專利名稱：電子式電流互感器的模擬信號處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量小電流的電子式電流互感器，特別是電子式電流互感器
的模擬信號處理裝置，屬于電力系統(tǒng)的測量技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景 目前電力系統(tǒng)利用的電流互感器多采用電磁式電流互感器。隨著電力系統(tǒng)的額定電壓等級和傳輸容量的大幅度提高，電磁式電流互感器明顯存在不足，難以適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。隨著光電子技術(shù)、數(shù)字信號處理、光纖通信和智能傳感器的高速發(fā)展，電子式電流互感器已成為電磁式的理想替代品。電子式電流互感器一般采用Rogowski(羅氏)線圈作為傳感頭，當被測電流通過線圈初級繞線時，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，將會在次級繞線感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號，通過測量感應(yīng)出的電壓信號，就可以得到被測電流的大小。由Rogowski線圈作為傳感頭的電子式電流互感器一般由以下幾部分組成傳感頭Rogowski線圈、高壓信號處理電路、高壓供電電源、光纖傳輸部分、低壓信號處理等。高壓信號處理電路主要完成放大、積分、濾波及調(diào)相等功能，由于測量過程中要加以過載保護措施，而背景技術(shù)都是采用兩個回路來完成測量和過載保護，因此高壓端的功耗很大，尤其測量小電流時，高壓端的供電問題很是突出。由于電路中存在著傳輸延遲、濾波環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，則輸出信號必然相對于輸入信號產(chǎn)生相位移動，因此為了滿足標準，必須要采取一定的相位補償措施。目前常用的相位校正方案的調(diào)相范圍都是在0度一180度之間，當調(diào)節(jié)度數(shù)在90度左右時，很容易實現(xiàn)，但如果在調(diào)節(jié)度數(shù)比較小的時候，就很難實現(xiàn)
實用新型內(nèi)容
本實用新型目的是提供一種電子式電流互感器的模擬信號處理裝置，利用程控放
大技術(shù)采用一條回路來完成測量和過載保護兩種功能，從而大大降低了高壓端信號處理的
功耗本實用新型的目的是提出一種適用于小電流測量的電子式電流互感器信號處理器，以
有效地降低功耗，減小高壓供電電源的壓力，解決背景技術(shù)存在的上述問題。 本實用新型目的是通過下面的技術(shù)方案實現(xiàn)的 電子式電流互感器的模擬信號處理裝置包含采樣線圈、電壓跟隨電路、程控放大電路、積分環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)、調(diào)相環(huán)節(jié)、電壓輸出電路，采樣線圈的輸出連接電壓跟隨電路，電壓跟隨電路的輸出連接程控放大電路，程控放大電路的輸出連接積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的輸出連接濾波環(huán)節(jié)，濾波環(huán)節(jié)的輸出連接調(diào)相環(huán)節(jié)，調(diào)相環(huán)節(jié)的輸出連接電壓輸出電路。[0006] 所說的程控放大電路包含取有效值電路、電壓比較電路、反相器及程控放大器，電壓跟隨電路的輸出信號分為兩路， 一路連接程控放大器，另一路連接取有效值電路，該電路輸出與電壓比較電路連接，電壓比較電路的輸出與反相器連接，反向器的輸出連接程控放大器的控制端。 電壓跟隨電路具有電壓跟隨作用，接收來自傳感頭感應(yīng)出的電壓信號并對其進行放大，得到較強的電壓信號；程控放大電路用于對信號進行進一步放大，但是放大倍數(shù)由被測電流的大小決定，即當被測電流在正常范圍內(nèi)，進行20倍放大，如果被測電流過載，則對其進行1倍放大，此電路主要由程控放大器PGA102構(gòu)成；積分電路用來把感應(yīng)電壓信號進行積分實現(xiàn)感應(yīng)電壓與被測電流的線性關(guān)系；低通濾波電路采用二階壓控電壓源低通濾波電路，以消除高頻干擾信號，取出所需的工頻13次諧波以下的信號；相位補償電路采用兩個一階全通濾波電路構(gòu)成，以實現(xiàn)對被測信號的相位補償。 本實用新型調(diào)相環(huán)節(jié)主要用于補償Rogowski線圈、積分環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)帶來的相位差，由分析計算可知，相位補償環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該在2度一10度之間。因此本實用新型的調(diào)相電路包含兩個由高精度運算放大器Max420構(gòu)成一階全通濾波電路，兩個一階全通濾波電路串聯(lián)連接，來進行相位補償。 本實用新型的有益效果由于采用程控放大技術(shù)對系統(tǒng)的功耗問題及測量精度問題進行了改進，使其具備了低功耗、高穩(wěn)定性、高精度等特點；本實用新型可應(yīng)用于電子式電流互感器，也可用于其他一些微弱信號測量系統(tǒng)的信號處理部分，因此具有很高的使用價值；由于電子式電流互感器相對于電磁式電流互感器而言具有很多獨特的優(yōu)點，是電磁式電流互感器的理想替代品，預(yù)計在未來5到10年電子式電流互感器會在各種電壓等級得點網(wǎng)中大量安裝和使用。此外，除了在電網(wǎng)中安裝使用，還可以用于便攜式電流測量，高頻電流測量、電網(wǎng)中零序電流測量和確定電網(wǎng)中的故障地點等等，因此，該實用新型專利具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1為本實用新型的信號處理器框圖。 圖中采樣線圈101、電壓跟隨電路102、程控放大電路103、積分環(huán)節(jié)104、濾波環(huán)節(jié)105、調(diào)相環(huán)節(jié)106、電壓輸出電路107。 圖2為本實用新型的電壓跟隨、程控放大電路原理圖。[0013] 圖3為本實用新型的積分電路原理圖。[0014] 圖4為本實用新型的濾波電路原理圖。[0015] 圖5為本實用新型的調(diào)相電路原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例，進一步說明本實用新型。 參照附圖l，電子式電流互感器的模擬信號處理裝置包含采樣線圈101、電壓跟隨電路102、程控放大電路103、積分環(huán)節(jié)104、濾波環(huán)節(jié)105、調(diào)相環(huán)節(jié)106、電壓輸出電路107，采樣線圈的輸出連接電壓跟隨電路，電壓跟隨電路的輸出連接程控放大電路，程控放大電路的輸出連接積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的輸出連接濾波環(huán)節(jié)，濾波環(huán)節(jié)的輸出連接調(diào)相環(huán)節(jié)，調(diào)相環(huán)節(jié)的輸出連接電壓輸出電路。 來自傳感頭Rogowski (羅氏)線圈的電壓信號經(jīng)過電壓跟隨以后， 一路信號輸出到取有效值電路，經(jīng)過與參考電壓比較以后得到控制信號去控制程控放大電路的放大倍數(shù)，電壓信號經(jīng)程控放大電路放大后輸出給積分環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)電壓信號與被測電流信號的線性關(guān)系，經(jīng)過積分后由于設(shè)計要求保留13次諧波信號，因此模擬電壓信號經(jīng)過由二階壓控電壓源的低通濾波電路，以濾除高頻干擾信號，然后信號輸出到調(diào)相環(huán)節(jié)，以對其進行相位補償，最后輸出與被測電流成正比的電壓信號到顯示儀表或者示波器觀察。 參照附圖2，其中包括電壓跟隨電路、取有效值電路、電壓比較電路、反向器、程控
放大器。 電壓跟隨電路 如圖中所示，為了提高傳感頭感應(yīng)信號的抗干擾能力，并且避免前級對后級信號
處理帶來影響，設(shè)計了用高精度運放0P290Z構(gòu)成的電壓跟隨器，此電路的特點是失調(diào)小和
漂移小(溫漂、零漂小)，適合于弱信號檢測場合。 取有效值電路、電壓比較電路、反向器、程控放大電路 傳感頭感應(yīng)信號經(jīng)過電壓跟隨以后，為了將信號進一步放大，并且實現(xiàn)同一條回路完成正常測量及過載保護雙重功能，設(shè)計了程控放大電路，被測電流正常時，實現(xiàn)對信號的20倍放大，當信號過載超過額定電流20倍時，將信號放大1倍，從而達到過載保護的目的。此部分電路由真有效值轉(zhuǎn)換器LTC1066、電壓比較器Max907、程控運算放大器PGA102構(gòu)成。 電壓跟隨電路輸出信號一路輸出給PGA102，一路輸出給真有效值轉(zhuǎn)換器LTC1966，然后將取得的有效值與參考電壓在電壓比較器MAX907中進行比較，比較的結(jié)果經(jīng)過反相器SN74AUP1G06后去控制程控放大電路的放大倍數(shù)。當被測電流小于100A時，程控放大電路的放大倍數(shù)為20倍，屬正常測量；當被測電流大于100A時，程控放大電路的放大倍數(shù)為l，達到過載保護的目的。此電路采用程控放大器PGA102是因為它具有高精度、低功耗、低溫度漂移等特點。 具體的連接方式前級傳感頭輸出的電壓信號e(t)輸入到電壓跟隨電路中0P290的2腳，電壓跟隨以后由0P290的1腳輸出。此輸出信號分為兩路，一路直接輸入到程控運算放大器PGA102的6、7、8腳作為程控放大的輸入信號，另一路輸入到LTC1966的2腳，然后由LTC1966的5腳輸出與輸入信號的有效值相對應(yīng)的直流電壓U皿。LTC1966的1、3、6、8腳接地，4、7腳分別接負電源和正電源，5腳輸出電壓U s輸入到電壓比較器Max907的2腳與參考電壓進行比較。 在電壓比較器Max907中，2腳接U s， 4腳接地，3腳接參考電壓UMf， UMf是由電阻R4和Rs接到+5V電源后分壓而得。由于被測電流為額定5A時感應(yīng)電壓信號為12. 5mV，經(jīng)電壓跟隨電路2倍放大后為25mV，則當過載20倍時，經(jīng)前置放大后電壓為0. 5V，即參考電壓Uref為0. 5V，所以R4、R5分別為9kQ禾P lkQ 。 Urms與Uref進行比較后由Max907的1腳輸出高低電平信號。當UMS < Uref，即被測電流小于100A時，比較器輸出高電平；當UMS > Uref，即被測電流大于100A時，比較器輸出低電平。 電壓比較器的輸出信號去控制程控運算放大器PGA102的增益，為了配合系統(tǒng)工作，輸出信號經(jīng)過反相器SN74AUP1G06后輸出到PGA102的1腳。 程控運算放大器PGA102的1腳接收來自前端反相器的輸出信號，2、3、4、5腳接地，6、7、8腳接收來自電壓跟隨電路的輸出信號，9、10接電阻R7和R6以對放大倍數(shù)進行調(diào)整，11、12腳接可調(diào)電阻Rs = lOOkQ以進行偏移調(diào)整，13、16腳接負、正電源，14腳懸空，15腳輸出。 參照附圖3，積分電路，由Rogowski線圈的原理可知，因為Rogowski線圈的輸出電壓與輸入電流對時間的導(dǎo)數(shù)成正比，所以需要一個積分器將di/dt信號轉(zhuǎn)換成I(t)函數(shù)
5以進行下一步處理。為了滿足整個系統(tǒng)對積分精度的要求，穩(wěn)定工作點，選用失調(diào)及溫漂小的高精度斬波式運算放大器Max430構(gòu)成帶反饋電阻的近似積分器。理想的積分器是沒有電阻Rf的，Rf的作用主要是防止較長工作時間中由于運算放大器的零漂而帶來的積分器阻塞。 參照附圖4，低通濾波電路，因為線圈感應(yīng)出的電壓信號在傳輸過程不可避免地會出現(xiàn)高頻噪聲干擾信號，并且設(shè)計要求通過13次諧波，所以在模擬信號處理系統(tǒng)中要加入濾波環(huán)節(jié)以濾除干擾信號。為了使濾波效果更好，而且對相位的影響不大，我們設(shè)計了基于巴特沃斯濾波器原理的二階壓控電壓源低通濾波器。在此二階壓控電壓源低通濾波器中，運算放大器采用的是高精度運算放大器Max420以提高系統(tǒng)精度。 參照附圖5，調(diào)相電路。由于電路中存在著傳輸延遲、濾波環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，則輸出信號必然相對于輸入信號產(chǎn)生相位移動，因此為了滿足標準，必須要采取一定的相位補償措施。目前常用的相位校正方案的調(diào)相范圍都是在0度一180度之間，當調(diào)節(jié)度數(shù)在90度左右時，很容易實現(xiàn)，但如果在調(diào)節(jié)度數(shù)比較小的時候，就很難實現(xiàn)。而在本系統(tǒng)中，調(diào)相環(huán)節(jié)主要用于補償Rogowski線圈、積分環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)帶來的相位差，由分析計算可知，相位補償環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該在2度一10度之間。因此，在此部分進行改進。在電路設(shè)計中，采用高精度運算放大器Max420構(gòu)成兩個一階全通濾波電路串聯(lián)來進行相位補償。
權(quán)利要求一種電子式電流互感器的模擬信號處理裝置，其特征在于包含采樣線圈(101)、電壓跟隨電路(102)、程控放大電路(103)、積分環(huán)節(jié)(104)、濾波環(huán)節(jié)(10)、調(diào)相環(huán)節(jié)(106)、電壓輸出電路(107)，采樣線圈的輸出連接電壓跟隨電路，電壓跟隨電路的輸出連接程控放大電路，程控放大電路的輸出連接積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的輸出連接濾波環(huán)節(jié)，濾波環(huán)節(jié)的輸出連接調(diào)相環(huán)節(jié)，調(diào)相環(huán)節(jié)的輸出連接電壓輸出電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之電子式電流互感器的模擬信號處理裝置，其特征在于所說的 程控放大電路包含取有效值電路、電壓比較電路、反相器及程控放大器，電壓跟隨電路的輸 出信號分為兩路，一路連接程控放大器，另一路連接取有效值電路，該電路輸出與電壓比較 電路連接，電壓比較電路的輸出與反相器連接，反向器的輸出連接程控放大器的控制端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之電子式電流互感器的模擬信號處理裝置，其特征在于所 說的調(diào)相電路包含兩個由高精度運算放大器Max420構(gòu)成一階全通濾波電路，兩個一階全 通濾波電路串聯(lián)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種測量小電流的電子式電流互感器，特別是電子式電流互感器的模擬信號處理裝置，屬于電力系統(tǒng)的測量技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)方案是采樣線圈(101)的輸出連接電壓跟隨電路(102)，電壓跟隨電路的輸出連接程控放大電路(103)，程控放大電路的輸出連接積分環(huán)節(jié)(104)，積分環(huán)節(jié)的輸出連接濾波環(huán)節(jié)(105)，濾波環(huán)節(jié)的輸出連接調(diào)相環(huán)節(jié)(106)，調(diào)相環(huán)節(jié)的輸出連接電壓輸出電路(107)。本實用新型的有益效果由于采用程控放大技術(shù)對系統(tǒng)的功耗問題及測量精度問題進行了改進，使其具備了低功耗、高穩(wěn)定性、高精度等特點；可應(yīng)用于電子式電流互感器，也可用于其他一些微弱信號測量系統(tǒng)的信號處理部分，因此具有很高的使用價值。
文檔編號H01F38/32GK201498355SQ20092030703
公開日2010年6月2日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者侯國強, 張慶凌, 賈春榮, 邸志剛, 郭威娜 申請人:河北理工大學(xué)