专利名称：电流采样电路及其电流量程判定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电流采样电路及其量程判定装置，特别是涉及一种变压器中性点的电流采样电路及其电流量程判定装置。
背景技术：
高压直流系统单极大地回线运行时，巨大的直流电流经直流接地极流入大地，并在较大范围内造成地电位的明显变化，这种地电位的变化，对于同一地区的交流系统可能产生影响。两个处于不同直流电位的变电站经输电线路构成回路，将直流电流引入变压器中性点和变压器绕组，使得变压器出现直流偏磁现象，造成变压器噪声增大，振动加剧等， 还可能发生过热以及交流电网的谐波畸变增大。这种直流单极运行或经大地运行对交流的影响在严重时甚至可能造成变压器的损坏或保护的误动。根据上述情况，变压器中性点通过的直流电流要实时检测，如有异常可快速及时地向调度反映，通过这种方式来掌握及控制直流对变压器的影响。变压器中性点的电流变化范围很大，通常在50A以内，但是有些突然情况，可能会达到100A以上，这就给中性点电流的测量带来了很大的困难，中性点的电流由直流电流和交流电流组成，现有技术中对中性点电流的测量通采用霍尔电流传感器测量，然而量程范围大的霍尔电流传感器通常都是F. S.精度，在测量较小电流时，带来的误差太大。因此，为了保证大范围测量的精度，通常需采用多个不同量程的霍尔电流传感器一起测量，采样到其输出结果后，通过控制器比较，选择精度高的测量结果。然而，这种情况下，多个霍尔电流传感器必须一直处于工作状态，如果较大电流出现的时间较长，量程小的霍尔电流传感器很容易损坏，且采样后判定结果，采样电路较为复杂，采样结果到控制器内部，判定量程也较为复杂，消耗大量的控制器资源，需要较长的处理时间。综上所述，可知先前技术中对变压器中性点电流的测量存在量程小的霍尔电流传感器容易损坏、采样电路及判定量程较为复杂以及需较长处理时间等问题，因此实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种电流采样电路及其电流量程判定装置，其通过将量程最大的霍尔电流传感器的测量结果通入比较电路， 比较结果经过隔离电路直接输入到控制器的I/O端口，通过读取I/O端口的电平直接判定出电流测量的量程，解决了现有技术存在的量程小的霍尔电流传感器容易损坏、采样电路及判定量程较为复杂以及需较长处理时间等问题。为达上述及其它目的，本发明提供一种电流量程判定装置，应用于一电流采样电路，该电流采样电路用于对变压器中性点的电流测量，其中，该电流量程判定装置至少包括预处理电路，连接于该电流采样电路中量程最大的霍尔电流传感器，以将该霍尔电流传感器输出的单极信号处理成双极信号并隔离放大或将该霍尔电流传感器输出的双极信号隔离放大；绝对值电路，连接于该预处理电路的输出端，其用于将预处理后的双极信号取绝对值仅要幅度信号后输出绝对值信号；N个比较电路，均连接于该绝对值电路的输出端，其用于将该绝对值信号和相应基准进行比较获得N个初级量程信号；以及N个隔离电路，对应连接于该N个比较电路，以将该N个初级量程信号和后续处理电路隔离获得适合后续处理电路电平的N个次级量程信号。进一步地，该预处理电路至少包括第一运算放大器、第一电阻以及第三电阻，其中，该量程最大的霍尔电流传感器的输出电压经该第一电阻与该第一运算放大器的负相相连，一偏置电压与该第一运算放大器的正相相连，该第一运算放大器的负相与输出之间接该第三电阻。进一步地，该偏置电压经过一第二电阻与该第一运算放大器的正相相连以保护该第一运算放大器。进一步地，若该量程最大的霍尔电流传感器为单极输出，该预处理电路将之变换为双极输出，并且将其输出信号放大，该偏置电压为零点电流对应的电压；若该量程最大的霍尔电流传感器为双极输出，该预处理电路起电压跟随作用，并将其输出信号放大，该偏置电压为零。进一步地，该绝对值电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一快速二极管以及第二快速二极管，该预处理电路的输出经该第四电阻与该第二运算放大器的负相相连，该第二运算放大器的正相接地，负相与输出之间接该第五电阻；该预处理电路的输出同时经该第九电阻与该第三运算放大器的正相相连，该第七电阻与该第一快速二极管反串联，该第八电阻与该第二快速二极管反串联，两个串联电路并联接于该第三运算放大器的负相与输出之间，该第一快速二极管与该第二快速二极管的方向相反；该第七电阻与该第一快速二极管的接点或该第八电阻与该第二快速二极管的接点经该第六电阻与该第二运算放大器的负相相连。进一步地，该第六电阻的阻值为该第四电阻阻值的一半。进一步地，该比较电路包括比较器和限流电阻，该绝对值电路的输出经该限流电阻接到该比较器的正相，该比较器的负相接测量电流所要划分的量程对应的电压。进一步地，该比较电路的数量N由该电流采样电路所需要的不同量程的霍尔电流传感器的数量决定，N为霍尔电流传感器的数量减1。进一步地，该隔离电路包括光耦合器、输入限流电阻以及上拉电阻，其中，一比较电路的比较器的输出经该输入限流电阻与该光耦合器发光侧相连，该上拉电阻一侧接该光耦合器输出，另一侧接电源。进一步地，该隔离电路的输出信号直接输入到该电流采样电路的控制器的输入/ 输出引脚。进一步地，该N个隔离电路的光耦合器的数量与该N个比较电路的比较器的数量相同，且一一对应。为达上述及其它目的，本发明提供一种包含如权利要求1所述之电流量程判定装置的电流采样电路，用于对变压器中性点的电流采样，至少包括N个霍尔电流传感器、该电流量程判定装置、控制器、多路模拟开关电路以及模数转换电路，该N个霍尔电流传感器中量程最大的霍尔电流传感器与该电流量程判定装置连接，该量程最大的霍尔电流传感器的输出结果通过该电流量程判定装置直接输入到该控制器的输入/输出引脚，从而判断出电流的测量范围，该控制器通过控制该多路模拟开关电路选择相应的霍尔电流传感器通道，经过该模数转换电路将数字信号输入到该控制器。与现有技术相比，本发明一种电流采样电路及其电流量程判定装置，通过将量程最大的霍尔电流传感器的测量结果通入比较电路，比较结果经过隔离电路直接输入到控制器的I/O端口，通过读取I/O端口的电平直接判定出电流测量的量程，解决了现有技术存在的量程小的霍尔电流传感器容易损坏、采样电路及判定量程较为复杂以及需较长处理时间等问题。
图1为本发明一种电流采样电路之较佳实施例的电路结构图；图2为图1中电流量程判定装置之较佳实施例的电路结构图。
具体实施例方式以下通过特定的具体实例并结合
本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。图1为本发明一种电流采样电路之较佳实施例的电路结构图。本发明之电流采样电路用于对变压器中性点的电流采样，至少包括N个霍尔电流传感器101、电流量程判定装置102、控制器103、多路模拟开关电路104以及模数转换电路(ADC) 105。其中，N个霍尔电流传感器101中量程最大的一个(在本发明较佳实施例中设为霍尔电流传感器1)与电流量程判定装置102连接，霍尔电流传感器1的输出结果通过电流量程判定装置102直接输入到控制器103的I/O引脚，从而判断出电流的测量范围，控制器103通过控制多路模拟开关电路(MUX) 104选择相应的霍尔电流传感器通道，经过模数转换电路105，将数字信号输入到控制器103。图2为图1中电流量程判定装置之较佳实施例的电路结构图。具体来说，本发明之电流量程判定装置至少包括预处理电路21、绝对值电路22、N个比较电路23以及N个隔离电路M。其中，预处理电路21用于将采样到的单极信号处理成双极信号并隔离放大或将采样到的双极信号隔离放大，其包括第一运算放大器210、第一电阻R1、第二电阻R以及第三电阻R3，其中，量程最大的霍尔电流传感器(即霍尔电流传感器1)的输出电压Vs经过第一电阻Rl与第一运算放大器210的负相相连，一偏置电压Voff经过第二电阻R2与第一运算放大器210的正相相连，第一运算放大器的负相与输出之间接第三电阻R3，第三电阻R3 与第一电阻Rl的比值为信号放大倍数，在此，第二电阻R2起到保护第一运算放大器210的作用，霍尔电流传感器检测正、负电流，单极输出或双极输出，若是单极输出，预处理电路21将之变换为双极输出，并且将其输出信号放大，偏置电压为零点电流对应的电压；若是双极输出，预处理电路21起到电压跟随作用，并将其输出信号放大，偏置电压为零，即接地。绝对值电路22用于将预处理后的双极信号取绝对值仅要幅度信号后输出绝对值信号，其包括第二运算放大器220、第三运算放大器221、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一快速二极管D1、第二快速二极管D2，其中，预处理电路21的输出经第四电阻R4与第二运算放大器220的负相相连，第二运算放大器220的正相接地，负相与输出之间接第五电阻R5 ；预处理电路21的输出同时经第九电阻 R9与第三运算放大器221的正相相连，第七电阻R7与第一快速二极管Dl反串联，第八电阻R8与第二快速二极管D2反串联，两个串联电路并联接于第三运算放大器221的负相与输出之间，第一快速二极管Dl与第二快速二极管D2的方向相反；第七电阻R7与第一快速二极管Dl的接点或第八电阻R8与第二快速二极管D2的接点经第六电阻R6与第二运算放大器220的负相相连，第六电阻R6的阻值为第四电阻R4阻值的一半。比较电路23用于将绝对值信号和相应基准进行比较获得初级量程信号电平，其包括比较器230和限流电阻R10，绝对值电路22的输出经限流电阻RlO接到比较器230的正相，比较器230的负相接测量电流所要划分的量程对应的电压VI，在此需说明的是，这里比较电路的数量N由所需要的不同量程的霍尔电流传感器的数量决定，其数量为霍尔电流传感器的数量减1，比较电路23的结果决定测量电流所采用的霍尔电流传感器，图2中示出了两个比较电路，但不以此为限。隔离电路M用于将初级量程信号和后续处理电路隔离获得适合后续处理电路电平的次级量程信号，其包括光耦合器0PT1、输入限流电阻R12和上拉电阻R14，其中，比较电路23的比较器230的的输出经输入限流电阻R12与光耦合器OPTl发光侧相连，输入限流电阻R12限定输入电流，保护光耦合器发光二极管；上拉电阻R14 —侧接光耦合器OPTl 输出，另一侧接电源，该电源电压幅值与控制器103的处理电平相同，且为数字地，隔离电路对将比较器230的输出结果变换为与控制器103的处理电平一致，可将隔离电路M的输出信号直接输入到控制器103的I/O引脚，作为触发信号，在此，隔离电路M的光耦合器 OPTl的数量与比较电路23的比较器230的数量相同，且一一对应。以下将通过一具体实施例配合图2来进一步说明本发明之工作原理在本具体实施例中，预处理电路21包括运算放大器0PA1、电阻R1、电阻R2、电阻R3，其中，量程最大的霍尔电流传感器(霍尔电流传感器1)的输出电压Vs经过电阻Rl与运算放大器Ul的负相相连，偏置电压Voff经过电阻R2与运算放大器OPAl的正相相连，运算放大器OPAl的负相与输出之间接电阻R3，电阻R3与电阻Rl的比值为信号放大倍数，电阻R2起到保护运算放大器OPAl的作用，所选用的霍尔电流传感器输出电流为12士8mA，采样电阻为200 Ω，输出电压为2. 4士 1. 6V，偏置电压选择2. 4V，将单极的输出变换为双极输出，电阻Rl取330 Ω， 电阻R3取Ik Ω，预处理电路的输出电压约为-4. 8 +4. 8V，电阻R2取330 Ω，运算放大器 OPAl 采用 0ΡΑ^04。绝对值电路22包括运算放大器0ΡΑ2、运算放大器0ΡΑ3、电阻R4、电阻R5、电阻 R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、快速二极管Dl、快速二极管D2，其中输入经电阻R4与运算放大器0ΡΑ2的负相相连，运算放大器0ΡΑ2的正相接地，负相与输出之间接电阻R5 ；输入同时经电阻R9与运算放大器0ΡΑ3的正相相连，电阻R7与快速二极管Dl反串联，电阻R8与快速二极管D2反串联，两个串联电路并联接于运算放大器0PA3的负相与输出之间，快速二极管Dl与快速二极管D2的方向相反；电阻R7与快速二极管Dl的接点经电阻R6与运算放大器0PA2的负相相连，电阻R6的阻值为电阻R4阻值的一半，电阻R4为^Ω，电阻R5为 2kQ，电阻R6为lkQ，电阻R7为lkQ，电阻R8为lkQ，电阻R9为lkQ，快速二极管D1、 D2采用IN4148，运算放大器0PA2、0PA3采用0PA^04。比较电路23的比较器数量由测量电流划分的量程数量决定，即由采用的霍尔电流传感器的数量决定，本实施例采用三个量程的霍尔电流传感器，需要两个比较电路，绝对值电路22的输出经限流电阻RlO与比较器COMPl正相连接，经限流电阻Rll与比较器C0MP2 正相连接，比较器COMPl的负相连接比较电压VI，比较器C0MP2的负相连接比较电压V2，比较电压VI、V2由霍尔电流传感器的量程决定，量程最大的霍尔电流传感器的测量范围设定为0-士 120A，对应的绝对值电路2的输出电压为0-4. 8V，另外两个霍尔电流传感器的测量范围分别为0-士25A、0-士5A，5A、25A对应绝对值电路2的输出电压为0. 2V、IV，因而比较电压Vl取0. 2V,比较电压V2取IV，电阻R10、R11为47 Ω，比较器C0MPUC0MP2采用TLV3501。隔离电路M与比较电路23对应，即与比较电路3的数量相同，比较器COMPl的输出经限流电阻R12与光耦合器OPTl发光侧相连，比较器C0MP2的输出经限流电阻R13与光耦合器0ΡΤ2发光侧相连；上拉电阻R14 —侧接光耦合器OPTl的输出，另一侧接电源+3. 3V, 上拉电阻R15 —侧接光耦合器0ΡΤ2的输出，另一侧接电源+3. 3V，+3. 3V电源为控制器的I/ 0端口处理电平，且为数字地，光耦合器的输出结果I/O UI/O 2直接输入到控制器I/O引脚，作为触发信号，电阻R12、R13为470 Ω，电阻R14、R15为300 Ω，光耦合器0ΡΤ1、0ΡΤ2采用 6Ν137。可见，本发明一种电流采样电路及其电流量程判定装置，通过将量程最大的霍尔电流传感器的测量结果通入比较电路，比较结果经过隔离电路直接输入到控制器的I/O端口，通过读取I/O端口的电平直接判定出电流测量的量程，解决了现有技术存在的量程小的霍尔电流传感器容易损坏、采样电路及判定量程较为复杂以及需较长处理时间等问题， 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果第一、用模拟电路判定电流测量量程，电路简单，易于实现，且响应快；第二、通过光耦合器将模拟电路、控制器互相隔离，使之互相没有影响；第三、电流方波信号可直接输入到控制器I/O引脚，作为触发信号，控制器可快速判断出电流的测量量程，占用资源少，效率高；第四、判断量程不需要每个电流传感器的输出结果，在判定之前，其他电流传感器可不工作，以保护其不会因为长时间过载而损坏。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此， 本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
1.一种电流量程判定装置，应用于一电流采样电路，该电流采样电路用于对变压器中性点的电流测量，其特征在于，该电流量程判定装置至少包括预处理电路，连接于该电流采样电路中量程最大的霍尔电流传感器，以将该霍尔电流传感器输出的单极信号处理成双极信号并隔离放大或将该霍尔电流传感器输出的双极信号隔离放大；绝对值电路，连接于该预处理电路的输出端，其用于将预处理后的双极信号取绝对值仅要幅度信号后输出绝对值信号；N个比较电路，均连接于该绝对值电路的输出端，其用于将该绝对值信号和相应基准进行比较获得N个初级量程信号；以及N个隔离电路，对应连接于该N个比较电路，以将该N个初级量程信号和后续处理电路隔离获得适合后续处理电路电平的N个次级量程信号。
2.如权利要求1所述的电流量程判定装置，其特征在于该预处理电路至少包括第一运算放大器、第一电阻以及第三电阻，其中，该量程最大的霍尔电流传感器的输出电压经该第一电阻与该第一运算放大器的负相相连，一偏置电压与该第一运算放大器的正相相连， 该第一运算放大器的负相与输出之间接该第三电阻。
3.如权利要求2所述的电流量程判定装置，其特征在于该偏置电压经过一第二电阻与该第一运算放大器的正相相连以保护该第一运算放大器。
4.如权利要求2所述的电流量程判定装置，其特征在于若该量程最大的霍尔电流传感器为单极输出，该预处理电路将之变换为双极输出，并且将其输出信号放大，该偏置电压为零点电流对应的电压；若该量程最大的霍尔电流传感器为双极输出，该预处理电路起电压跟随作用，并将其输出信号放大，该偏置电压为零。
5.如权利要求1所述的电流量程判定装置，其特征在于该绝对值电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、 第一快速二极管以及第二快速二极管，该预处理电路的输出经该第四电阻与该第二运算放大器的负相相连，该第二运算放大器的正相接地，负相与输出之间接该第五电阻；该预处理电路的输出同时经该第九电阻与该第三运算放大器的正相相连，该第七电阻与该第一快速二极管反串联，该第八电阻与该第二快速二极管反串联，两个串联电路并联接于该第三运算放大器的负相与输出之间，该第一快速二极管与该第二快速二极管的方向相反；该第七电阻与该第一快速二极管的接点或该第八电阻与该第二快速二极管的接点经该第六电阻与该第二运算放大器的负相相连。
6.如权利要求5所述的电流量程判定装置，其特征在于该第六电阻的阻值为该第四电阻阻值的一半。
7.如权利要求1所述的电流量程判定装置，其特征在于该比较电路包括比较器和限流电阻，该绝对值电路的输出经该限流电阻接到该比较器的正相，该比较器的负相接测量电流所要划分的量程对应的电压。
8.如权利要求1所述的电流量程判定装置，其特征在于该比较电路的数量N由该电流采样电路所需要的不同量程的霍尔电流传感器的数量决定，N为霍尔电流传感器的数量减1。
9.如权利要求1所述的电流量程判定装置，其特征在于该隔离电路包括光耦合器、输入限流电阻以及上拉电阻，其中，一比较电路的比较器的输出经该输入限流电阻与该光耦合器发光侧相连，该上拉电阻一侧接该光耦合器输出，另一侧接电源。
10.如权利要求9所述的电流量程判定装置，其特征在于该隔离电路的输出信号直接输入到该电流采样电路的控制器的输入/输出引脚。
11.如权利要求10所述的电流量程判定装置，其特征在于该N个隔离电路的光耦合器的数量与该N个比较电路的比较器的数量相同，且一一对应。
12.一种包含如权利要求1所述之电流量程判定装置的电流采样电路，用于对变压器中性点的电流采样，至少包括N个霍尔电流传感器、该电流量程判定装置、控制器、多路模拟开关电路以及模数转换电路，该N个霍尔电流传感器中量程最大的霍尔电流传感器与该电流量程判定装置连接，该量程最大的霍尔电流传感器的输出结果通过该电流量程判定装置直接输入到该控制器的输入/输出引脚，从而判断出电流的测量范围，该控制器通过控制该多路模拟开关电路选择相应的霍尔电流传感器通道，经过该模数转换电路将数字信号输入到该控制器。
全文摘要
本发明公开一种电流采样电路及其电流量程判定装置，用于对变压器中性点的电流测量，其电流量程判定装置包括预处理电路、绝对值电路、N个比较电路以及N个隔离电路，本发明通过将电流采样电路中量程最大的霍尔电流传感器的测量结果通入比较电路，比较结果经过隔离电路直接输入到控制器的I/O端口，通过读取I/O端口的电平直接判定出电流测量的量程，解决了现有技术存在的量程小的霍尔电流传感器容易损坏、采样电路及判定量程较为复杂以及需较长处理时间等问题。
文档编号G01R15/09GK102445587SQ201110369719
公开日2012年5月9日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者刘闯, 王学年, 黄华 申请人:华东电力试验研究院有限公司