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）系统总体件结构框图如图21所 示。山图21可知DSTATC0M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：电网电压同步信号采样电路即电网电

2、压同步信号。图2J DSTATCOM系统总体硬件结构框图L1常用电网电压同步采样电路及其特点111常用电网电压釆样电路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 矢幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而DSTATCOM匸作在感性或容性状态都可山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，系统电压与电网电圧的同步问题就显得尤为重要。从图22所示同步电路由三部分组成，第一部分是山电阻、电容组成的RC滤 波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统 的输出

3、频率，即该误差可忽略不计。其中G=15pF,则时间常数T = RC=1.5X1O-S1 ms,因此符合设讣要求；第二部分山电压比较器LM31I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1.1.2常用电网电压采样电路2常用电网电圧同步信号采样电路2如图23所示。ADMC40I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。图2-3同步信号发生电路2图23中的输入端信号取自n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

4、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，这个脉冲宽度山电阻用。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 冲相匹配叫1.13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I叽图2-4即为一种常见的电 网电圧同步信号产生电路。图2-4同步信号产生电路3图24所示同步电路山三部分组成，第一部分是山电阻、滑线

5、变阻器和电 压比较器LM353组成的缓冲环节。第二部分山电压比较器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【311丄4常用电网电压采样电路4常用网电压同步信号产生电路4如图2-5所示:图25同步信号产生电路4图25所示同步电路III两部分组成，第一部分是III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 波电路造成的延时可在程序中补偿。第二部分山电压比较器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。1丄5常用电网电压采样电路5图26所示同步电路山三部分组成，第一部分是山电阻、电容组

6、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a,C34i=0JuF;第二部分山电压比较器LM3I1构成，实现过零比较，同时设i|了一个滞环来抑制干扰和信号的振荡1讥1.2常用交流电压釆样电路及其特点 121常用交流电压采样电路1为了实现对STATCOM的控制，必须要检测三相瞬时电压S、Ub和以。如下图2-7为电路一相电压采样电路:a.电压转换电路 1 -15?1I1 -j- cLCcav-50?11V1V1 r 1 15VR2Ri(ZoSI图27交流电压采样电路图电圧转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实

7、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，性能稳定可黑，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凡1与被测量电路并联连接，输出电流正比 于原边电压。上图电圧转换电路为a为单相电压转换电路，这里对电阻心和 电阻心2的选择作一些说明。山于CHV-50P的输入额定电流h为lOmA,本电路检测的电压是220V的交流电压，则TJ 220VU =2.2KQni lmA(2.1)电阻Rui消耗的功率戸为(2.人=叫=220xl0b4 = 22W因此电阻Rui选择阻值为2.2kQ,功率为5W的大功率电阻。另

8、外为了抑制共 模干扰，在交流输入侧并联了两个电容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Rui的选择就要对应于经过 隔离变圧器后电压的改变而改变。山于CHV-50P的输入额定电流屁为50mA,为了 ADMC40I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串联了电 阻心2。ADMC401的A/D转换通道检测电压范ffl2V+2V,则2VR沪一=40Q4 50mA(23)山于电阻心2消耗功率比较小，电阻选择上对功率没有特殊的要求。b滤波补偿电路山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

9、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122常用交流电压采样电路2此三相电压釆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信号放大电路交流宿号放大电路见图28所示。本设讣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25mA,线性范W 02

10、0A,非线性度小于0.1%,相移经过补偿后小于5山于该电压传感器釆用的为1:1电流 变电流型9所以要在电压互感器前面加R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这样电压互感器副边输出为电流信号，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:U1 = iixRz(24)通过/?2将传感器输出的电流信号转变为电压信号图信号放大电路b二阶滤波电路图29为二阶滤波电路，截至频率为2.5KHzo图2-9二阶滤波电路C单极性转换电路由于设il采用的DSP自带的AD,其采样要求输入信号为033V,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

11、号做进一步处理。单极性转换电路如下图210所示161。图2J0单极性转换电路123常用交流电压采样电路3交流电压变送器以05 V的交流电压作为输出信号。因TMS320F2812的A/D输入信号范ffl为03 V.因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入的要求极跟随器.限幅电路,交流电压调理电路见图2-11,山图可知该电路由3部分组成：第1部分为射以提高电路的输入阻抗：第2部分是电压偏移电路：第3部分为箝位图211交流电压信号调理电路以保证输出电压信号在03 V,满足TMS320F2812的A/D输入信号124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圧信号，经调

12、理电路后，进行A/D转换。图212为釆样电路原理图。图212系统电压的采样电路从图2-12可知，系统输出电压的釆样电路山四部分组成，第一部分是山LF353的运放构成的电压跟随器，&31和Go9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询的保护部分，防止信号异常导致DSP芯片损坏。125常用交流电压釆样电路5相电压检测电路如图213所示，该电路釆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

13、 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033V的单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚。Ikf r11T rlA-2图213相电压采样电路13常用交流电流采样电路及其特点 1.3.1常见交流电流釆样电路1 a.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 稳定可鼎，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。DT-50P-宦枝i卜e电路图214交流信号采样电路+15VDT-50P-15V图25电流转换电路b滤波补偿电路山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

14、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216所示R3R2IoR1R1RI图216滤波补偿电路1.3.2常见交流电流釆样电路2 a.信号放大电路交流信号放大电路见图217所示。本设计采用的互感器为国内最新的髙 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 O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用。b二阶滤波电路图218为二阶滤波电路，截至频率为2

15、.5KHZ图2-18 r阶滤波电路C单极性转换电路山于设计采用的DSP自带的A/D,其采样要求输入信号为033V,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219所示向。图2J9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220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AZD入口端采用二极管钳位，防止AZD输入电压越界。来自检测通道的电 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033V的单极性电压信号接入

16、DSP的A/D通道引脚【叭134常见交流电流釆样电路4霍尔电流传感器以100+100 mA的交流电流作为输出信号，TMS320F28I2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。交流电流调理电路见图221,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圧信号，第2部分 是山运放构成的反相器：第3部分为箝位限幅电路，以保证输出电压信号在03V.满足TMS320F2407的A/D输入信号范围叫H图221交流电流信号采样电路1.3.5常用交流电流采样电路5电流采集釆用TA1014-2K卧式穿芯微型精密交流电流互感

17、器，其额定输 入为5A,额定输出为25mA,丄作频率范M为20Hz20kHz,相移小于5， 线性范W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。山于DSP的A/D输入信号范ffl为033V,而经电流互感器测得的电流信号经转化后变成亠5V+15V的交流信号，故对其进行了 1.5V的平移【91。14常用直流电压采样电路及其特点L4.1常用亶流电压采样电路1 a.直流电压传感器采用LEM公司的电压传感器LVlOOo LVI00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100V2500V。图2-23为直流电压采样电路

18、图。电压传感器LV100有如下优精度高；线性度好；频带宽；抗干扰能力强:灯。LVIOO图223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/?.=80千欧，按原副边1:5的变比设计，副边电流为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，山于采样直流信号，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2kHz。b电压检测电路图2-24电压检测电路1霍尔电压传感器及釆样电阻采集的直流电容电压从Sc端输入图2-24的模拟 电路，经电位器调节使S6A的3脚变

19、化范用限制在O33V,同时用RC滤波 器滤除输入信号的噪声，033V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/?w=51欧。电阻是DSP接口的电阻要求，DSP接口端的审联二极管是为了确保输入DSP的电平限制到O33Vl3l。1.4.2常用直流电压采样电路2直流电圧的采样电路与交流电压采样电路略有不同，如图225所示: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，询者 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，因此直流釆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

20、者宿号为直流信号的，后者为交流信号的，因此，直流电压采样不用电 圧偏移I讥1.4.3常用宜流电压采样电路3直流侧电容电压的采集是经过两个电阻分压后，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226所示叫图226宜流电压采样电路31.4.4常用直流电压采样电路4U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，乂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乂很小，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

21、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il如图227所示叫图2-27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228所示:图228系统宜流电压采样电路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 一样叫1.5常用直流电流采样电路及其特点直流电流采样

22、电路设计与直流电压采样电路完全一样，只是前端的采样器 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 基波正序电圧作为同步信号

23、，把该同步信号的过零时刻作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 a流。第二种方法为采用锁相环技术，山于在同步信号频率突变时锁相环具有较氏的延时，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il要求

24、不是特别高，本装置采用第一种方法得到同步信号。图3-1 D-STATCOM系统同步电路如图31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/?|=1000 n- Ci=O.lwE则时间常数T=RC=1X 1OS1mS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。第二部分山电压比较器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。第三部分为上拉箱位电路，之后再经过两个非门，以增强驱动能力，

25、满足TMS320LF2407的输入信号要求。2.2交流电压釆样电路设计电压转换电路通过霍尔电圧传感器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，性能稳定可寤，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Ran与被测量电路并联连接，输出电流正比于原边电压。Ua RMfl5VUaioul)CHV-50PCOM T C-15VRii2图32电压转换电路山于CHV-50P的输入额定电流崗为10mA,本电路检测的电压是220V的交流电压，则N 10mA(3.1)电阻航1消耗的功率P

26、l,为Pi=220VX10mA=22KW(3.2)因此电阻Rn选择阻值为2.2 KO,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，那么电阻凡I的选择就要对应于经过隔离变圧器后电压的改变而改变。山于CHV-50P的输入额定电流/a2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审联了电阻Ru”交流电压采样电路采样电压范H-5V+5V,则(33)心厶旦= 100。“ /也 50mA山于电阻几2消耗功率比较小，电阻尺心选择上对功率没有特殊的要求。根据选用的电

27、圧传感器，交流电圧采样电路如图3所示:图3-3交流电压采样电路从图33可以看出系统输出电压的采样电路III四部分组成，第一部分是山TL084的运放构成的射极跟随器，其中凡和C4是说为了抑制干扰，且时间常数T=RC=10000nx220pF=2.2xl0-S 1 ms 符合实际要求;第二部分是山两个电 阻和一个电圧源组成的电压偏移电路，因U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/D输入电平要求为033V,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033V之间，满足TM

28、S320LF2407的输入信号要求。釆样电路中，经常用到电压跟随器，电压跟随器，顾名思义，就是输出电 圧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lo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，输入阻抗要达到儿兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到儿欧姆，其 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，通常在儿千欧到儿十千欧，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

29、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询提保证。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。如何选择电阻心的阻值，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:R8(3.4)R拌In即可确定心的阻值+15V762DT-50P-15V图34电流转换电路在图35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（/。2），此5V信号是反向的。先进行滤波处理，滤除噪声干扰其中滤

30、波 电阻电容的选择应该满足时间常数小于Ims的要求，因此可选R9为100千 欧，C6为220pF;再经过理想运算放大器的电圧并联负反馈将转换成DSV-+3.3V的信号;经过33V的电平抬升电路及平均处理使得电圧跟随器的输入为 033V单极性信号，其中用3、Rm的阻值只要相同就可以，在这里选阻值为 10千欧的电阻，即安全乂符合要求;最后经过两个吊联二极管的限幅，确保输 入DSP的信号为033V,以保证不会烧毁DSP,系统各元件参数及型号如图35中所示用5=1KQ。各相的电流采样方法原理相同。24直流电压采样电路设计1直流电压传感器采用LEM公司的电压传感器LVlOOo 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ffl为iOOV2500V。图3-6为直流电压釆样电路图。电压传感器LVI00有如下优点：精度高；线性度好；频带宽：抗干扰能力强。+KTLV1OO图36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lOMa在原边为额定电流时传 感器