各种电压电流采样电路的设计.docx

1、各种电压电流采样电路的设计常用采样电路设计方案比较配电网静态同步补偿器 (DSTATCOM )系统总体硬件结构框图如图 2-1所示。 由图 2-1可知DSTATCOM 的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制 电路部分、 以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。 其中采样电路包 括3路交流电压、6路交流电流、 2路直流电压和 2路直流电流、电网电压同步信号。 3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号； 6路交流电流采样电路分别为电 网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号； 2路直流电压和 2路直流电流的 采样电路 DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电

2、网电压 同步信号采样电路即电网电压同步信号。图 2-1 DSTATCOM 系统总体硬件结构框图1.1 常用电网电压同步采样电路及其特点1.1.1 常用电网电压采样电路 1从 D-STATCOM 的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢 量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而 D-STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变 器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考 的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。从图 2-2 所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的 RC 滤 波

3、环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统 的输出频率，即该误差可忽略不计。其中 R5=1K ，C4=15pF，则时间常数 错误！ 未找到引用源。 l ms，因此符合设计要求 ;第二部分由电压比较器 LM311 构成， 实现过零比较 ; 第三部分为上拉箝位电路， 之后再经过两个非门， 以增强驱动能 力，满足 TMS320LF2407 的输入信号要求 1 。1.1.2 常用电网电压采样电路 2常用电网电压同步信号采样电路 2如图2-3所示。ADMC401 芯片的脉宽调 制 PWM 发生器有专门的 PWMSYNC 引脚，它产生与开关频率同步的脉宽调制 PWM 的同步脉冲信号

4、。图 2-3 同步信号发生电路 2图 2-3 中的输入端信号取自 a 相的检测电压，经过过零检测电路后得到正负两个电平，随后进入光电隔离 TLP521 产生高电平和低电平进入 D 触发器 MC14538的正的触发使能输入引脚 A，当 A为高电平时，输出引脚 Q输出一个 脉冲，这个脉冲宽度由电阻 Rl。和电容 C 决定。当然这里希望脉冲宽度越小越 好，否则将影响 STATCOM 的输出电压与其接入点电压的同步。与此同时，可 以通过设置 ADMC401 的内部寄存器 PWMSYNCWT 寄存器与信号脉冲相匹配 2。1.1.3 常用电网电压采样电路 3电网电压同步电路可以实现精确的过零点检测， 并输

5、出高电平， 将输出信号 脉冲的上升沿输入捕获单元三即可获得同步信号 3。图2-4 即为一种常见的电网 电压同步信号产生电路。图 2-4 同步信号产生电路 3图 2-4 所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、滑线变阻器和电 压比较器 LM353 组成的缓冲环节。第二部分由电压比较器 LM353 构成，实现 过零比较。最后一部分为输入 DSP 系统箝位保护电路 31.1.4 常用电网电压采样电路 4图 2-5 同步信号产生电路 4图 2-5 所示同步电路由两部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的 RC 滤波 环节，为减小系统与电网的相位误差，该环节主要是滤除电网的毛刺干扰。滤 波电路造成的延

6、时可在程序中补偿。 第二部分由电压比较器 LM311 构成，实现 过零比较，同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信号的震荡 4。1.1.5 常用电网电压采样电路 5图 2-6 所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的 RC 滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节主要是滤除电网的谐波 干扰。滤波电路造成的延时可在程序中补偿起来。 其中凡 R341=1 K ，C341=0.luF; 第二部分由电压比较器 LM3ll 构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环来抑 制干扰和信号的振荡 2。1.2 常用交流电压采样电路及其特点1.2.1 常用交流电压采样电路 1为了实现对 STATC

7、OM 的控制，必须要检测三相瞬时电压 Ua、Ub 和 Uc 如下图 2-7 为电路一相电压采样电路 :a.电压转换电路滤波补偿电路Ua图 2-7 交流电压采样电路图电压转换电路电压转换电路通过霍尔电压传感器 CHV-50P 实现。CHV-50P 型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或小电流。磁补偿式测量，过载能力强，性能稳定可靠，易于安装，用于电压测量时，传感器 通过与模块原边电路串联的电阻 Ru1 与被测量电路并联连接，输出电流正比于 原边电压。上图电压转换电路为 a 为单相电压转换电路，这里对电阻 Ru1 和电 阻 Ru2 的选择作一些说明。由于 CHV-50

8、P的输入额定电流 In1为 10mA，本电路检测的电压是 220V的 交流电压，则电阻 Ru1消耗的功率 P1 为错误！未找到引用源。 P1 UI n1 220 10mA 2.2W(2.2) 因此电阻 Ru1选择阻值为 2.2 k ，功率为 5W 的大功率电阻。另外为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两个电容 C。当然为了更好地消除这些干扰，可 以在电压变换电路之前再加隔离变压器，那么电阻 Ru1 的选择就要对应于经过隔离变压器后电压的改变而改变。由于CHV-50P的输入额定电流 In2为50mA，为了ADMC40l 的A/D 转换通 道检测，必须把输出电流转换为电压，所以在电压传感器的输出侧

9、串联了电阻 Ru2。ADMC401 的 A/D 转换通道检测电压范围 -2V+2V ，则2VRu2 = =40 (2.3)u2 50mA由于电阻 Ru2消耗功率比较小，电阻 Ru2 选择上对功率没有特殊的要求。b.滤波补偿电路由于电压电流的检测点就是 STATCOM 接入电网的同一点，其谐波干扰还 是比较大的滤波补偿电路。 ，那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入 了滤波补偿电路包含两部分 :一部分为 RC 滤波，另一部分为相位补偿，如图上 图中所示 5。1.2.2 常用交流电压采样电路 2此三相电压采样电路包括信号放大电路， 二阶滤波电路， 单极性转换电路。 a.信号放大电路交流信号放

10、大电路见图 2-8 所示。本设计采用的互感器为国内最新的高精 度电压互感器 (SPT204A)。其中 SPT204A 实际上是一款毫安级精密电压互感器， 输入额定电流为 2mA ，额定输出电流为 2mA ，线性范围 10mA，非线性度 0.1%，相移经过补偿后小于 5。SCT254AZ 是一款毫安级精密电流互感器， 输入额定电流为 5A，额定输出电流为 2.5mA ，线性范围 020A，非线性度小于 0.1%，相移经过补偿后小于 5。由于该电压传感器采用的为 1:1 电流变电流型， 所以要在电压互感器前面加 R1，将电压信号转变为电流信号，而电流互感器就 不需要加电阻 R1。这样电压互感器副边

11、输出为电流信号，这与电流互感器副边 输出信号相似。交流信号放大电路工作原理可由下式表示 :错误！未找到引用源。 (2.4) 通过 R2 将传感器输出的电流信号转变为电压信号图 2-8 信号放大电路b.二阶滤波电路图 2-9 为二阶滤波电路，截至频率为 2.5KHz 。图 2-9 二阶滤波电路c.单极性转换电路由于设计采用的 DSP 自带的 AD ，其采样要求输入信号为 03.3V，故接入 其引脚的信号电压也不能超过 3.3V 所以必须对放大电路给出的双极性信号做 进一步处理。单极性转换电路如下图 2-10 所示6 。图 2-10 单极性转换电路1.2.3 常用交流电压采样电路 3交流电压变送器

12、以 05 V的交流电压作为输出信号。 因TMS320F2812的A/D 输入信号范围为 03 V因此必须添加合适的调理电路以满足 A/D输入的要求。交流电压调理电路见图 2-11，由图可知该电路由 3部分组成：第 1部分为射极 跟随器以提高电路的输入阻抗： 第2部分是电压偏移电路： 第3部分为箝位限幅 电路，以保证输出电压信号在 03 V ，满足TMS320F2812的A/D输入信号范围 7。1.2.4 常用交流电压采样电路 4 系统电压经过相应的传感器后， 统一变换为适当幅值的电压信号， 经调理电路后，进行 A/D 转换。图 2-12为采样电路原理图。图2-12 系统电压的采样电路从图 2-

13、12可知，系统输出电压的采样电路由四部分组成，第一部分是由 LF353的运放构成的电压跟随器， R131和 C109是为了抑制干扰。 第二部分为电平抬 升电路，将围绕零电平波动的信号提升为单极性信号， 第三部分进行跟随， 第四 部分为进入 A/D前的保护部分，防止信号异常导致 DSP芯片损坏 4。1.2.5 常用交流电压采样电路 5相电压检测电路如图 2-13所示，该电路采用了运算放大器加电压跟随器的方 式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在 A/D入口前进行阻抗匹配。在 A/D 入口 端采用二极管钳位，防止 A/D 输入电压越界。来自检测通道的电压互感器的电流 号经运算放大器转换为电压信号后经

14、电压平移后将交流量信号转换为 03.3V的单极性电压信号接入 DSP的A/D通道引脚 8。图 2-13 相电压采样电路1.3常用交流电流采样电路及其特点1.3.1 常见交流电流采样电路 1a.电流转换电路图2-14电流转换电路，其中 CT为霍尔电流传感器 DT50-P，它的性能也稳 定可靠，易于安装。如何选择电阻 R 比较简单，可以参考上面交流电压转换电 路，这里就不再赘述。+15V滤波补偿电路电流转换电路图 2-14 交流信号采样电路DT-50P+15V-15V图 2-15 电流转换电路b.滤波补偿电路由于电压电流的检测点就是 STATCOM 接入电网的同一点，其谐波干扰还 是比较大的滤波补

15、偿电路。那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入 了滤波补偿电路包含两部分 :一部分为 RC滤波，另一部分为相位补偿，如图 2-165所示 。图 2-16 滤波补偿电路1.3.2 常见交流电流采样电路 2a.信号放大电路交流信号放大电路见图 2-17 所示。本设计采用的互感器为国内最新的高精 度电流互感器 (SCT254AZ) 。SCT254AZ 是一款毫安级精密电流互感器，输入额 定电流为 5A，额定输出电流为 2.5mA，线性范围 020A，非线性度 0.1%，相 移经过补偿后小于 5。因电流互感器输出的是电流信号，故电流互感器就不需 要加电阻 R1。图 2-17 电流信号放大电路b.

16、二阶滤波电路图 2-18 为二阶滤波电路，截至频率为 2.5KHz图 2-18 二阶滤波电路c.单极性转换电路由于设计采用的 DSP 自带的 A/D ，其采样要求输入信号为 03.3V，故接入 其引脚的信号电压也不能超过 3.3V 所以必须对放大电路给出的双极性信号做 进一步处理。单极性转换电路如下图 2-19 所示6 。图 2-19 单极性转换电路1.3.3 常见交流电流采样电路 3相电流检测电路如图 2-20 和所示，该电路采用了运算放大器加电压跟随器 的方式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在 A/D 入口前进行阻抗匹配。在 A/D 入口端采用二极管钳位，防止 A/D 输入电压越界。来自检

17、测通道的电流互 感器的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换 为03.3V的单极性电压信号接入 DSP的A/D 通道引脚8。图 2-20 相电流检测电路1.3.4 常见交流电流采样电路 4霍尔电流传感器以 -100+100 mA 的交流电流作为输出信号， TMS320F2812 的A/D 输入信号范围为 03 V因此必须添加合适的调理电路以满足 AD输入 的要求。交流电流调理电路见图 2-21,与交流电压调理电路不同的是第 1部分是 经电容 C4滤波后流经精密采样电阻尺 ，将电流信号变换为电压信号， 第2部分是 由运放构成的反相器： 第3部分为箝位限幅电路， 以保证输出

18、电压信号在 03 V， 满足TMS320F2407的A/D输入信号范围 7。图 2-21 交流电流信号采样电路1.3.5 常用交流电流采样电路 5电流采集采用 TA1014-2K 卧式穿芯微型精密交流电流互感器， 其额定输入 为 5A ，额定输出为 2.5mA，工作频率范围为 20Hz20kHz，相移小于 5，线性 范围大于 10A，非线性度小于 0.1%，是比较理想的交流电流检测器件。图 2-22 为电流采集电路原理图。图 2-22 交流电路采样电路由于 DSP 的 A/D 输入信号范围为 03.3V，而经电流互感器测得的电流信 号经转化后变成 -1.5V+l.5V 的交流信号，故对其进行了

19、 1.5V 的平移9 。1.4常用直流电压采样电路及其特点1.4.1 常用直流电压采样电路 1a.直流电压传感器采用 LEM 公司的电压传感器 LV100。LV100 为霍尔效应的闭 环电压传感器， 所以有非常良好的原副边隔离作用， 可测的电压范围为 100V 2500V。图 2-23为直流电压采样电路图。电压传感器 LV100 有如下优点： 精度高；线性度好；频带宽；抗干扰能力强 10 。+LV100图 2-23 直流电压采样传感器电压传感器 LV100 的原边额定有效电流为 10mA, 在原边为额定电流时传感 器精度最高。采样电阻 R1 =80千欧,按原副边 1:5的变比设计，副边电流为

20、50 mA， 副边采样电阻为 150欧，原边电压为 800V 时副边电压为 7.5V。副边信号经二 阶滤波电路以减小干扰， 由于采样直流信号， 滤波器截止频率可以选取的较低， 实际设计的滤波器截止频率为 2k Hz 。b.电压检测电路图 2-24 电压检测电路 1 霍尔电压传感器及采样电阻采集的直流电容电压从 Udc端输入图 2-24 的模拟电 路，经电位器调节使 U16A的 3脚变化范围限制在 03.3V，同时用 RC 滤波器滤 除输入信号的噪声， 03.3V 的电压信号经过电压跟随器，电压跟随器可保证在 进行电阻匹配时防止其输入输出电路的电阻干扰。电压跟随器输出接的 R64=51欧。电阻是

21、 DSP 接口的电阻要求， DSP 接口端的串联二极管是为了确保输入 DSP 的电平限制到 03.3V3。1.4.2 常用直流电压采样电路 2 直流电压的采样电路与交流电压采样电路略有不同，如图 2-25 所示 :图 2-25 直流电压采样电路 2直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点，其一，因为传感器不同，前者 采用直流电压霍尔，输出信号为电流信号，后者为电压变送器，输出信号为交流信号，因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号 ;其二，前者信号为直流信号的，后者为交流信号的，因此，直流电压采样不用电压偏 移1。1.4.3 常用直流电压采样电路 3 直流侧电容电压的采集是经过两

22、个电阻分压后， 接二个电压跟随器， 同样电压跟随器起防止电压冲击的作用。输出端加入钳位二极管，把电压钳制在 3.3V 以内，输出信号接入 DSP的ADCIN 端口，如图 2-26所示9 ：图 2-26 直流电压采样电路 31.4.4 常用直流电压采样电路 4目前，对于直流电压的精确检测基本上都是基于磁补偿原理进行的，又因 为本系统直流侧电压值较高，而直流电压传感器本身电流又很小，故从采用均 压以后的电容器组上，可以只采一定比例的直流电压，不会影响测量精度，同 时还保证了器件的安全性。作为磁补偿的结果，传感器输出信号为一精确的电 流信号，直流电压采样电路设计如图 2-27 所示4 :图 2-27

23、 系统直流电压采样电路 41.4.5 常用直流电压采样电路 5因直流电路对电压的精度要求低， 对直流电压的采样电路直接用 DSP 内部 的 A/D ，如图 2-28 所示 :图 2-28 系统直流电压采样电路 5直流电压与交流电压采样电路不同主要有两点 :其一，因为传感器不同，前者采 用直流电压霍尔，输出信号为电流信号，后者为电压变送器，输出信号为交流 信号，因此直流采样电路前端需接地电阻将电流信号转换为电压信号 ;其二，前 者信号为直流信号，后者为交流信号，因此选用的 A/D 精度和类型不一样 2。1.5常用直流电流采样电路及其特点直流电流采样电路设计与直流电压采样电路完全一样， 只是前端的

24、采样器件 不同，这些器件对用户的接口统一为电流信号，这里就不再讨论。2 采样电路设计上一章写到 3路交流电压、 6路交流电流、 2路直流电压和 2路直流电流、 电网 电压同步信号的采样电路的各种常见采样电路， 可以看出采样电路的发展已经比 较成熟，但如何设计出自己需要的采样电路，这将是下面要讨论的问题。2.1电网电压同步信号采样电路设计DSTATCOM 的工作与同步信号有密切的关系， 所有的动作都要以同步信号 作为参考，故硬件上的同步电路是不可或缺的。同步信号的产生有多种方法。 第一种方法为最简单的过零同步，即对系统三相电压进行处理后取出一相基波 正序电压作为同步信号，把该同步信号的过零时刻作

25、为脉冲发生器的同步点， 通过测量连续两个正向过零点之间的时间作为周期计算出同步信号的频率，因此只能一个周期测得一次频率，在系统频率突变时，容易因无法跟踪系统频率 变化而使 DSTATCOM 过流。第二种方法为采用锁相环技术，由于在同步信号 频率突变时锁相环具有较长的延时，因此也容易导致 DSTATCOM 过流。第三 种方法为采用“虚拟转子”法，对三相同步电压信号进行处理，得到脉冲的同 步点和同步信号的频率。 采用这种方法的优点是可以同时测量同步信号的频率， 从而使脉冲发生器在系统同步信号发生突变时能保持与系统同步，保证 DSTATCOM 不因同步信号的突变而过流。 由于设计要求不是特别高， 本

26、装置采 用第一种方法得到同步信号。图 3-1 D-STA TCOM 系统同步电路如图 3-1 可知，同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的 RC滤波环节，为减小 DSTATCOM系统与电网的相位误差， 该环节主要是滤除 去电网的噪声干扰，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误 差可忽略不计。其中 R1=1000 ，C1=0.1uF,则时间常数 T=RC=1 错误！未找到 引用源。 10 4S1 mS,因此符合设计要求，且滤波电路中造成的延时可在程序 中补偿。第二部分由电压比较器 LM311 构成，实现过零比较，同时设计了一个 滞环环节来抑制干扰和信号的震荡。第三部分为上

27、拉箱位电路，之后再经过两 个非门，以增强驱动能力，满足 TMS320LF2407 的输入信号要求。2.2交流电压采样电路设计电压转换电路通过霍尔电压传感器 CHV-50P实现，如图 3-2所示。CHV-50P 型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或 小电流。磁补偿式测量，过载能力强，性能稳定可靠，易于安装，用于电压测 量时，传感器通过与模块原边电路串联的电阻 Ru1 与被测量电路并联连接， 输出电流正比于原边电压。+15VCOMU a(out)CHV-50PUa Ru1图 3-2 电压转换电路220V 的(3.1)由于 CHV-50P 的输入额定电流 In1 为

28、10mA，本电路检测的电压是交流电压，则Ru1= U = 220V =2.2kIN1 10mA电阻 Ru1 消耗的功率 P1，为P1=220V 10 mA=2.2KW(3.2) 因此电阻 Ru1选择阻值为 2.2 K ，功率为 5W 的大功率电阻。另外为了抑制共模干扰，在交流输入侧并联了两个电容 C。当然为了更好地消除这些干扰，可以在电压变换电路之前再加隔离变压器， 那么电阻 Ru1 的选择就要对应于经过隔 离变压器后电压的改变而改变。由于 CHV-50P 的输入额定电流 In2 为 50mA，为了交流电压采样电路检测， 必须把输出电流转换为电压， 所以在电压传感器的输出侧串联了电阻 Ru2。

29、交流 电压采样电路采样电压范围 -5V+5V ，则由于电阻 Ru2消耗功率比较小，电阻 Ru2 选择上对功率没有特殊的要求。根 据选用的电压传感器，交流电压采样电路如图 3 所示：图 3-3 交流电压采样电路从图 3-3 可以看出系统输出电压的采样电路由四部分组成，第一部分是由 TL084 的运放构成的射极跟随器，其中 R3 和 C4是说为了抑制干扰，且时间常 数T=RC=10000 220pF=2.2 10 6S1 ms,符合实际要求 ;第二部分是由两个电阻 和一个电压源组成的电压偏移电路，因目标信号为交流信号，而经过霍尔传感 器采样得出的信号也为交流信号 0士 5V，而系统 CPU 的 A

30、/D 输入电平要求为 03.3V，因此，需要进行电压偏移，该电路原理简单，不再赘述。第三部分也 为射极跟随器 ;第四部分为箝位限幅电路， 保证采样信号的幅值在 03.3V 之间， 满足 TMS320LF2407 的输入信号要求。采样电路中，经常用到电压跟随器，电压跟随器，顾名思义，就是输出电 压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻 抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更 低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出 阻抗一般比较高，通常在几

31、千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那 么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压 跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好 处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高 品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离。2.3交流电流采样电路设计1.电流转换电路参考上面常见交流电流采样电路的设计，传感器选择霍尔电流传感器 DT50-P，它的性能也稳定可靠，易于安装。如何选择电阻 R8 的阻值，根据后面 交流信号调理电路的输入要求而定， 调理电路需输入 -5V+5V 的交流电压信号， 则：3.4)R8= IUNN即可确定 R8 的阻值+15VI o2DT-50P-15V R8图 3-4 电流转换电路在图 3-5中，电流实际值经过霍尔传感器及采样电阻后， 转换成 5V 电压信 号(Io2)，此5V信号是反向的。 Io2先进行滤波处理， 滤除噪声干扰其中滤波电阻 电容的选择应该满足时间常数小于 1ms的要求，