非隔离电压采样电路、电压采样系统和电量计量装置的制作方法

1.本技术属于电子电路技术领域，尤其涉及一种非隔离电压采样电路、电压采样系统和电量计量装置。


背景技术：

2.电度计量是生活中很常见的应用，电度计量的两大基础数据是电压波形数据和电流波形数据，其中电流数据都是通过有隔离效果的电流互感器(current transformer，ct)来获取的，因为一次侧的电流可达几十安培，浪涌电流甚至高达几千安培，采用非隔离的方案会很困难。而电压数据因为家用电压220v，工业线电压380v，范围可控，所以有用电压互感器(potential transformer，pt)的隔离方案和用电阻分压的非隔离方案两种做法。隔离方案的优点是强弱电隔离，弱电端不会引入共模电位。而电阻分压就是非隔离的，弱电上会带上共模电位，人体触摸电路板上的裸露金属可能会触电。
3.早期每个电气控制器(比如继电器控制器、空气开关控制器)都是独立acdc供电的，对外的通信也采用了光耦隔离。随着时代进步，工程项目的电气复杂度越来越高，同一个机柜里会有几十个电气控制器。为了节约成本，逐渐出现了集中电源供电的方式，每个电气控制器都不自带电源了，统一由机柜里的电源模块供电。
4.这时候就产生了一个问题，假如电气控制器也是带了电度计量或者单纯的电压测量功能，而且用了电阻分压方案，由于电路参数的不同，导致每个控制器的共模电压是不同的，而每个控制器又通过集中电源串在了一起，那系统的共模电压就会变为一个新的值，造成电压测量不准。而且，如果用户接错了相线和零线，还会造成电路板不可逆的损坏。
5.为了克服系统的共模电压造成电压测量不准的缺点，三相用电阻分压，单相的就采用隔离方案来避免不同的共模电压接在一起，但是这样就增加了pt的成本。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种非隔离电压采样电路和电子设备，旨在解决传统的电压采样电路存在成本高，电压测量不准的问题。
7.本技术实施例的第一方面提供了一种非隔离电压采样电路，连接到一个公共地，该公共地还通过一接地阻抗接地，所述非隔离电压采样电路包括：
8.采样支路，被配置为与交流电源的火线连接以接入交流电压，以及一偏置电压，输出所述交流电压和所述偏置电压的电压分量，所述采样支路为一条或三条以分别对应单相交流电源和三相交流电源；
9.第一分压器，所述第一分压器的第一端连接电源的零线，第二端连接所述采样支路；
10.输出模块，被配置为接收所述电压分量并稳压滤波后输出采样电压。
11.在其中一个实施例中，所述采样支路包括第二分压器和第三分压器，所述第二分压器的第一端连接所述火线，所述第二分压器的第二端连接所述第三分压器的第一端，所
述第三分压器的第二端连接所述偏置电压以及所述第一分压器的第二端，所述第二分压器的第二端还作为所述采样支路的输出。
12.在其中一个实施例中，所述第二分压器包括至少一个兆欧级电阻，所述电阻为多个时串联连接。
13.在其中一个实施例中，所述第一分压器包括至少一个兆欧级电阻，所述电阻为多个时串联连接。
14.在其中一个实施例中，所述接地阻抗为电感、磁珠、电容、欧姆电阻中一项或多项组成的电路。
15.在其中一个实施例中，还包括压敏电阻，所述压敏电阻连接在所述交流电源的火线和零线之间。
16.在其中一个实施例中，所述输出模块包括瞬态二极管、第一电阻和第一电容，所述瞬态二极管的第一极连接所述电压分量，第二极连接所述公共地，所述第一电阻的一端连接所述瞬态二极管的第一极，另一端作为所述输出模块的输出，所述第一电容连接在所述第一电阻的另一端和所述公共地之间。
17.在其中一个实施例中，还包括用于提供所述偏置电压的电源模块，所述电源模块与所述公共地连接。
18.在其中一个实施例中，所述电源模块包括一放大电路和一稳压滤波电路；
19.所述放大电路基于运算放大器构成的电压跟随器电路或电流串联负反馈放大电路，所述放大电路的输入端接入稳定电压，输出端输出一电压信号；
20.所述稳压滤波电路对所述电压信号进行稳压滤波产生所述偏置电压。
21.本技术实施例的第二方面提供了一种电量计量装置，其特征在于，包括一个或多个如上所述的非隔离电压采样电路；
22.一个或多个控制器，所述控制器的采样端与各个所述非隔离电压采样电路中的输出模块的输出连接，接收所述采样电压，并根据所述采样电压计算电量。
23.本技术实施例的第三方面提供了一种电压采样系统，包括一个或多个如上所述的电量计量装置，多个所述电量计量装置所接入的电源为同一个，所述公共地设置在所述电源上。
24.上述的非隔离电压采样电路、电量计量装置和电压采样系统采用非隔离的方式进行交流电压采样，不需要使用到电压互感器，降低了设备成本；另外，整个系统中的各个电量计量装置通过一个电源供电，并且将公共地设置在电源上通过一个接地阻抗接大地，使得电路/装置是以大地作为参考点而不是零线，在多个非隔离电压采样电路同时使用并接时，不存在单相共模电压和三相共模电压的不相等，解决了该缺陷引起的电压测量不准的问题。
附图说明
25.图1为本技术实施例提供的电压采样系统的模块图。
26.图2为本技术实施例提供的电压采样系统的电路示意图。
27.图3为本技术实施例提供的非隔离电压采样电路三相接入的示意图。
28.图4为本技术实施例提供的非隔离电压采样电路单相接入的示意图。
具体实施方式
29.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
31.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.图1示出了本技术实施例提供的电压采样系统的电路示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
34.电压采样系统包括一个或多个的电量计量装置100，多个电量计量装置100所接入的电源200为同一个，公共地gnd设置在电源200上，比如说12v的电源，该公共地gnd一般是电源地。以使得各个电量计量装置100相当于接在了一起。能够解决，由于非隔离采样的时候，每个电量计量装置100自己的电源地会被输入的火零线带到不同的电位上造成电压测量不准，甚至损坏的问题。因假如每个电量计量装置100之间没有连接，这种不同的电位不会造成互相干扰甚至损坏；而假如他们共用电源200，那不同的电位之间就会互相干扰甚至损坏。因此，各个电量计量装置100的地接在一起，使得参考地就只有一个电位，那么就不存在单相共模电压和三相共模电压的不相等，解决了该缺陷引起的电压测量不准的问题。
35.其中，电量计量装置100可以单独的电表设备，也可以是具有电量计量功能的空气开关设备。
36.请参阅图2，图2示出的电压采样系统包括一个连接到三相交流电源的非隔离电压采样电路10和一个连接到单相交流电源的非隔离电压采样电路10，本技术将以该系统架构对相关实施例展开说明，其中这两个非隔离电压采样电路10可以分别设置在两个电量计量装置100内，也可以同时设置在同一个电量计量装置100内。具体地，在电量计量装置100中，每个非隔离电压采样电路10都分别接入偏置电压v1以及所需要检测的交流电源的传输线路上。
37.请参阅图1至图4，本技术实施例中，每个非隔离电压采样电路10包括采样支路11、第一分压器12和输出模块13。每个非隔离电压采样电路10连接到同一个公共地gnd，该公共地还通过一接地阻抗14接地，如前文所述，公共地gnd设置在电源200上的。采样支路11被配置为与交流电源的火线ul或ua、ub、uc连接以接入交流电压，以及一偏置电压v1，输出交流电压和偏置电压v1的电压分量ud或ua、ub、uc，采样支路11为一条或三条以分别对应单相交流电源和三相交流电源；第一分压器12的第一端连接电源200的零线un，第一分压器12的第
二端连接采样支路11；输出模块13被配置为接收电压分量ud或ua、ub、uc并稳压滤波后输出采样电压vd或采样电压va、vb、vc。
38.可理解的是，交流电源为单相交流电源时，采样支路11为一条，连接到交流电源的火线ul，输出模块13输出一路采样电压vd；交流电源为三相交流电源时，采样支路11为三条，分别连接到三相交流电源的三条火线ua、ub、uc，输出模块13输出三路采样电压va、vb、vc。
39.请参阅图1和图2，本技术一个实施例中，电量计量装置100包括一个或多个的非隔离电压采样电路10以及一个或多个控制器(未图示)，控制器的采样端与各个非隔离电压采样电路10中的输出模块13的输出连接，接收采样电压vd或采样电压va、vb、vc，并根据采样电压vd或采样电压va、vb、vc计算电量。
40.电量计量装置100内的多个非隔离电压采样电路10所接入的偏置电压v1为同一个电源模块15(参见图3、4)提供以节约成本。也可以是分别不同的电源模块提供。
41.电量计量装置100可以有一个或多个控制器，控制器一般采用单片机芯片，当然也可以使用专用的电量计量芯片。控制器的各采样端与各个非隔离电压采样电路10中的输出模块13的输出连接，接收单相的采样电压vd或三相的采样电压va、vb、vc。控制器用于根据需求和采样电压vd或采样电压va、vb、vc进行处理，比如电量计量，电压保护，输入输出控制等。其中，当电量计量装置100包括多个非隔离电压采样电路10时，控制器的数量可以跟非隔离电压采样电路10一致，用以分别接收不同非隔离电压采样电路10输出的采样电压vd或采样电压va、vb、vc；又或者采用一个控制器，以不同的采样端接入不同非隔离电压采样电路10输出的采样电压vd或采样电压va、vb、vc。
42.图2中，rop1、rop2是产生偏置电压v1的电源模块15(参见图3、4)的输出端对公共地gnd(可以是数字地)的等效电阻，rad1～rad4是各个控制器的采样端对公共地gnd的等效电阻，rg是公共地gnd对大地的等效电阻，rn是零线un的对大地等效电阻。公共地gnd通过接地阻抗14引入了大地之后，对三相交流电源采样时，非隔离电压采样电路10以及控制器以大地作为参考点而不是零线un，零线un电阻很大的影响就不存在了，因此，不存在共模电位不等的问题。另外，公共地gnd接了大地之后，零线un的第一分压器12基本被等效电阻rad与rop并联后和rg形成的新支路给旁路了，因为这个支路的电阻更小。单相的情况类似，都以大地作为主要参考了，所以即使是集中供电，也不会有共模电压不同的问题了。
43.可选地，无论单相还是三相接入，第一分压器12包括至少一个兆欧级电阻，电阻r1、r2为多个时串联连接，比如电阻r1为1兆欧，电阻r2为0兆欧。则第一分压器12的总阻值为兆欧级，具体阻值根据不同的等效电阻rop1、rop2，rad1～rad 4来做适当的调整。采用多个串联的电阻实现的目的是提高爬电距离，有利于提高安规等级。
44.比如第一分压器12的阻值是0805封装的1兆欧电阻，功率125mw，单颗电阻能承受的最大电压是353v，假如用户把三相的火线ua和零线un接反，则火线ua接入的交流电压经过第一分压器12，等效电阻rop1、rop2，rg到了大地，漏电流<220ua，不会触发漏电跳闸，电流很小，也不会损坏电路板。单相接反的时候，电流通路是类似的，不再赘述。
45.在一个实施例中，以接入三相交流电源为例，包括三条采样支路11，以其中一条为例展开说明，采样支路11包括第二分压器111和第三分压器112，第二分压器111的第一端连接火线ua，第二分压器111的第二端连接第三分压器112的第一端，第三分压器112的第二端
连接偏置电压v1以及第一分压器12的第二端，第二分压器111的第二端还作为采样支路11的输出。第二分压器111接入交流电压经过第三分压器112后汇集在一起，经过第一分压器12回到零线un，从第三分压器112上取到的偏置电压v1和交流电压的电压分量ua，输入到输出模块13。
46.其中，第二分压器111包括至少一个兆欧级电阻，电阻r3、r4为多个时串联连接，图2示例中电阻为两个，分别为电阻r3、r4。采用多个串联的电阻实现，目的是提高爬电距离，有利于提高安规等级，比如电阻r3为3兆欧，电阻r4为5兆欧。第三分压器112包括至少一个采样电阻r5，采样电阻r5的大小根据需求设置，比如为千欧级。
47.接入三相交流电源的其他采样支路或者接入到单相交流电源的采样支路与上述采样支路11类同，这里不再赘述。
48.在一些实施例中，接地阻抗14为电感、磁珠、电容、欧姆电阻中一项或多项组成的电路。图3示例中，接地阻抗14采用电感l1实现，公共地gnd通过这个大电流电感接大地，接地点可以放置在提供集中供电的的电源200内部。
49.一般地，非隔离电压采样电路10还包括压敏电阻，压敏电阻连接在交流电源的火线和零线之间，用于过压保护。请参阅图3，当接入的交流电源为单相时，非隔离电压采样电路10采用一个压敏电阻r22；当接入的交流电源为三相时，非隔离电压采样电路10采用三个压敏电阻r12，r13，r14，分别连接在三条火线ua、ub、uc和零线un之间。
50.请参阅图3和图4，在一个实施例中，输出模块13包括一条或三条支路相同的支路，分别对应单相交流电源的采样输出，三相交流电源的采样输出。以接入到三相交流电源为例，其中一条支路131包括瞬态二极管d1、第一电阻r15和第一电容c1，瞬态二极管d1的第一极连接电压分量ua，即第二分压器111的第二端，第二极连接公共地gnd，第一电阻r15的一端连接瞬态二极管d1的第一极，另一端作为输出模块13的输出，第一电容c1连接在第一电阻r15的另一端和公共地gnd之间。瞬态二极管d1用于对接入的电压分量ua进行钳位以稳压，第一电阻r15和第一电容c1组成rc滤波用于对电压分量ua进行滤波，输出模块13的其他支路或者接入到单相交流电源的输出模块13与上述支路131类同，这里不再赘述。
51.请参阅图3和图4，可选地，非隔离电压采样电路10还包括用于提供偏置电压v1的电源模块15，电源模块15与公共地gnd连接。如上所述，电源模块15可以给电量计量装置100中的一个或多个非隔离电压采样电路10提供偏置电压v1。
52.电源模块15包括一放大电路151和一稳压滤波电路152。放大电路151基于运算放大器u1构成的电压跟随器电路或电流串联负反馈放大电路(如图3或图4所示)，该放大电路151有增大输入输出电阻，稳定输出电流的作用。
53.放大电路151的输入端接入稳定电压vref，输出端输出一电压信号；放大电路151输入侧所设置的电阻r18、r19和电容c4、c5用于对接入的稳定电压vref进行分压和滤波，稳定电压vref可由上述控制器的内部参考电源提供，或者其他电源提供的直流稳定电压。
54.稳压滤波电路152对放大电路151输出的电压信号进行稳压滤波产生偏置电压v1。稳压滤波电路包括用于钳位的瞬态二极管d4，和用于滤波的电容c7、c8。
55.本技术提供的电路，可实现多个电压采样既采用集中电源供电，又可以采用非隔离的电压采集方案，而且不怕用户接反，虽然接反后会影响电压测量，但不会损坏电路板，程序报错之后提示用户纠正接线即可。
56.本技术使用集中电源，节省了每个控制器里独立电源电路的成本，全部都可以采用电阻分压的接法，节省了pt隔离器件的成本。通信线也是非隔离的，还节省了通信线隔离器件的成本。而且也缩小了控制器的体积，有利于产品小型化。
57.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。