CN88100072A - 反相器输出变压器初级线圈电流的测量电路 - Google Patents

Abstract

一个测量电路包含有一个积分器，此积分器的输入信号代表流过反相器输出变压器初级线圈的电流。积分器的输出信号在所说的电流的交流分量每个周期的起始点被清零，并被加到一个采样及保持环节，在积分器被清零以前，采样及保持环节的输出信号代表了积分器的输出信号。一个中间环节被放置在积分器和采样及其保持环节之间，以在取样周期内，用限制输出信号最大可能变化的方法减少负荷冲击的影响。

Description

本发明涉及到反相器输出变压器初级线圈电流的直流分量的测量电路。

在电力反相器中，由于反相器输出变压器初级线圈电流中直流分量的存在，导致了变压器饱和问题。

直到目前为止使用带有空气间隙的变压器，来削弱直流分量，使饱和问题可以忽略不计。然而无间隙变压器的大量使用使饱和问题成为一大难题。能将直流分量消除是最为理想的，为了实现这个目的，必须测出直流分量，并用于反相器控制电路，使直流分量自动地减少到零。

由于交流分量（基波频率）相对于直流分量而言其幅值较大，使用Rc滤波器将导致一个较大的相位偏移，这个相位偏移使所设计的用于自动控制的反馈回路产生不平衡。

本发明的目的是得到一个测量电路，这个测量电路即简单又有效，不会引起任何相位偏移，并能对以上的问题给出一个恰当的解答。

根据本发明，测量电路具有以下特点，它包含一个测量装置和一个积分器，测量装置可以产生一个代表流过线圈电流的信号，积分器可以对电流一个周期的交流分量信号进行积分，积分器的输出信号在所说的每周期起始点被清零，并输出到在清零以前，用来采样的采样及保持环节，用这种方法，可提供一个输出信号，此信号代表前一周期内出现的直流分量的平均幅值。

在变压器负荷不变或变化较慢时，这个电路可正常工作，但是在负荷发生突变时，该电路不能正确测量直流分量。

为解决第二个问题，在本发明的实施例中，积分器的输出信号通过一个有运算放大器的中间环节施加到采样和保持环节，该运算放大器正极输入端接地，负极输入端由第一个电阻与积分器输出端联接，由第二个电阻与采样及保持环节的输入端相联，第三个电阻器放置在运算放大器输出端和采样及保持环节的输入端之间，用此方法在采样周期内以限制测量电路输出信号的最大可能的变化量。

从本发明以下几个示意图中，其它的优点和特点将更加显而易见，这些附图只提供非限制性的例子，示意图说明如下：

-图1是以电路图的形式表示本发明第一个实施例的测量电路。

-图2是图1电路中出现的信号V1、V2和V3的波形图。

-图3是图1的电路中，在冲击负荷情况下，V1、V2和V3的波形图。

-图4是以电路图形式表示本发明中第二个实施例的测量电路。

-图5代表图4所示电路中信号V5的波形图。

-图6是一个模拟图，表示由本发明的测量电路构成的反相器。

图1所表示的测量电路，包括初级运算放大器10，该放大器对电压V1组成的输入信号累计，而V1代表一个正弦交流分量V和一个直流分量V₀合成的电流。电压V1经过电阻R1加在放大器10的负极输入端，放大器正极输入端接地，负极输入端通过电容C1与其输出端联结。因而该放大器构成了积分器，其输出电压V2见下式：

V2＝- 1/(R1C1) ∫vldt

根据本发明，为了消除输入信号V1中的交流分量，并且在积分器输出端得到一个与该信号的直流分量成正比的信号，在交流分量的周期T内进行积分。积分器的清零是借助于一个常开的开关12，这个开关与电容C1并联，它在每个周期的起始点短时闭合。在较佳的实施例中，该开关可采用任何半导体开关，此开关由表示交流电流过零的信号K1控制。若该测量电路用于反相器上，此类型的周期信号总是可以得到的。

图2是信号V1和V2的波形图。V1的波形是直流分量V0和交流分量V迭加而成V₁＝V₀+V。在相应于交流分量V的一个周期的时间T的终点，我们得到一个信号：

V₂＝- 1/(R1C1) ∫^T ₀Vldt＝- (VO)/(R1C1) ·T

其中V0是常量，V2是在时刻O，T，2T……清零。

在实际中，信号V1中不仅仅含有直流分量V0和正弦交流分量V，还有后者的一些高次谐波。对基波频率50HZ的信号V来说，主要包括2KH_Z的谐波，这些谐波在积分周期T（对50HZ基波为20ms）中被滤掉。最大的误差相应于该谐波的一个半波，但它的幅值很小，可以忽略不计。

积分器的输出信号施加于采样及其保持环节。此环节由运算放大器14构成，并接在积分器之后，其正极输入经开关16与积分器的输出端相联并经电容C2接地，其负极输入与它本身的输出端相联接。开关16可以是任何类型的半导体开关，并且此开关通常是断开的，它是由信号K2控制，在积分器清零之前即信号K1使开关12闭合前，此开关有一短时的闭合。

例如，对50HZ频率的基波，周期T为20ms，而每次K1信号清零和K2信号采集持续时间大约为150μs。

在开关16闭合期间或采样期间，积分器的输出信号V2被加在电容C2上并保持到下次开关闭合时，即保持一周期T。如图2所示在保持周期内，采样及其保持环节的输出信号V3代表了输入信号直流分量V₀的平均幅值。

在预计的应用中，测量流过反相器输出变压器初级线圈的直流电流时，实际瞬时值和测量值之间的误差不会带来任何问题，因为变压器饱和时间常数比完成积分和采样的周期T大的多。

如图1所示的测量电路，当变压器负荷不变或缓变时，尽管能正常工作，但它不能解决在变压器负荷突变时，如负荷投入时的问题。

冲击负荷的影响如图3所示，其中直流分量V₀设为常量。

在2T时刻，信号V3在数值上不随着直流分量的扰动而变化，但是在积分周期T到2T之间，信号V3随着交流分量幅值的突变而变化。如果负荷冲击被解释为直流分量和调整直流分量而得到的V3值的突变，这就不可避免地导致系统扰动。

因此消除被认为是错误的任何信息是所希望的。如上面所强调的那样，变压器饱和时间常数比直流分量的测量周期T大的多，因此在实际上消除-周期的信息不会带来任何问题。应该确定一个临界值。高于临界值的测量是错误的。但是这个临界值在一些实际应用中，当直流分量较大时，必须很高，因此难以整定。所以，本发明提出另一种解决此问题的方法。

在图4较佳实施例中，其中，和图1的测量电路相同的部分用同样标号表示，积分器与采样及保持环节之间有一中间环节，它限制了两个周期之间，施加于采样及保持环节上的电压变化的可能。这个中间环节是由运算放大器18构成的，其正极输入端接地，负极输入端经电阻R2和R3分别与积分器输出端和采样及保持环节输入端相联。放大器18输出部分经R4与采样及保持环节输入端相联，由于R4的存在使放大器18的输出阻抗人为的增大。

在开关16闭合时，中间环节的输出电压值V4就是采样及保持环节端点电容C2上的电压值V5，这个电压V5是不能突变的。当R2和R3阻值相等时，中间环节的增益等于1，当输出电压V4与输入电压V2不同时，放大器18处于饱和状态，电容以时间常数为R4C2通过电阻R4充电或放电，电容端点电压V5趋向于放大器18的饱和电压±Vsat。选择时间常数R4C2时，应使其大于开关16的闭合时间△TK2（大约150μs）。在这段时间内，电压V5只能按预先整定的值△VMaχ增加或减少：

△V_Maχ＝Vsat· (△TK2)/(R4C2)

因此，在开关16闭合的采样期间，当电压V5和V4达到V2的数值时，即积分器需要的电压变化与前面的周期相比小于△V_max时，运算放大器18不再饱和，中间环节也不再起任何作用。另一方面，如果积分器所需要的电压变化大于最大值△V_max，信号V5的有效电压变化被限制在此最大值，如图5所示。

做为例子，如果直流分量最大假定的偏差是150mv，R4和C2的值是这样选择的：应使两个周期间电压V5和V3的最大变化量限制在40mv。这意味着测量回路需要4个周期来计及这个状态的最大偏差值。由于这种变化通常是缓慢的，实际上这不会引起任何问题。然而如果出现了冲击负荷扰动，电压V5、V3的增加将限制在40mv以内，当负荷稳定时测量值也稳定下来，这样就限制了错误测量值的影响。与直流分量实际值相比较测量值偏差限制为40mv，这时直流分量的调整将不受限制。在一个100ms到1s的时间范围内，扰动的平均值实际上为零。

显然中间环节的增益并不必须为1，那么电阻R2和R3的比值必须予以考虑，以确定允许的最大变化范围。

图6表示出本发明包含有测量电路的反相器。在例举的实施例中。给出了这样一个反相器，它包含两个串联的控制开关和一个有中间抽头的电源。两个控制开关20和22被串联在直流电压源24的两端，这两个开关由一个控制电路26来交替地控制。以公知的方式，这些双向电流开关可用一个与二极管反向并联的元件来获得，这元件可以是闸流晶体管、双极晶体管或MOS管等等。输出变压器28的初级线圈一端联在两开关的公共点，另一端联结在电源24的中间抽头上。

这种类型的反相器的结构和操作在技术上是公知的，这里不再赘述。以上提到，当输出变压器初级线圈流过的电流中含有直流分量，特别是当变压器没有空气间隙时将出现饱和问题。

本发明能够对流过变压器初级线圈电流的直流分量进行测量。由交、直流分量合成的电流可以用具有霍尔效应的探测元件30来探测，元件30可提供电压信号V1来代表测量电路32中的电流，测量电路32如图4所示。测量电路32的输出信号V3被输入到调整开关闭合时间的控制电路26中，用此方法以利于消除流过变压器电流中的直流分量。当一个正的直流分量被测量到时，控制回路26将分别调整开关20和22的闭合时间，这样与电池24正极相联的开关20短时导通。这些自动控制技术是人所共知的，因此不再赘述。

很明显，本发明的测量电路不仅可以用于图6中那种反相器的输出变压器，也可用于任何类型的反相器上，无论它用两个开关，与一个中点变压器串联或并联而成，或用四个开关组成电桥形式，也无论反相器是单相还是三相的。在三相反相器中，其中两相用本发明测量电路来控制，第三相由其本身自动控制。

Claims (6)

1、在流过反相器输出变压器初级线圈电流的直流分量测量电路中，包含一个能够产生代表流过所说线圈的电流的信号测量装置，一个用来对一个周期内所测量的电流交流分量的信号进行积分的积分器，积分器的输出信号在每周期的起始点被清零，然后输出到在信号清零以前用来采样的采样和保持环节，这样提供一个代表在前一周期内出现的直流分量平均幅值的输出信号。

2、根据权利要求1的电路，其中，积分器输出信号通过一个第一个运算放大器组成的中间环节被加到采样和保持环节，运算放大器的正极输入端接地，负极输入端通过第一个电阻与积分器输出端相联，通过第二个电阻与采样和保持环节输入端相联，第一个运算放大器输出端与采样和保持环节输入端之间用第三个电阻联结，这样在取样周期内限制测量电路输出信号的最大可能变化。

3、根据权利要求1的电路，其中，积分器由第二个运算放大器组成，此放大器正极输入端接地，负极输入通过一个电容器与输出端联结，第一个常开开关与第一个电容器并联，并且在交流分量每个周期的起始点，在信号的控制下，开关短时闭合，从而使积分器清零，这个信号代表流过反相器输出变压器的电流，它是一个电压信号，通过第四个电阻加到第二个运算放大器的负极输入端上。

4、根据权利要求3的电路，其中第一个开关的控制信号来自代表电源交流分量过零点的信号。

5、根据权利要求1的电路，其中，采样和保持环节由第三个运算放大器构成，其负极输入端与其输出相联，其正极输入端通过第二个电容器接地并且通过第二个常开开关与采样和保持环节输入端相联，积分器清零以前，在一个信号的控制下，第二个开关有一个短时间闭合。

6、根据权利要求5的电路，其中第二个开关的控制信号来自代表电流交流分量过零点的信号。

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