快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法与流程

本发明涉及电压检测设备技术领域，特别是指一种快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，用于三相桥式整流装置，特别是三相可控硅整流桥输出电压的实时检测。

背景技术：

三相桥式整流装置应用广泛，很多时候需要监测其整流输出的电压电流，根据负载不同，其输出特性相应变化，而当负载为电感性负载时且控制角变化范围为0～180°时，其整个状态会分为整流状态和逆变状态，其输出电压电流更具特殊性，在信号处理的要求上更高，因此本文依据同步电机可控硅励磁装置的应用进行理论研究和设计。

目前，同步电机可控硅励磁装置广泛采用三相桥式整流电路，将交流电源转换为直流电源提供给发电机转子，整流桥可控硅的控制角α工作在0～180°。因发电机转子作为负载表现为电感性，故整流桥的输出电压外特性可用公式表示为其中，UG为发电机机端电压；KT为整流变压器变压比；α为可控硅的触发角；If为可控硅换相电流；Xr为由交流电压至整流桥交流输入端之间的每相换相电抗；ΔU为可控硅管压降，可忽略。且从图1中阴影部分可以看出，发电机转子电压的波形是周期性非正弦波形，是有换相过程的正弦波形的1/6部分(包括换相过程)。而国标GB/T13850-1998规定响应时间小于400mS以下，造成市面上的变送器在响应时间的指标上存在满足国标要求但不能满足实时性要求高的监测和控制的场合。

因此，有必要设计一种快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，结构简单紧凑，具有高可靠性、高隔离耐压能力、响应时间小的特点。

本发明的技术方案是这样实现的：一种快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，包括可编程FPGA控制器，分别与可编程FPGA控制器连接的同步信号测量模块、模拟量采集模块和模拟量输出模块，其中，所述同步信号测量模块用于采集三相整流桥输入侧电压信号并降压调理为周期性方波信号后，传输至可编程FPGA控制器，所述模拟量采集模块设有分压隔离电路和模数转换电路，用于采集三相整流桥输出侧电压信号，通过分压隔离电路及模数转换电路进行信号调理后传输至可编程FPGA控制器，可编程FPGA控制器用于对同步信号测量模块和模拟量采集模块的数据进行计算处理，所述模拟量输出模块设有数模转换电路和VI隔离电路，用于将可编程FPGA控制器的数据计算结果进行转换隔离调理后输出。

在上述技术方案中，所述可编程FPGA控制器用于模拟量采集、同步采样、移窗算法和模拟量输出的控制及处理。

在上述技术方案中，所述可编程FPGA控制器的计数频率为36MHz。

在上述技术方案中，所述模拟量采集模块的分压隔离电路通过线性光耦HCNR201隔离。

在上述技术方案中，所述线性光耦HCNR201隔离的隔离电压为工频5KV/min。

在上述技术方案中，所述模拟量采集模块的模数转换电路采用16位模数转换器。

在上述技术方案中，所述模拟量输出模块的数模转换电路采用16位数模转换器。

在上述技术方案中，所述模拟量输出模块输出4-20mA信号。

本发明公开的快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，包括同步信号测量模块，模数转换和数模转换，可编程FPGA控制器，多路隔离电路，以可编程FPGA控制器作为核心处理器来进行同步信号测量模块采集的整流桥输入侧信号和模拟量采集模块采集的整流桥输出侧信号的处理及运算，快速求得测量对象的算术平均值，对外通过模拟量输出模块输出标准的4-20mA模拟量信号，可以满足三相桥式整流装置输出电压电流实时监测的需要。本变送器结构简单紧凑，具有高可靠性、高隔离耐压能力、响应时间小的特点。

附图说明

图1为现有技术中整流桥电压波形示意图；

图2为本发明快速响应的三相整流桥输出电压变送器框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明所述的一种快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，包括可编程FPGA控制器1，分别与可编程FPGA控制器1连接的同步信号测量模块2、模拟量采集模块3和模拟量输出模块4。

其中，同步信号测量模块2用于采集三相整流桥输入侧电压信号并降压调理为周期性方波信号后，传输至可编程FPGA控制器1。具体的，利用变压器降低到合适电压等级后通过模拟电路调理为周期性方波信号，为可编程FPGA控制器1进行快速信号采集和运算提供一个采样基准周期。

模拟量采集模块3设有分压隔离电路和模数转换电路，用于采集三相整流桥输出侧电压信号，通过分压隔离电路及模数转换电路进行信号调理后传输至可编程FPGA控制器1。其中，分压隔离电路通过线性光耦HCNR201隔离，线性光耦HCNR201隔离的隔离电压为工频5KV/min，具有高隔离耐压能力；而模数转换电路采用16位模数转换器，实现快速的转换。

可编程FPGA控制器1用于模拟量采集、同步采样、移窗算法和模拟量输出的控制及处理，对同步信号测量模块2和模拟量采集模块3传输的数据进行计算处理，可编程FPGA控制器1的计数频率为36MHz，对于工频50Hz，其角度测量精度可达0.0005°。可编程FPGA控制器1实时计算出频率后进行512分频得到模数转换器采样周期和起始点，并保证整流桥输入电源的频率变化时采样周期和起始点随之改变，可编程FPGA控制器1响应无中断延时，实现高精度同步采样。以三相整流桥的输入电源的频率为基准，每周期(20ms或50Hz)512个点的采样频率，采用移窗平均值算法，快速检测出三相整流桥的输出电压电流。

模拟量输出模块4设有数模转换电路和VI隔离电路，用于将可编程FPGA控制器1的数据计算结果通过数模转换电路和VI隔离电路进行转换隔离调理后输出，输出标准4-20mA信号，可以满足三相桥式整流装置输出电压电流实时监测的需要；并且数模转换电路采用16位数模转换器，同样实现快速的转换，提高工作效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，基于三相桥式整流桥输入电源的频率测量，通过对整流桥的输出电压电流进行高速、高精度数据采集，利用FPGA的快速并行处理能力，实现高精度同步，利用移窗平均值算法快速求得算术平均值，经由高精度数模转换器和电压电流转换电路输出标准4-20mA信号。

第二，本发明精度高，响应快。

第三，本发明响应时间不大于20ms，并且容易实现多路隔离的4-20mA信号输出。

第四，本发明硬件电路原理清晰，强调隔离能力设计，抗干扰能力强。

本发明公开的快速响应的三相整流桥输出电压变送器及其控制方法，包括同步信号测量模块2，模数转换和数模转换，可编程FPGA控制器1，多路隔离电路以及通信模块CAN和RS485，以可编程FPGA控制器1作为核心处理器来进行同步信号测量模块2采集的整流桥输入侧信号和模拟量采集模块3采集的整流桥输出侧信号的处理及运算，快速求得测量对象的算术平均值，对外通过模拟量输出模块4输出标准的4-20mA模拟量信号可以满足三相桥式整流装置输出电压电流实时监测的需要。本变送器结构简单紧凑，具有高可靠性、高隔离耐压能力、响应时间小的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。