各種電壓電流采樣電路的設計

1、常用采樣電路設計方案比擬配電網靜態(tài)同步補償器(DSTATCOM )系統總體硬件結構框圖如圖2-1所示,由 圖2-1可知DSTATCOM的系統硬件大致可以分成三局部，即主電路局部、控制 電路 局部、以及介于主電路和控制電路之間的檢測與驅動電路。其中采樣電路包 括3路交流電壓、6路交流電流、2路直流電壓和2路直流電流、電網電壓同步信號3路交流電壓米樣電路即米樣電網三相電壓信號； 6路交流電流米樣電路分別為電 網 側三相電流和補償側三相電流的電流采樣信號； 2路直流電壓和2路直流電流的 采樣 電路DSTATCOM的橋式換流電路的直流側電壓信號和電流信號；電網電壓 同步信號米樣電路即電網電壓同步信號控

2、制電路廠一 ？一TMS320LF2407ADSP 亍 電壓電 流信號電路檢測與驅動電路主電路;|圖2-1 DSTATCOM 系統總體硬件結構框圖1.1常用電網電壓同步采樣電路及其特點常用電網電壓采樣電路 1從D-STATCOM的工作原理可知，當逆變器的輸出電壓矢量與電網電壓矢量幅值大小相等，方向相同時，連接電抗器內沒有電流流動，而D-STATCOM工作在感性或容性狀態(tài)都可由調節(jié)以上兩矢量的夾角來進行控制，因此，逆變器輸出的電壓矢量的幅值及方向的調節(jié)都是以電網電壓的幅值和方向作為參考的，因此，系統電壓與電網電壓的同步問題就顯得尤為重要。12 2同戈RC濾的輸出頻率，即該誤差可忽略不計。其中R5=

3、1 k，G=15pF ,那么時間常數: *<l ms，因此符合設計要求；第二局部由電壓比擬器從圖2-2所示同步電路由三局部組成，第一局部是由電阻、電容組成的 波環(huán)節(jié)，為減小系統與電網的相位誤差，該濾波環(huán)節(jié)的時間常數應遠小于系統LM311構成，實現過零比擬；第三局部為上拉箝位電路，之后再經過兩個非門,以增 強驅動能力，滿足TMS320LF2407的輸入信號要求。常用電網電壓采樣電路 2常用電網電壓同步信號采樣電路 2如圖2-3所示°ADMC401芯片的脈寬調制PWM發(fā)生器有專門的PWMSYNC引腳，它產生與開關頻率同步的脈寬調制PWM的同步脈沖信號圖2-3同步信號發(fā)生電路2圖2-

4、3中的輸入端信號取自a相的檢測電壓，經過過零檢測電路后得到正負兩 個電平, 隨后進入光電隔離TLP521產生高電平和低電平進入D觸發(fā)器MC14538的正的觸發(fā)使能輸入引腳 A,當A為高電平時，輸出引腳Q輸出一個 脈沖， 這個脈沖寬度由電阻 Rio和電容C決定。當然這里希望脈沖寬度越小越好，否那么將影響STATCOM的輸出電壓與其接入點電壓的同步。與此同時，可以通過設置ADMC401的內部存放器PWMSYNCWT存放器與信號脈沖相匹配20常用電網電壓采樣電路3電網電壓同步電路可以實現精確的過零點檢測，并輸出高電平，將輸出信號脈沖的上升沿輸入捕獲單元三即可獲得同步信號3。圖2-4即為一種常見的電網

5、電壓同步信號產生電路。圖2-4同步信號產生電路3圖 2-4 所示同步電路由三局部組成，第一局部是由電阻、滑線變阻器和電壓比擬器 LM353 組成的緩沖環(huán)節(jié)。第二局部由電壓比擬器 LM353 構成，實現 過零比擬。最后一局部為輸入 DSP 系統箝位保護電路 31.1.4 常用電網電壓采樣電路 4常用網電壓同步信號產生電路 4如圖 2-5 所示:圖2-5所示同步電路由兩局部組成，第一局部是由電阻、電容組成的RC濾波環(huán)節(jié)，為減小系統與電網的相位誤差，該環(huán)節(jié)主要是濾除電網的毛刺干擾。濾波電路造成的延時可在程序中補償。第二局部由電壓比擬器LM311構成，實現 過零比擬，同時設計了一個滯環(huán)環(huán)節(jié)來抑制干擾和

6、信號的震蕩4。常用電網電壓采樣電路 5圖2-6所示同步電路由三局部組成，第一局部是由電阻、電容組成的RC濾波環(huán)節(jié)，為減小系統與電網的相位誤差，該濾波環(huán)節(jié)主要是濾除電網的諧波干擾。濾波電路造成的延時可在程序中補償起來。其中凡 R341 = 1 K Q,C341= OUF ；第二 局部由電壓比擬器LM3II構成，實現過零比擬，同時設計了一個滯環(huán)來抑 制干擾和信 號的振蕩01.2常用交流電壓采樣電路及其特點常用交流電壓采樣電路 1為了實現對STATCOM的控制，必須要檢測三相瞬時電壓Ua、Ub和Uc如下列圖2-7為電路一相電壓采樣電路：UaCHV-50Pa.電壓轉換電路電壓轉換電路濾波補償電路+ 1

7、5VR3圖2-7交流電壓采樣電路圖電壓轉換電路通過霍爾電壓傳感器 CHV-50P實現。CHV-50P型電壓傳感器 輸一-15VC1 尸 2 丁 + /出端與原邊電路是電隔離的，可測量直流、交流和脈動電壓或小電流。磁補償式測量，TVS1過載能力強，性能穩(wěn)定可靠，易于安裝，用于電壓測量時，傳感器通過與模塊原邊電路串聯的電阻Ru1與被測量電路并聯連接，輸出電流正比于原邊電壓。上圖電壓轉換電路為 a為單相電壓轉換電路，這里對電阻 Ru1和電 阻Ru2 的選擇作一些說明。由于CHV-50P的輸入額定電流In1為10mA ,本電路檢測的電壓是220V的交流Ru1 =220V10mA =22KQ(2.1)電

8、壓，那么 電阻Ru1消耗的功率P1為(2.2)P UI n1 220 10mA 2.2W因此電阻Ru1選擇阻值為2.2 k Q,功率為5W的大功率電阻。另外為了抑制共 模干擾， 在交流輸入側并聯了兩個電容 C。當然為了更好地消除這些干擾，可以在電壓變換電路之前再加隔離變壓器，那么電阻Rui 的選擇就要對應于經過隔離變壓器后電壓的改變而改變。由于CHV-50P的輸入額定電流In2為50mA，為了 ADMC40I的A/D轉換通 道 檢測，必須把輸出電流轉換為電壓，所以在電壓傳感器的輸出側串聯了電阻RU2。ADMC401 的 A/D 轉換通道檢測電壓范圍 -2V+2V ，那么2VRU2=40 Q(2

9、.3)50mA由于電阻RU2消耗功率比擬小，電阻RU2選擇上對功率沒有特殊的要求。b.濾波補償電路由于電壓電流的檢測點就是 STATCOM 接入電網的同一點，其諧波干擾還 是比 較大的濾波補償電路。，那么三相電壓電流經過各自的轉換電路后必須進入 了濾波補 償電路包含兩局部 ：一局部為 RC 濾波，另一局部為相位補償，如圖上 圖中所示5 o 1.2.2 常用交流電壓采樣電路 2此三相電壓采樣電路包括信號放大電路， 二階濾波電路，單極性轉換電路。a. 信號放大電路交流信號放大電路見圖 2-8 所示。本設計采用的互感器為國內最新的高精 度電壓 互感器(SPT204A)。其中SPT204A實際上是一款

10、毫安級精密電壓互感器，輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA，線性范圍土 10mA，非線性度0.1%，相移經 過補償后小于 5' SCT254AZ 是一款毫安級精密電流互感器， 輸入額定電流為 5A， 額定輸出電流為2.5mA，線性范圍020A，非線性度小于0.1%，相移經過補償后小 于 5' 由于該電壓傳感器采用的為 1:1 電流變電流型， 所以要在電壓互感器前面加 R1， 將電壓信號轉變?yōu)殡娏餍盘枺?而電流互感器就 不需要加電阻 R1o 這樣電壓互感器副邊 輸出為電流信號，這與電流互感器副邊 輸出信號相似。交流信號放大電路工作原理可由下式表示一(2.4)通過 R2 將傳

11、感器輸出的電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘朾.二階濾波電路圖2-9為二階濾波電路，截至頻率為2.5KHZ圖2-9二階濾波電路C.單極性轉換電路由于設計采用的DSP自帶的AD，其采樣要求輸入信號為03.3V，故接入其弓腳的信號電壓也不能超過3.3V所以必須對放大電路給出的雙極性信號做進一步處理。單極性轉換電路如下列圖2-10所示。123常用交流電壓采樣電路 3交流電壓變送器以0? 5 V的交流電壓作為輸出信號。因TMS320F2812的A/D輸 入信號范圍為0? 3 V ?因此必須添加適宜的調理電路以滿足 A/D輸入的要求。交流電壓調理電路見圖2-11,由圖可知該電路由3局部組成：第1局部為射極 跟 隨器

12、.以提高電路的輸入阻抗：第2局部是電壓偏移電路：第3局部為箝位限幅 電路， 以保證輸出電壓信號在0? 3 V，滿足TMS320F2812的A/D輸入信號范圍。圖2-11交流電壓信號調理電路常用交流電壓采樣電路4系統電壓經過相應的傳感器后，統一變換為適當幅值的電壓信號，經調理電路后，進行A/D轉換。圖2-12為采樣電路原理圖圖2-12系統電壓的采樣電路從圖2-12可知，系統輸出電壓的米樣電路由四局部組成，第一局部是由LF353的運放構成的電壓跟隨器，R和Cio9是為了抑制干擾。第二局部為電平抬 升 電路，將圍繞零電平波動的信號提升為單極性信號，第三局部進行跟隨，第四 局部為進入A/D前的保護局部

13、，防止信號異常導致 DSP芯片損壞4：。常用交流電壓采樣電路 5相電壓檢測電路如圖2-13所示，該電路采用了運算放大器加電壓跟隨器的方 式， 電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在 A/D入口前進行阻抗匹配。在 A/D入口端采用 二極管鉗位，防止A/D輸入電壓越界。來自檢測通道的電壓互感器的電流 號經運算放 大器轉換為電壓信號后經電壓平移后將交流量信號轉換為03.3 V的單極性電壓信號接入DSP的A/D通道引腳。圖2-13相電壓米樣電路1.3常用交流電流采樣電路及其特點常見交流電流采樣電路 1a.電流轉換電路路,圖2-14電流轉換電路，其中CT為霍爾電流傳感器DT50-P，它的性能也穩(wěn)定可靠，易于安

14、裝。如何選擇電阻R比擬簡單，可以參考上面交流電壓轉換電DT-50PIo電流轉換電路這里就不再贅述。圖2-14交流信號采樣電路+ 15VDT-50P-15V濾波補償電路圖2-15電流轉換電路是比b.濾波補償電路由于電壓電流的檢測點就是 STATCOM接入電網的同一點，其諧波干擾還較大的濾波補償電路。那么三相電壓電流經過各自的轉換電路后必須進入了濾波補償電路包含兩局部：一局部為RC濾波，另一局部為相位補償，如圖 2-16所示。R1R2R3C1圖2-16濾波補償電路R1Io常見交流電流采樣電路2a.信號放大電路交流信號放大電路見圖2-17所示。本設計采用的互感器為國內最新的高精 度電 流互感器SCT

15、254AZ。SCT254AZ是一款毫安級精密電流互感器，輸入額 定電 流為5A，額定輸出電流為2.5mA，線性范圍020A，非線性度V 0.1%，相移經過補 償后小于5'因電流互感器輸出的是電流信號，故電流互感器就不需 要加電阻R1。b.二階濾波電路圖2-18為二階濾波電路，截至頻率為 2.5KHZC.單極性轉換電路由于設計采用的DSP自帶的A/D ,其采樣要求輸入信號為03.3V,故接入其引腳的信號電壓也不能超過3.3V所以必須對放大電路給出的雙極性信號做進一步處理。單極性轉換電路如下列圖2-19所示。圖2-19單極性轉換電路常見交流電流采樣電路 3相電流檢測電路如圖2-20和所示，

16、該電路采用了運算放大器加電壓跟隨器的方式，電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在 A/D入口前進行阻抗匹配。在 A/D入口端采用二極管鉗位，防止A/D輸入電壓越界。來自檢測通道的電流互 感器的電流號經運算放大器轉換為電壓信號后經電壓平移后將交流量信號 轉換 為03.3V的單極性電壓信號接入DSP的A/D通道引腳。FHH圖 2-20 相電流檢測電路1.3.4 常見交流電流采樣電路4霍爾電流傳感器以-100+100 mA 的交流電流作為輸出信號， TMS320F2812的 A/D 輸入信號范圍為0? 3 V ?因此必須添加適宜的調理電路以滿足A/ D輸入的要求。交流電流調理電路見圖 2-21 與交流電壓

17、調理電路不同的是 ?第 1 局部是 經電容 C 4濾波后流經精密采樣電阻尺，將電流信號變換為電壓信號，第2 局部是由運放構成的反相器：第 3 局部為箝位限幅電路，以保證輸出電壓信號在 0? 3 V, 滿足 TMS320F2407 的 A/D 輸入信號范圍 oH圖 2-21 交流電流信號采樣電路1.3.5 常用交流電流采樣電路 5電流采集采用 TA1014-2K 臥式穿芯微型精密交流電流互感器，其額定輸入為5A，額定輸出為2.5mA，工作頻率范圍為20Hz20kHz ,相移小于5'線性范圍大于10A，非線性度小于0.1%，是比擬理想的交流電流檢測器件。圖2-22為電流采集電路原理圖 o圖

18、2-22交流電路采樣電路由于DSP的A/D輸入信號范圍為03.3V，而經電流互感器測得的電流信 號經轉化后變成-1.5V+I.5V的交流信號，故對其進行了1.5V的平移：9：1.4常用直流電壓采樣電路及其特點常用直流電壓采樣電路1a.直流電壓傳感器采用LEM公司的電壓傳感器LV100。LV100為霍爾效應的閉 環(huán)電壓傳感器，所以有非常良好的原副邊隔離作用，可測的電壓范圍為100V?2500V。圖2-23為直流電壓采樣電路圖。電壓傳感器 LV100有如下優(yōu)點：精度高；線性度好；頻帶寬；抗干擾能力強10： 0+LV100圖2-23直流電壓采樣傳感器電壓傳感器LV100的原邊額定有效電流為10mA,

19、在原邊為額定電流時傳感 器 精度最高。采樣電阻R1 =80千歐'按原副邊1:5的變比設計，副邊電流為50 mA ,副 邊采樣電阻為150歐，原邊電壓為800V時副邊電壓為7.5V o副邊信號經二 階濾波 電路以減小干擾，由于采樣直流信號，濾波器截止頻率可以選取的較低 ,實際設計的濾波器截止頻率為2k Hz b.電壓檢測電路圖2-24電壓檢測電路1霍爾電壓傳感器及米樣電阻米集的直流電容電壓從Ude端輸入圖2-24的模擬電路，經電位器調節(jié)使U16A的3腳變化范圍限制在03.3V,同時用RC濾波器濾 除輸 入信號的噪聲，03.3V的電壓信號經過電壓跟隨器，電壓跟隨器可保證在 進行電阻 匹配時

20、防止其輸入輸出電路的電阻干擾。電壓跟隨器輸出接的R64=51歐。電阻是DSP接口的電阻要求，DSP接口端的串聯二極管是為了確保輸入 DSP 的電平限制到03.3V3。常用直流電壓采樣電路2直流電壓的米樣電路與交流電壓米樣電路略有不同，如圖2-25所示:圖2-25直流電壓采樣電路2直流電壓與交流電壓采樣電路不同主要有兩點，其一，因為傳感器不同，前者采用直流電壓霍爾，輸出信號為電流信號，后者為電壓變送器，輸出信號為交流信號，因此直流采樣電路前端需接地電阻將電流信號轉換為電壓信號；其二,前者信號為直流信號的，后者為交流信號的，因此，直流電壓采樣不用電壓偏移1 0143常用直流電壓采樣電路3直流側電容

21、電壓的采集是經過兩個電阻分壓后，接二個電壓跟隨器，同樣電壓跟隨器起防止電壓沖擊的作用。輸出端參加鉗位二極管，把電壓鉗制在3.3V以內，輸出信號接入DSP的ADCIN端口，如圖2-26所示9:-4.圖2-26直流電壓采樣電路3144常用直流電壓采樣電路4目前，對于直流電壓的精確檢測根本上都是基于磁補償原理進行的，又因為本系統直流側電壓值較高，而直流電壓傳感器本身電流又很小，故從采用均 壓以 后的電容器組上，可以只采一定比例的直流電壓，不會影響測量精度，同 時還保證 了器件的平安性。作為磁補償的結果，傳感器輸出信號為一精確的電 流信號，直流 電壓采樣電路設計如圖 2-27所示：的A/D因直流電路對

22、電壓的精度要求低，對直流電壓的采樣電路直接用DSP內部如圖逸所眉圖2-28系統直流電壓采樣電路5n直流電壓與交流電壓采樣電路不同主要有兩點：其一，因為傳感器不同，前者采用 直流電壓霍爾，輸出信號為電流信號，后者為電壓變送器，輸出信號為交流信號，因此直流采樣電路前端需接地電阻將電流信號轉換為電壓信號；其二，前者信號為直流信號，后者為交流信號，因此選用的A/D精度和類型不一樣。1.5常用直流電流采樣電路及其特點直流電流采樣電路設計與直流電壓采樣電路完全一樣，只是前端的采樣器件不同，這些器件對用戶的接口統一為電流信號，這里就不再討論。2 采樣電路設計上一章寫到 3 路交流電壓、 6 路交流電流、 2

23、 路直流電壓和 2 路直流電流、 電 網 電壓同步信號的采樣電路的各種常見采樣電路， 可以看出采樣電路的開展已經比 較 成熟，但如何設計出自己需要的采樣電路，這將是下面要討論的問題。2.1 電網電壓同步信號采樣電路設計DSTATCOM 的工作與同步信號有密切的關系， 所有的動作都要以同步信號 作 為參考，故硬件上的同步電路是不可或缺的。同步信號的產生有多種方法。 第一種方 法為最簡單的過零同步，即對系統三相電壓進行處理后取出一相基波 正序電壓作為同 步信號，把該同步信號的過零時刻作為脈沖發(fā)生器的同步點， 通過測量連續(xù)兩個正向 過零點之間的時間作為周期計算出同步信號的頻率，因此只能一個周期測得一

24、次頻率，在系統頻率突變時，容易因無法跟蹤系統頻率變化而使DSTATCOM過流。第二種方法為采用鎖相環(huán)技術，由于在同步信號頻率突變時鎖相環(huán)具有較長的延時，因此也容易導致DSTATCOM過流。第三種方法為采用“虛擬轉子法，對三相同步電壓信號進行處理，得到脈沖的同 步點和 同步信號的頻率。采用這種方法的優(yōu)點是可以同時測量同步信號的頻率，從而使脈沖發(fā)生器在系統同步信號發(fā)生突變時能保持與系統同步，保證 DSTATCOM不因同步信12Jr卜號的突變而過流。由于設計要求不是特別高，本裝置采用第一種方法得到同步信號。圖3-1 D-STATCOM 系統同步電路如圖3-1可知，同步電路由三局部組成，第一局部是由電

25、阻、電容組成的RC濾波環(huán)節(jié)，為減小DSTATCOM系統與電網的相位誤差，該環(huán)節(jié)主要是濾除 去電 網的噪聲干擾，該濾波環(huán)節(jié)的時間常數應遠小于系統的輸出頻率，即該誤差可忽略不計。其中 Ri=1000 ,Ci=0.1uF,那么時間常數 T=RC=1 10 4S<<1 mS,因此符合設計要求，且濾波電路中造成的延時可在程序中補償。第二局部由電壓比擬器LM311構成，實現過零比擬，同時設計了一個滯環(huán)環(huán)節(jié)來抑制干擾和信號的震蕩。 第三局部為上拉箱位電路，之后再經過兩個非門，以增強驅動能力，滿足TMS320LF2407的輸入信號要求。2.2交流電壓米樣電路設計電壓轉換電路通過霍爾電壓傳感器 CH

26、V-50P實現，如圖3-2所示。CHV-50P型 電壓傳感器輸出端與原邊電路是電隔離的，可測量直流、交流和脈動電壓或小電流。磁補償式測量，過載能力強，性能穩(wěn)定可靠，易于安裝，用于電壓測量時，傳感器通過與模塊原邊電路串聯的電阻 Ru1與被測量電路并聯連接，輸出UaCHV- 50PCOM電流正比于原邊電壓圖3-2電壓轉換電路由于CHV-50P的輸入額定電流Ini為10mA ,本電路檢測的電壓是220V的交流U a(out)Zb空Ini 10mA =2.2kQ(3.1)-15V電壓，那么 電阻Ru1消耗的功率P1,為(3.2)P1=220V X 10 mA=2.2KW因此電阻Ru1選擇阻值為2.2

27、K,功率為5W的大功率電阻。另外為了抑制共 模干擾， 在交流輸入側并聯了兩個電容C。當然為了更好地消除這些干擾，可以在電壓變換電路之前再加隔離變壓器，那么電阻Ru1的選擇就要對應于經過隔 離變壓器后電壓的改變而改變。由于CHV-50P的輸入額定電流In2為50mA，為了交流電壓采樣電路檢測，必須把輸出電流轉換為電壓，所以在電壓傳感器的輸出側串聯了電阻Ru2。交流電壓米樣電路米樣電壓范圍-5V+5V，那么5V50mA 100(3.3)圖3-3交流電壓米樣電路從圖3-3可以看出系統輸出電壓的米樣電路由四局部組成，第一局部是由TL084的運放構成的射極跟隨器，其中R3和C4是說為了抑制干擾，且時間常

28、數T=RC=10000220pF=2.2 10 6S<<1 ms,符合實際要求；第二局部是由兩個電阻和一個電壓源組成的電壓偏移電路，因目標信號為交流信號，而經過霍爾傳感器采樣得出的信號也為交流信號 0士 5V，而系統CPU的A/D輸入電平要求為03.3V, 因此，需要進行電壓偏移，該電路原理簡單，不再贅述。第三局部也為射極跟隨器;第四局部為箝位限幅電路，保證采樣信號的幅值在03.3V之間，滿足TMS320LF2407的輸入信號要求。采樣電路中，經常用到電壓跟隨器，電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特

29、點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要到達幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比擬高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比擬小，那么信號就會有相當的局部損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。 起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證。電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離。2.3交流電流采樣電路設計1.電流轉換電路參考上面常見交流電流采樣電路的設計，傳

30、感器選擇霍爾電流傳感器DT50-P，它的性能也穩(wěn)定可靠，易于安裝。如何選擇電阻R8的阻值，根據后面 交流信號調理電路的輸入要求而定，調理電路需輸入-5V+5V的交流電壓信號,那么:(3.4)Rb=IuI N即可確定R8的阻值DT-50P1亠"V1 o2-15V rR8圖3-4電流轉換電路在圖3-5中，電流實際值經過霍爾傳感器及采樣電阻后，轉換成5V電壓信號 1。2，此5V信號是反向的。1。2先進行濾波處理，濾除噪聲干擾其中濾波電阻 電 容的選擇應該滿足時間常數小于 1ms的要求，因此可選R9為100千歐，C6為220pF; 再經過理想運算放大器的電壓并聯負反響將1。2轉換成-3.3V +3.3V的 信號;經過3.3V的電平抬升電路及平均處理使得電壓跟隨器的輸入為03.3V單極性信號，其中R13、R14的阻值只