在输入正端电压BUS1+和输入负端电压BUS1- 之间分别串联2个200KΩ电阻，并将这两个电阻的中间点通过5个2MΩ电阻串联，连接至运算放大器U24B的反相输入端5，运算放大器U24B同相输入端5接大地信号AGND，同相输入端5和反向输入端6之间并联1个组合式二极管BAV99，运算放大器输出端7和反向输入端6之间串联一个36KΩ电阻，运算放大器U24B输出端7作为中性点信号Diff1。
Diff1信号与BUS1+和BUS1-的对应关系为：
其中，(BUS1+)+(BUS1-)为正、负端对地电压差D1，得到：
参见图4，为正、负压差转换电路，中性点电压信号Diff1通过10K电阻连接到运算放大器U10A同相输入端3，参考电压ADC_REF通过10K电阻连接到运放U10A同相输入端3，地电压AGND通过10K电阻连接至运放U10A反向输入端2，运放U10A输入端1和反向输入端2串联10K电阻。
BUS_Diff1信号与Diff1信号之间的关系为：
BUS_Diff1-ADC_REF＝Diff1-AGND
根据图3公式，
得到：
参见图5，为交流采样电路，图3中得到的中性点电压Diff1通过串联22uF，再串联10K 电阻连接至交流信号输出端子BUS1_AC，参考电压ADC_REF通过10K电阻连接至BUS1_AC， BUS1_AC对地串联一个100nF电容。
Diff1通过电容C35的隔离，得到Diff1中的交流成分Diff1_AC。BUS1_AC信号与Diff1_AC BUS1_AC的电压与Diff1_AC关系为：
BUS1_AC-ADC_REF＝Diff1_AC/2
参见图6，为过零点采样电路，图5得到的BUS1_AC信号，连接至比较器U27A的反向输入端2，参考电压ADC_REF通过1K电阻连接至比较器U27A的同相输入端3，比较器U27A 输出端与同相输入端3之间串联1M电阻，比较器U27A输出端通过10K电阻连接工作电源 +2.5V，比较器U27A输出端通过330欧电阻连接到光耦U28的阴极，光耦阳极连接工作电源+2.5V。光耦输出信号V1_ZC为带隔离的过零点信号。
ADC转换器选用ADI公司的AD73360L，6个输入通道对应关系为：通道1对应输入电压1的正、负端压差信号，通道2对应输入电压2的正、负端压差信号，通道3对应输入电压1的总电压信号，通道4对应输入电压2的总电压信号，通道5对应输入电压1的对地交流信号，通道6对应输入电压2的对地交流信号，如图7所示。
ADC转换器通信接口的电路参见图8所示。
Claims (7)
1.一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，该模块内部包括两组电压转换电路、一组模数转换电路和一个参数存储器，模块对外包含两段母线电压输入端口、模拟电源输入端口、微机通信接口和通信电源接口；两段母线电压输入端口包含I段正极BUS1+，I段负极BUS1-，II段正极BUS2+，II段负极BUS2-和大地AGND；微机通信接口包含用于参数存储器的IIC接口，用于ADC模块的SPI通信接口，用于过零点信号的过零点信号接口；每组电压转换电路包含总电压转换电路、正负端压差转换电路、中性点转换电路、交流转换电路和过零点转换电路；ADC模块包含偏置电压生成电路；ADC模块与外部通信信号通过第一隔离电路隔离，过零点转换电路与外部信号通过第二隔离电路隔离；每组电压转换电路的总电压转换电路输入端分别与I段正极BUS1+，I段负极BUS1-，II段正极BUS2+，II段负极BUS2-连接，每组电压转换电路的总电压转换电路的输出端接模数转换电路，每组电压转换电路的中性点转换电路的输入端分别与I段正极BUS1+，负极BUS1，II段正极BUS2+，负极BUS2-连接，每个中性点转换电路输出端分别通过对应的交流转换电路、中性点转换电路与模数转换电路连接；所述每个交流转换电路通过各自的过零点转换电路与第二隔离电路连接；模数转换电路通过第一隔离电路与SPI通信接口连接；参数存储器与IIC通信接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，总电压转换电路包含实现总电压幅值的变换和偏置电压加入的差分放大器，BUS1+通过10MΩ电阻连接至运算放大器U17B的同相输入端5，参考电压通过24KΩ电阻连接至运算放大器U17B的同相输入端5，BUS1-通过10MΩ电阻连接至运算放大器U17B的反相输入端6，运算放大器U17B的同相输入端5和反向输入端6之间并联一个组合二极管BAV99，运算放大器U17B的输出端7和反向输入端6串联一个24KΩ电阻，运算放大器U17B的输出端7串联一个RC低通滤波后，BUS1信号作为ADC的输入信号。
3.根据权利要求1所述的一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，正、负端中性点电压转换电路，在输入正端电压BUS1+和输入负端电压BUS1-之间分别串联2个200KΩ电阻，并将这两个电阻的中间点通过5个2MΩ电阻串联，连接至运算放大器U24B的反相输入端5，运算放大器U24B同相输入端5接大地信号AGND，同相输入端5和反向输入端6之间并联1个组合式二极管BAV99，运算放大器输出端7和反向输入端6之间串联一个36KΩ电阻，运算放大器U24B输出端7作为中性点信号Diff1。
4.根据权利要求1所述的一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，正、负压差转换电路，中性点电压信号Diff1通过10K电阻连接到运算放大器U10A同相输入端3，参考电压ADC_REF通过10K电阻连接到运放U10A同相输入端3，地电压AGND通过10K电阻连接至运放U10A反向输入端2，运放U10A输入端1和反向输入端2串联10K电阻。
5.根据权利要求1所述的一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，交流采样电路，得到的中性点电压Diff1通过串联22uF电容，再串联10K电阻连接至交流信号输出端子BUS1_AC，参考电压ADC_REF通过10K电阻连接至BUS1_AC，BUS1_AC对地串联一个100nF电容，Diff1通过电容C35的隔离，得到Diff1中的交流成分Diff1_AC。
6.根据权利要求1所述的一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，过零点采样电路，BUS1_AC信号连接至比较器U27A的反向输入端2，参考电压ADC_REF通过1K电阻连接至比较器U27A的同相输入端3，比较器U27A输出端与同相输入端3之间串联1M电阻，比较器U27A输出端通过10K电阻连接工作电源+2.5V，比较器U27A输出端通过330欧电阻连接到光耦U28的阴极，光耦阳极连接工作电源+2.5V；光耦输出信号V1_ZC为带隔离的过零点信号。
7.根据权利要求1所述的一种直流系统专用电压转换模块，其特征在于，ADC转换器选用ADI公司的AD73360L，6个输入通道对应关系为：通道1对应输入电压1的正、负端压差信号，通道2对应输入电压2的正、负端压差信号，通道3对应输入电压1的总电压信号，通道4对应输入电压2的总电压信号，通道5对应输入电压1的对地交流信号，通道6对应输入电压2的对地交流信号。
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