交流输入电压、电流监测电路设计

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 引言

  电子设备只有在额定电压、电流下才能长期稳定工作,因此需要设计相应的监测、保护电路,防止外部输入电压或者负载出现异常时造成设备损毁。工频交流电压、电流的大小,通常是利用它的有效值来度量的。有效值的常用测量方法是先进行整流滤波,得出信号的平均值,然后再采用测量直流信号的方法来检测,最后折算成有效值。但是由于供电主回路中存在大量的非线性电力、电子设备,如变压器、变频器、电机、UPS、开关电源等,这些设备工作时会产生谐波等干扰。大型电动设备启动、负载突然变化、局部短路、雷电等异常情况出现时,供电主回路中会出现浪涌。当这些情况发生时,供电线路上已不是理想的正弦波,采用平均值测量电路将会产生明显的测量误差。利用真有效值数字测量电路,可以准确、实时地测量各种波形的电压、电流有效值。下面介绍的监测电路安装于配电箱中,与外围保护电路一起实现对电子设备保护的功能。

  真有效值数字测量的基本原理

  电流和电压的有效值采集电路原理基本相同,下面以电压真有效值为例进行原理分析。所谓真有效值亦称真均方根值(TRMS)。众所周知,交流电压有效值是按下式定义的:

 

 

 

  分析式(1)可知,电路对输入电压u进行“平方→取平均值→开平方”运算,就能获得交流电压的有效值。因这是由有效值定义式求出的,故称之为真有效值。

  若将式(1)两边平方,且令,还可以得到真有效值另一表达式URMS=

  式(3)中,Avg表示取平均值。这表明,对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算,也能得到交流电压有效值。式(3)比式(2)更具有实用价值。由于同时完成两步计算,与分步运算相比,运算器的动态范围大为减小,既便于设计电路,又保证了准确度指标。美国模拟器件公司(ADI)的AD536、AD637、AD737系列单片真有效值/直流转换器,即采用此原理设计而成。

  而凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的转换过程中采用一个∆∑调制器作除法器,一个简单的极性开关作乘法器。相比采用对数/反对数电路的产品,号称有更好的线性度,增益受温度影响更小。

  另一方面,在计算机采集系统中U(t)是离散值,可以采用下面的公式计算 :
  

 

  U(i)为各瞬时采用值,i=1,2,…,n;n为采用次数。

  交流电压采样电路设计

  图1为简易平均值-有效值测量电路原理图,平均值电路由变压器T、整流桥BR、电容器C和电阻RL组成,虚线部分将平均值折算为有效值输出。

 

  用图1所示平均值电路进行测量,存在如下问题:

  变压器和整流桥是非线性器件,因此必定会产生非线性误差,难以精确补偿;

  整流桥BR后为得到稳定、平直的DC波形需要较大容值的电容器C,电容充放电时间长,因此响应速度慢;

  由于电容器C容值不可能无限大,在电容C两端测量到的必然是直流脉动波形。

         实际上,因为变压器体积较大,简易测量仪表多采用电阻分压的方式衰减被测交流电压,再由运放和二极管组成平均值响应的线性整流电路将交流电压转换为直流电压,然后将平均值折算为有效值。对于理想的正弦交流电压采用上述测量方法是没有问题的,但是电网中存在各种非线性电力、电子设备,对于由此造成的失真,采用均值检波电路将会产生较大的误差。表1中列出均值检波与真有效值的误差比较。

 

  在极端情况下,均值检波电路产生如此之大的误差是不能接受的,采用真有效值电路可以避免出现这么大的误差。单片TRMS/DC转换器可以选用美国模拟器件公司的AD536、AD636、AD637、AD736、AD737和凌力尔特公司的LTC1966、LTC1967、LTC1968。

  图2是由AD736构成的5量程3位真效值数字电压表电路图。S1为量程开关,S2为“测量/备用”模式选择开关(常态下S2断开,闭合时仪表呈备用状态),S3为电源开关。精密电阻R1~R5构成高阻抗分压器,总阻值为10M。输入交流电压Vin首先被衰减成200mV以下,再经限流电阻R6接至AD736的第2引脚。VD1、VD2为双向限幅保护二极管。C1是输入端耦合电容,起隔直作用。C2、C6为电源滤波电容。C4是AD736的平均电容。输出电压经R9、C5滤除纹波后获得直流电压,加至ICL7136的模拟输入端。R9兼ICL7136的限流电阻。ICL7136采用外基准,由ICL8069提供的1.2V基准电压源,通过R8、RP分压后得到基准电压VREV=100mV,基本量程为200mV。

 

  交流电流采样电路

  交流电流采样电路前端常用的交流电流互感器有硅钢FeSi电流互感器、罗果夫斯基线圈(Rogowski Coil)电流互感器、霍尔电流传感器三种。

  硅钢电流互感器由于其普及的价格,主要被广泛用在不需要很高精确度的功率监控,对负载进行平衡。但是,由于其只适用于50Hz的正弦波,而且线性度很差(特别在低电流值时)和相移太大,因而不适合对电量对象进行准确的检测分析。因为其又大又笨重,因此也不太适合在空间有限的环境中使用(例如小型配电箱)。

  罗果夫斯基线圈电流互感器虽然实现了小型、轻型和灵活的对高强度电流的测量,但其对设计、制造工艺和固定安装方面要求较高,而且对信号适应和标定有一定要求。目前,罗果夫斯基线圈技术只在特定测量领域是非常有前景的技术。

  霍尔电流传感器尺寸小,重量轻,易于安装,价格适中。传感器的原边电路与副边电路之间完全绝缘,绝缘电压一般为2~12kV,特殊要求可达20~50kV。其副边电路可以忠实地反映原边电流的波形,可测量任意波形的电流,如直流、交流和脉冲波形等,可以对瞬态峰值参数进行测量。一般的霍尔电流传感器可在0~20kHz频率范围内很好地工作,精度优于1%,线性度优于0.5%,动态响应时间小于7ms,跟踪速度di/dt高于50A/ms,过载能力强,测量范围大(0~±10000A)。

  通过上述比较,为了适应舰船电子设备普遍的中小功率电流精确、稳定可靠监测的需要,霍尔电流传感器是我们的首选。我们可以选择单电源供电,电压型输出的LEM电流传感器CASXX-NP或者LTSXX-NP系列。选用印制板安装的单电源电流传感器可以简化电源硬件设计,选电压型输出避免了电流型输出需要增加的外接采样电阻以及运放,方便与DSP或者单片机的AD端口直接连接。输出电压范围(2.5±0.625V),即原边电路电流为0时,输出电压为2.5V;正向最大电流时输出电压为3.125V,反向最大电流时输出电压为1.875V。

       单相交流电压、电流监测电路

  在图3所示电路中,我们采用了一片Microchip公司的RISC结构的高性能嵌入式微控制器PIC16F873。其内置的主同步串行端口MSSP模块具有两种模式:串行外设接口SPI和集成电路内部I2C总线。SPI同步串行输入/输出可应用于外接移位寄存器、串行E2PROM、串行A/D和D/A转换器、LCD显示器等。SPI模式使用串行数据输入SDI、串行数据输出SDO、串行时钟SCK这三个I/O口通信,根据情况还常常需要其他引脚配合使用(例如提供片选信号)。I2C模式是IC之间的串行总线,只需要串行数据SDA和串行时钟SCL两个I/O端口。通过定义同步串行端口状态寄存器,我们可以方便的选择其中一种工作模式,但两种串行通信仅能选择其中之一进行工作。如图3所示,在交流电压采集通道,我们选用了一片LTC1966真有效值RMS-DC转换器和一片LTC2420 A/D转换器。

 

  LTC1966采用∆∑计算技术,内部的增量累加电路使用更为简便、准确度更高和功耗更低,与传统的对数-反对数RMS-DC转换器相比,表现出更大的灵活性。LTC1966可接受单端或差动输入信号(可抑制EMI/RFI)。差动输入范围为1VPEAK,提供优异的线性度。具有独立的输出基准电压引脚,可进行灵活的电平调整。LTC1966对电路板的焊接方式、应力及工作温度都不敏感。与对数/反对数方案相比,该拓扑结构具有本质更好的稳定性及线形度。

  LTC2420的 ADC是一个过采样∆∑ADC,具有本质性抑制RMS平均纹波的特性。将F0引脚接电源,内置的数字滤波器即可以滤去50Hz纹波。数据输出为三线制接口,兼容SPI和MICROWIRE协议。在采样时它的输入阻抗是6.5M,如果直接连接负载LTC1966,将会造成-0.54%至-0.73%的增益误差。而且,LTC2420 DC输入电流在0V时并不为零,而是其基准的一半,这会造成输出偏移和增益误差。但是对于特定的LTC1966和LTC2420组合,该误差是固定的,因此可以通过校准系统消除这些误差。

  交流电压采样过程:LTC1966对衰减后的交流电压信号进行RMS-DC转换。PIC16F873的RA1端口输出低电平选中LTC2420的CS片选端启动A/D转换。PIC16F873通过SPI接口接收LTC2420的转换数据,再对数据进行处理。

  在电流检测通道,首先由电流传感器将电流信号转化为电压信号。因为PIC16F873内部嵌入了一个10位A/D转换模块,将其一路输入通道与LEM电流传感器的电压输出端连接,由PIC16F873进行A/D转换后,直接通过软件计算处理得到交流电流瞬时值、有效值和峰值。有效值计算原理依据公式4。

  显示通道由一片带串行接口的多位译码驱动器MAX7221和四个LED数码管组成。因为监测过程需要显示的数据主要为数字量,所以选择7段LED数码管作为显示输出部件。而且LED数码管较LCD显示器适应低温、震动环境能力更好,价格更低廉。MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器秒,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示,也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路,段字驱动器,而且还有一个8×8的静态RAM用来存储每一个数据。MAX7221与SPI、QSPI以及 MICROWIRE相兼容,同时它能通过限制段驱动电流来减少电磁干扰。使用MAX7221驱动LED数码管,不仅简化了硬件电路,也减少了PIC16F873的软件编程工作。

  报警输出通道,采用一只压电蜂鸣器发出音频报警,通过一只TLP421-1光耦和一只直流电磁继电器控制外围保护电路动作切断电源输入进而保护电子设备。

  按键部分较为简单,只有四个按键:“↑”、“↓”、“←”、“OK”。恰好可以利用B端口RB4~RB7四个I/O口的电平变化中断功能,实现所有“显示模式”、“电压、电流值校准测量”、“高低限报警值设定”、“高低限切断值设定”、“复位确认”等功能选择操作。

  结语

  设计实现了交流电压、电流的真有效值测量电路。该电路选用了一片PIC16F873单片机,利用其SPI串行通信接口连接一片LTC2420A/D转换器实现电压采集,利用其内部嵌入的A/D转换器连接外部的LEM电流传感器实现电流采集,一片MAX7221驱动器完成显示功能。在实际使用中,该电路实现了精确的交流电压、电流检测,抗干扰能力强,配合外围保护电路能有效防止电子装备在异常情况下发生损毁。外围还可以考虑增加远程通信模块和记录模块,实现更完备的监测记录分析功能。