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[導(dǎo)讀]目前,工業(yè)市場呈現(xiàn)出更高電能利用率的趨勢,這就要求不斷改進(jìn)對電源系統(tǒng)的監(jiān)控。對電源的適當(dāng)管理與分配對工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能與總體電源利用情況非常重要。在制定決策和確保適當(dāng)保護(hù)輸電網(wǎng)與最終用戶時,準(zhǔn)確、實時的測

目前,工業(yè)市場呈現(xiàn)出更高電能利用率的趨勢,這就要求不斷改進(jìn)對電源系統(tǒng)的監(jiān)控。對電源的適當(dāng)管理與分配對工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能與總體電源利用情況非常重要。在制定決策和確保適當(dāng)保護(hù)輸電網(wǎng)與最終用戶時,準(zhǔn)確、實時的測量尤為重要。

  圖1示出了必須測量三相涌流時的典型高壓電力傳輸系統(tǒng)。對所生成的極高電壓必須進(jìn)行隔離和衰減,以便與低電壓測量及相應(yīng)控制系統(tǒng)的輸入容量相匹配。通過電源變壓器進(jìn)行第一級高電壓隔離。例如,來自發(fā)電站的220 kV電壓可轉(zhuǎn)換成只有220V的較低電平。由于這一電壓對于當(dāng)前的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)還是太大,因此需要進(jìn)一步進(jìn)行三相隔離。下一步是將220V的電壓轉(zhuǎn)換成可測量的±10V信號,以提供必需的控制與保護(hù)電路。負(fù)載電流測量也需要相同的隔離、測量、控制與保護(hù);通過高壓變壓器可以重復(fù)上述操作,以降低電壓。

  

 

  盡管輸入頻率相對較低,但每次測量的時序非常重要,這一配置使我們必須對多個通道同時進(jìn)行測量。

  

電壓與電流測量較常見的解決方案之一就是使用高壓組件。來自變壓器或變流器的信號經(jīng)濾波后可通過運算放大器加以緩沖,變壓器與運算放大器之間的必須有一個電阻、電容(RC)濾波器,用以限制電壓尖峰與輸入電流,圖2示出了采用這一配置的典型應(yīng)用電路。

 

  R1與C1可濾除變壓器可能產(chǎn)生的電壓尖峰。輸入電阻器R1還有助于限制瞬態(tài)輸入電流并保護(hù)運算放大器的高阻抗、非反相輸入引腳。經(jīng)R2與C2再次濾波可將運算放大器與電荷注入器件暫時隔離。電荷注入器件通常與當(dāng)前的逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)ADC關(guān)聯(lián)。通過這種方法,可以對變壓器(通常為20 Vpp或±10 Vpp)的輸出電壓進(jìn)行緩沖并將其傳遞給ADC輸入端。

  不過,這款簡單的電路也存在一些缺點。首先必須使用三個電源才能讓這個電路正常工作(這也是最大的缺點):運算放大器與ADC的模擬部分分別需要一個±12 V的電源,處理器接口需要一個5 V電源。這三個電源必須專門用于電路的模擬測量部分,不能從用于數(shù)字處理或中繼驅(qū)動器的任何有噪聲的輔助電源派生。同時,這些要求使得電路板布局變得極為復(fù)雜,并且不可避免地增加了多層印刷電路板(PCB)的設(shè)計成本。第二個問題在于有限的組件數(shù)量:只有少數(shù)幾家制造商能夠提供具有±10 V輸入電壓的ADC。

  另一個解決方案是利用低壓組件進(jìn)行電源測量。在這一特定的情況下,我們所提及的組件都是使用低成本的5 V單電源進(jìn)行模擬測量。圖3示出了使用這些低成本、低電壓組件的建議解決方案。來自隔離變壓器的±10 V信號直接傳輸至差動放大器(例如TI公司的INA159)的輸入端。100 kΩ電阻器的高輸入阻抗與±30 V的最大輸入電壓使得這一連接成為可能。另外還可對內(nèi)部電阻器進(jìn)行微調(diào),以達(dá)到最佳的線性度及共模抑制比(CMRR)。

  

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  隨后可對輸出信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并衰減到0.5 V ~ 4.5 V,然后直接傳輸?shù)紸DC(例如TI公司的ADS8365)。這款全新的16位6通道同步采樣的低功耗SAR轉(zhuǎn)換器通過6個ADC提供固有的采樣和保持特性,該器件可用于電源測量應(yīng)用。在該應(yīng)用中,測量三相電壓與三相電流。

  第三種可選解決方案是使用ΔΣ ADC來轉(zhuǎn)換輸入信號。使用ΔΣ ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量的主要優(yōu)勢之一是可以使用數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器不僅能夠濾除轉(zhuǎn)換器的量化噪聲,而且還能以固有的方式對此類應(yīng)用中存在的較大噪聲定形,并將其排除在信號頻帶之外。在某些測量中除采用前面提到的6通道外還增加了另外兩個通道。在這些情況下,也可以測量零線(neutral line)電壓與電流。ΔΣ轉(zhuǎn)換器(例如TI公司的ADS1204)具有四個16位性能獨立的ΔΣ調(diào)制器。通過使用兩個ADS1204轉(zhuǎn)換器,可以同時從8個輸入通道獲得測量數(shù)據(jù)。

  

圖4說明了四通道解決方案。INA159可對來自變壓器的輸入信號進(jìn)行衰減并調(diào)節(jié)電平。ADS1204將此信號數(shù)字化,并提供位流輸出。可編程數(shù)字濾波器(本例中為TI公司的AMC1210)可處理該位流并提供16位二進(jìn)制輸出,DSP或微控制器可利用該輸出提供測量與控制算法功能。在這一特定的情況下,對于實時工業(yè)測量,推薦使用TI公司的TMS320F280x。

 

  總結(jié)

  當(dāng)系統(tǒng)電源監(jiān)視設(shè)備的設(shè)計存在非常高的電壓時,可以使用現(xiàn)有的組件來創(chuàng)建簡單、高性能、低成本電壓與電流測量解決方案,上述解決方案僅為其中的幾種而已。還有兩種簡單易用的方法:具有附加對被測信號模擬濾波功能的SAR轉(zhuǎn)換器以及具有固有數(shù)字濾波器的ΔΣ轉(zhuǎn)換器。這兩款解決方案均可提供高性能測量。然而關(guān)于采從歷史的角度來看,發(fā)電站電壓和電流測量之間的隔離由變壓器提供,并且已被公認(rèn)為是成本最低的、長期可靠的解決方案。

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