一种带有数字式校正功能的交流电压传感器信号调理电路的制作方法

本实用新型涉及配电自动化技术领域，尤其涉及一种带有数字式校正功能的交流电压传感器信号调理电路。

背景技术：

传统铁磁式电压互感器占整个配电系统用量的绝大多数，但也是较易出故障的主回路主要元件之一，80％故障原因是由铁磁谐振引起的。但电子式电压互感器不会发生谐振，还有低功耗、体积更小、重量轻、绝缘性能好、驱动能力强、抗电磁干扰能力强等优点。本发明所涉及的电容分压形式的电子式电压互感器作为交流电压传感器的一种，可覆盖测量与保护量程、能满足其额定一次电压测量级与保护级的全部误差要求的非传统电压互感器，继承了电子式电压互感器的全部优点。

然而，对于采用纯电容分压器的电压传感器，目前存在的突出问题分别是：1)由电力线路“陷阱电荷”现象和一次侧短路造成的暂态特性问题；2)由于电容器的一致性无法保证，需要对传感器信号调理电路的幅值和相移进行校正。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种带有数字式校正功能的交流电压传感器信号调理电路设计，能够提高电容式电压互感器的暂态响应速度，满足技术规范的全部误差要求；并采用硬件方式，通过数字电位器对电压传感器的输出信号的幅值、相移等进行校正。

本实用新型具体内容如下：一种带有数字式校正功能的交流电压传感器信号调理电路，依次包括电压传感器、积分电路、调幅电路、调相电路和a/d回路，调幅电路和调相电路中均设有数字电位器，调幅电路、调相电路和a/d回路均与cpu系统相连。

进一步的，所述电压传感器的电压信号传输到积分电路中，积分电路还原原始电压信号，调幅电路放大积分电路输出的信号以匹配a/d回路的输入电压范围，调相电路调整前序电路产生的相移。

进一步的，所述电压传感器包括高压臂电容ch、低压臂电容cl、压敏电阻rv和电阻r，压敏电阻rv和电阻r一端接地，一端连接在高压臂电容ch与低压臂电容cl之间，电压传感器的输出电压ua进入积分电路。

进一步的，所述积分电路包括运算放大器d2a、电容c3～c4，电阻r4～r7，电阻r4一端接电压传感器输出信号ua，另一端与r5串联；电阻r5一端与r4串联，另一端接至运算放大器d2a的同相输入端3脚；电容c3一端分别与电阻r4、r5连接，另一端接至运算放大器d2a的输出端1脚；电容c4一端与运算放大器d2a的同相输入端3脚，另一端接地；电阻r6一端接地，另一端同时与运算放大器d2a反相输入端2脚和电阻r7连接；电阻r7一端与运算放大器d2a反相输入端2脚连接，另一端接至运算放大器d2a输出端1脚；运算放大器d2a的输出信号ua1进入调幅电路。

进一步的，所述调幅电路包括运算放大器d1a、电阻r1～r3、电容c1～c2和i2c接口数字电位器rd1，电阻r1一端接积分电路输出的电压信号ua1，另一端接至运算放大器d1a及电容c1的一端；电容c1一端同时接电阻r1和运算放大器d1a的同相输入端3脚，另一端接地；电阻r2一端接地，另一端接运算放大器d1a的反相输入端2脚，以及电容c2和电阻r3的一端；电容c2两端分别接运算放大器d1a的反相输入端2脚和输出端1脚；电阻r3一端接运算放大器d1a的反相输入端2脚，以及电阻r2和电容c2的一端；电阻r3的另一端接i2c接口数字电位器rd1；i2c接口数字电位器rd1一端接电阻r3，另一端接运算放大器d1a的输出端1脚；运算放大器d1a的输出信号ua2进入调相电路。

进一步的，所述调相电路包括电阻r8～r11、电容c5～c6、运算放大器d3a和i2c接口数字电位器rd2，电阻r10一端接前述调幅电路输出的ua2信号，另一端与电容c5、c6连接在一起；电阻r8一端接前述调幅电路输出的ua2信号，并与电阻r10的一端连接在一起；另一端接至运算放大器d3a的同相输入端3脚，并与电阻r9的一端连接；电阻r9的一端与电阻r8连接，并接至运算放大器d3a的同相输入端3脚；电阻r9另一端接地；电容c6一端与电阻r10连接，另一端与电阻r11和运算放大器d3a反相输入端2脚连接；电容c5一端与电阻r10和电容c6连接，另一端与i2c接口数字式电位器rd2及运算放大器d3a的输出端1脚连接；电阻r11一端接运算放大器d3a反相输入端2脚，另一端和i2c接口数字式电位器rd2连接；i2c接口数字式电位器rd2一端与电阻r11连接，另一端与电容c5、运算放大器d3a输出端1脚连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型的带有数字式校正功能的交流电压传感器信号调理电路，包括积分电路、调幅电路、调相电路等，能够完整还原一次高压信号特征；该调理电路和电压传感器配合，提高了暂态响应速度，不仅满足传感器的稳态误差，而且满足传感器要求的全部暂态误差；通过数字式电位器，直接用硬件方式实现对传感器输出信号幅值、相移的校正。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本实用新型的电压传感器的等效电路；

图2为本实用新型的交流电压传感器信号调理电路的模块结构图；

图3为本实用新型的积分电路示意图；

图4为本实用新型的调幅电路示意图；

图5为本实用新型的调相电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的电压传感器包括高压臂电容ch、低压臂电容cl、压敏电阻rv和电阻r，其中，压敏电阻rv和电阻r均一端接地，另一端连接在高压臂电容ch和低压臂电容cl之间，即压敏电阻rv和电阻r并接在低压臂电容cl的一端，另一端均接地。压敏电阻rv和电阻r并联，电压传感器等效电路为微分器。电压传感器通过高压臂电容ch、低压臂电容cl对一次设备电压hv进行分压。

其中高压臂电容ch、低压臂电容cl构成电容分压器，压敏电阻rv作为防护电路，对电阻r以及积分电路等后续二次侧硬件电路提供保护。

当采用纯电容分压电压互感器，当电力线路出现断路或者短路故障，回路电压发生突变时，电荷可能滞留在线路上，如果线路未进行接地或通过所接低阻抗装置放电，则电荷可保持数日，这些电荷最终将按确定的时间常数作指数衰减，叠加在正弦信号上，造成非常大的误差。本实施例中低压臂电容cl并联的电阻r恰当选型可以显著提高电容式电压互感器的暂态性能，能够快速地将存储在分压电容器上的容量快速释放，从而实现对线路电压变化快速响应与跟踪测量。此时电压传感器从电路形式上等效为微分器，将高压一次信号微分后传递到二次侧，因此需要在二次侧增加积分与移相补偿环节，也就是本发明信号调理电路中的积分、调幅、调相电路。

如图2所示为交流电压传感器信号调理电路的模块结构图。本实施例中，交流电压传感器信号调理电路依次包括电压传感器、积分电路、调幅电路、调相电路和a/d回路，调幅电路和调相电路中至少一个设有数字电位器，调幅电路、调相电路和a/d回路均与cpu系统相连。为了还原一次原始电压信号特征，在调理电路增加积分电路、调幅电路、调相电路等模块，调理后的信号进入a/d采样回路。cpu系统将模数转换回路生成的数字量实现继电保护、测量等应用功能。

如图3所示为积分电路模块，积分电路包括运算放大器d2a、电容c3、电容c4，电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7，电阻r4一端接电压传感器输出信号ua，另一端与r5串联；电阻r5一端与r4串联，另一端接至运算放大器d2a的同相输入端3脚；电容c3一端分别与电阻r4、r5连接，另一端接至运算放大器d2a的输出端1脚；电容c4一端与运算放大器d2a的同相输入端3脚，另一端接地；电阻r6一端接地，另一端同时与运算放大器d2a反相输入端2脚和电阻r7连接；电阻r7一端与运算放大器d2a反相输入端2脚连接，另一端接至运算放大器d2a输出端1脚；运算放大器d2a的输出信号ua1进入调幅电路。

通用积分器的特点是幅值的变化近似反比于频率的变化，积分电路对低频信号的放大倍数有可能是工频信号的许多倍，因此低频信号干扰极有可能影响通用积分电路的正常工作。本实施例的积分电路在整个低频段的增益都能够很小，具有单调下降的幅频特性。根据积分器所要求的截止频率和品质因素，调整电阻r4～r7及电容c3～c4的参数，可以使积分器达到良好的工作性能。与此同时本实施例的积分电路理论上兼有比例放大的功能，只要根据幅值放大倍数的要求适当地选择好电阻r6和r7的阻值即可(但实际上为了保证更好的电路性能，在调整电阻r6和r7时需要参考电阻r4～r5阻值。因此该电路的放大功能牵涉的元件过多，因此图3积分电路不再考虑其放大功能)。

如图4所示的本实施例的调幅电路模块，是由运算放大器d1a搭建成的同相比例放大器，包括运算放大器d1a、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、电容c2和i2c接口数字电位器rd1，电阻r1一端接积分电路输出的电压信号ua1，另一端接至运算放大器d1a及电容c1的一端；电容c1一端同时接电阻r1和运算放大器d1a的同相输入端3脚，另一端接地；电阻r2一端接地，另一端接运算放大器d1a的反相输入端2脚，以及电容c2和电阻r3的一端；电容c2两端分别接运算放大器d1a的反相输入端2脚和输出端1脚；电阻r3一端接运算放大器d1a的反相输入端2脚，以及电阻r2和电容c2的一端；电阻r3的另一端接i2c接口数字电位器rd1；i2c接口数字电位器rd1一端接电阻r3，另一端接运算放大器d1a的输出端1脚；运算放大器d1a的输出信号ua2进入调相电路。

数字电位器rd1和r3串联，然后和电容c2并联构成了d1a的反馈臂。放大的比例系数由rd1、r3和r2生成。电阻r1和电容c1构成rc低通滤波器，对ua1信号进行滤波。由于在运放的反馈环路中使用数字电位器，在调节阻值时过于敏感，所以将电阻r3与电位器串联在一起，并且电阻r3安装在电位器的前端。为了提高运放回路的稳定性，采用电容c2限制其带宽。

如图5所示的本实施例的调相电路模块，是由运算放大器d3a搭建的二阶全通恒延时滤波器，包括电阻r8、电阻r9、电阻r10、r11、电容c5、电容c6、运算放大器d3a和i2c接口数字电位器rd2，电阻r10一端接前述调幅电路输出的ua2信号，另一端与电容c5、c6连接在一起；电阻r8一端接前述调幅电路输出的ua2信号，并与电阻r10的一端连接在一起；另一端接至运算放大器d3a的同相输入端3脚，并与电阻r9的一端连接；电阻r9的一端与电阻r8连接，并接至运算放大器d3a的同相输入端3脚；电阻r9另一端接地；电容c6一端与电阻r10连接，另一端与电阻r11和运算放大器d3a反相输入端2脚连接；电容c5一端与电阻r10和电容c6连接，另一端与i2c接口数字式电位器rd2及运算放大器d3a的输出端1脚连接；电阻r11一端接运算放大器d3a反相输入端2脚，另一端和i2c接口数字式电位器rd2连接；i2c接口数字式电位器rd2一端与电阻r11连接，另一端与电容c5、运算放大器d3a输出端1脚连接。本实施例中选择的放大器为ada4177-2型放大器，是一种精密、低噪声、低偏置的电流放大器；选择的数字式电位器为mcp45hv51型数字电位器。

全通滤波器对任意频率，其电压增益恒等于一个常数，即在幅度上它是平坦的，因而可以用来对相位进行连续调节，并不会因为相位调节带来幅值的变化。在图5中，电阻和电容取值如下：

c5＝c6＝c

令：

由于电压传感器输出工频信号，并且全通滤波器在品质因素q＝1时，在w0附近具有很好的灵敏度和线性度。阻容器件的选择具有相关性，如果计算出的阻值太大就适当增大电容，否则就减小电容。尽量选择小的电阻，这样可以有效降低输出噪声。但电阻太小会导致电流增加，需要尽量避免。这样在选定容值c、电阻r8～r11阻值的基础上，由cpu系统通过i2c接口调节数字电位器的阻值即可实现相位补偿，满足技术规范要求。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。