专利名称：一种用于高压系统的电压、电流采集和传输装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于高压大功率电力电子变换器系统的信号采集和传输装置。
背景技术：
随着高压大功率电力设备的不断发展，信号的检测必须要进行隔离传送，以免受 到干扰，同时也是系统安全性的一种要求。比如在高压大功率电力电子变换器系统中，采 用的主电路拓扑主要有二极管钳位式多电平变换器、飞跨电容式多电平变换器、级联H桥 型变换器和模块化多电平变换器结构，都需要采集大量的电压和电流信号，系统电磁环境 复杂，电磁干扰对信号的影响十分强烈，若采集信号不可靠，就谈不上控制和系统的可靠运 行。目前现有的类似装置中，都是将外部的高电压、或者电流的模拟信号，通过信号检测电 路后，经过压频转换电路，将电压信号变成频率信号，然后再通过频压转换电路，将频率信 号再变成电压信号，也就是信号的一种解调过程；或者通过压频转换电路，将频率信号通过 无线传输，经过复杂的传输协议将信号发送出去，接收端再通过调制解调电路，将频率信号 变换成电压信号，即使有现成的转换芯片，也会使整个系统变得很复杂，而且频率信号很容 易受到复杂电磁环境的影响，采集到的数据不一定准确，增加了系统控制的不可靠性。中国专利02144877. 9涉及一种应用于电力系统的电压电流传感器，将取得的电 流信号和电阻上取得的电压信号经频率变换电路变换，再经过光耦、光纤或者变压器隔离 后。再经频率变换电路的解调，最后完成信号的检测功能。我们直接采用现有数字芯片，将 信号变成方波信号，通过光纤发送出去，接收方获得方波信号，只要读取出脉冲宽度，就获 得采集信号的大小信息，没有复杂的解调电路，让系统整体更加可靠，适合高压大功率系统 使用。中国专利200710121174. 3涉及一种应用于电力系统的电压电流传感器，是从导 体上直接取得电流信号和电阻上信号，经过特殊的晶片和激光，将电压信号通过信号调制 器调制成特殊频率信号，通过变换电路将信号传送到上位机。这种装置的确能比较好的达 到抗干扰的目的，但装置对制作材料的要求较高，不是很通用，而且信号必须经过调制解 调，增加了系统的复杂性，相对也就降低了系统的可靠性。在高压大功率系统中，一般都会采用比较复杂的主电路结构，需要采集的电压和 电流信号比较多，甚至还有温度等很多信号也要采集，在这种情况下，要是想将采集的大量 数据传送出去，需要复杂的传输协议，会增加控制的难度，甚至会造成数据的丢失和不同步 现象，因此就使系统的控制无法做到准确。
实用新型内容本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，提出一种适用于高压系统的电压、电 流采集和隔离传输装置。本实用新型是针对模块化多电平变换器结构设计的一种高压电力 电子系统的电压、电流信号采集和隔离传输装置，其信号采样不易受复杂电磁环境的影响，可做到准确采集信号，隔离传输，同时没有复杂的传输协议，大大简化了高压系统控制的复 杂程度。本实用新型采用的数据采集和传输方式，没有复杂的压频转换，也没有数据的调制 解调环节，可以同时采集多路信号，准确度高，为高压系统的精准控制提供保障。本实用新 型适用于高压大功率场合，也适用于其他高压大功率系统中进行信号的采集和隔离传送。本实用新型包括电压、电流信号的检测电路，信号转换电路和信号传输电路电路。所述的电压、电流信号的检测电路由高电压等级的电压传感器和电流传感器，以 及一个直流电源组成。检测电路部分的直流电源，可以同时输出不同电压等级的直流电压 信号，传感器需要的直流电压信号通过电缆将电压信号传输到电压传感器和电流传感器的 电源输入端，为检测电路部分的电压传感器和电流传感器提供工作电源；直流电源通过电 路板布线，将不同的电压信号，传输到信号转换电路和信号传输电路中电子器件的电源端， 为电子器件提供工作电源。电压传感器固定在需要采集的高压大功率电力电子系统的高电 压信号附近。信号检测电路中，将高电压连接到电压传感器的原边输入端，从电压传感器 的模拟信号输出端输出一个恒流源信号，经过一个采样电阻，将高压大功率电力电子系统 的需要检测的高电压转变成+5V到-5V之间的一个弱的电压信号，通过屏蔽电缆传送到信 号转换电路输入端。电流信号的检测是通过互感器的原理，将主电路中的连接导线穿过电 流传感器，电流传感器将需要检测的高压大功率电力电子系统的电流转换成一个恒流源信 号。所述的信号转换电路信号的转换电路包括滤波电路和模数转换电路。所述的信号 检测电路得到的模拟信号，通过电缆传送到信号转换电路中的滤波电路输入端，经过滤波 后的模拟信号传输到模数转换AD芯片的模拟输入口，由可编程逻辑器件CPLD控制模数转 换AD芯片工作，将外部的模拟信号变成数字信号，并且将对应的数据存在可编程逻辑器件 CPLD中，然后将采集到的数据转变成一个方波信号，输入到信号传输输入端。所述的信号传输电路包括信号发送电路和信号接收电路。为了达到电气上的隔 离，所采集的数据通过光纤传送，将方波电压信号转换成光信号，通过光纤发送到信号接收 端。本实用新型利用数字化控制，将电压信号变成简单可靠的方波信号，通过光纤发 送出去，去除了信号的频压转换环节，避免了频率信号易受外部电磁环境的影响，也不需要 复杂的传输协议，可靠性提高，结构简洁紧凑，信号抗干扰性强，可靠性高。本实用新型具有以下特点1.可以实现高电压场合多路信号的实时、可靠采集；2.对传感器输入的模拟信号，通过数字控制，实现数据的转换，误差小，精度可以 控制；3.信号的传输过程，避免了复杂的传输协议，不需要添加信号的解调电路，同时也 消除了将电压信号变成频率信号后再传输，易受复杂电磁环境影响的弊端，能做到信号隔 离传输。
图1本实用新型结构框图；图2为信号转换部分的模拟信号滤波电路；[0018]图3为信号转换部分的模数转换电路框图；图4为信号的传输电路；图5方波信号形成机理的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本实用新型。本实用新型包括电压、电流信号的检测电路、信号转换电路和信号传输电路。如图1所示，信号的检测电路主要包括电压传感器和电流传感器和直流电源。信 号转换电路包括滤波电路和模数转换电路。信号传输电路包括信号发送电路和信号接收电路。本实用新型通过电压传感器和电流传感器获得主电路中的电压和电流的模拟信 号，所采集的模拟信号经过信号转换电路中的滤波电路滤波。滤波电路输出连接模数转换 电路中的12位的AD芯片模拟信号输入口，模拟信号通过可编程逻辑器件CPLD控制12位 的AD芯片进行模数转换，并过CPLD读取数据，将数据转换成一个周期固定、占空比随CPLD 读取到的数据大小变化的方波信号，数据越大，占空比也越大，然后通过信号传输电路，以 固定的频率通过光纤发送到信号传输电路的方波信号接收端，接收端接收到方波信号，以 固定的频率通过光纤发送到信号的传输电路中的信号接收电路的输入端，信号接收电路的 输入端接收到方波信号，通过信号接收电路通过现场可编程门阵列FPGA芯片的控制，计算 出接收到的方波信号的脉冲宽度，再经过换算，获得采集信号的数值大小，完成数据采集， 同时实现隔离传输，以供高高压大功率电力电子系统使用。检测电路部分的直流电源，可以 同时输出不同电压等级的直流电压信号，传感器需要的直流电压信号通过电缆将电压信号 传输到电压传感器和电流传感器的电源输入端，为检测电路部分的电压传感器和电流传感 器提供工作电源；直流电源通过电路板布线，将不同的电压信号，传输到信号转换电路和信 号传输电路中电子器件的电源端，为电子器件提供工作电源。图2所示为信号转换电路中的滤波电路。为了减少模拟信号上的高频干扰，传感 器输出的模拟信号经滤波之后传输到到12位的AD芯片的模拟输入口。可以针对不同频率 的信号采用不同的带宽进行滤波，既要保证信号不失真，同时也要减少信号中的高频干扰 信息。传感器输出的模拟信号Xin通过电缆传输到第一电阻Rl的一端和第二电阻R2的一 端，第一电阻Rl的另一端接模拟地，第二电阻R2的另一端连接到第四电阻R4和第一电容 Cl的上端，第二电阻R2的另一端同时连接到放大器TLC2^4A1D的2脚，放大器TLC2^4A1D 的3脚与第三电阻R3的上端相连，第三电阻R3的下端接模拟地，TLC2264A1D的1脚同时 与第四电阻R4和第一电容Cl的下端相连，第五电阻R5的一端和TLC2^4A1D的1脚相连， R5的另一端和TLC2^4A1D的6脚相连，TLC2264A1D的5脚和第六电阻R6的一端相连，R6 的另一端和模拟地相连，TLC2264A1D的6脚同时和第七电阻R7和第二电容C2的一端相连， 第七电阻R7和第二电容C2的另一端和TLC2^4A1D的7脚相连，产生滤波后的模拟信号。图3所示为信号转换电路中的模数转换电路框图，模数转换电路由12位的AD芯 片和CPLD芯片组成。经过滤波后的模拟信号，传输到12位的AD芯片的模拟信号输入端， CPLD的第一 I/O端口与AD芯片的使能脚相连，来启动12位的AD芯片进行模数转换。12 位AD芯片的数据线和地址线分别与CPLD芯片的第二到第十三I/O 口连接，二者之间实现并行数据传送。12位的AD芯片的转换完成输出信号连接到CPLD芯片的第十四I/O端口， CPLD芯片通过对12位的AD芯片发出的转换完成信号的判断，进行读数据操作。CPLD读取 数据后，将数据转换成一个周期固定，占空比随CPLD读取到的数据大小变化的方波信号。如图4所示为信号传输电路，信号传输电路包括信号发送电路和信号接收电路。 信号发送电路由SN75451芯片和光纤发送器HFBR-15^器件以及电阻构成；信号接收电路 由光纤发送器HFBR-25^器件以及电阻、电容构成。首先通过信号发送电路实现光电转换， 将电压信号变换成光信号，然后通过光纤传输出去。CPLD芯片的第十五I/O 口连接到与门 SN75451芯片的2脚，SN7M51芯片的1脚连接到电源+5V，同时和第一电阻Rl和第二电阻 R2的一端相连，第一电阻Rl的另一端连接到光纤发送器HFBR-15^器件的1脚，第二电阻 R2的另一端接SN7M51芯片的3脚，同时SN7M51芯片的3脚连接到图4中HFBR_15^器 件的2脚，HFBR-15^器件的3、4、5脚同时接数字地。HFBR_15^器件将电信号转换成光信 号，经过光纤将光信号传送到光纤接收器HFBR-25^的输入端；光纤接收器HFBR-25^将接 收到的光信号转变成电信号，光纤接收器HFBR-25^器件的1脚将电信号传输到到FPGA的 第一 I/O 口，HFBR-25^器件的1脚接电阻Ro的一端，Ro的另一端接直流电源的+5V端， HFBR-2528器件的2、4、8脚同时接数字地，HFBR-2528器件的3脚接直流电源的+5V端，在 HFBR-2528器件的2、3脚之间连接一个滤波电容C。现场可编程门阵列FPGA计算出接收到 的方波信号的宽度，进行换算，就获得采集的模拟信号值，完成数据的采集和隔离传送，能 做到误差小，不受复杂电磁环境的影响。如图5所示，本实用新型中采用12位的AD芯片转换后得到的数字信号，通过CPLD 的控制，将从AD读取的不同的数值转换成IOOs固定周期而占空比不同的方波信号，然后以 20kHz的频率发送出去，接收端的FPGA以50MHz的时钟频率计算出方波的大小，这样获得的 数字信号经过一定的比例关系就能换算出采集的模拟信号的值的大小，由于FPGA的时钟 周期很小，所以计算出的方波脉冲宽度是比较精确的，获得的采集信号的信息不会影响到 系统的控制，信号的误差范围满足系统控制的要求。
权利要求1.一种用于高压系统的电压、电流采集和传输装置，其特征在于所述的采集和传输 装置包括电压、电流的信号检测电路、信号转换电路和信号传输电路；所述的信号检测电路 包括电压传感器和电流传感器和直流电源；信号转换电路包括滤波电路和模数转换电路； 信号传输电路包括信号发送电路和信号接收电路；直流电源电压为电压传感器和电流传感 器，以及信号转换电路和信号传输电路中电子器件提供工作电源；电压传感器和电流传感 器采集高压大功率电力电子系统主电路中的电压和电流的模拟信号，所述的模拟信号经过 信号转换电路中的滤波电路滤波，经模数转换电路进行模数转换；可编程逻辑器件CPLD控 制数模转换并读取数据，将数据转换成一个周期固定、占空比随CPLD读取到的数据大小变 化的方波信号，再通过信号传输电路，以固定的频率通过光纤发送到信号的传输电路中的 信号接收电路的输入端，信号接收电路的输入端接收到方波信号，通过信号接收电路中的 现场可编程门阵列FPGA芯片的控制，计算出收到的方波信号的脉冲宽度，经过换算，获得 采集信号的数值大小，完成数据采集，并隔离传输。
2.如权利要求1所述的用于高压系统的电压、电流采集和传输装置，其特征在于所述 的信号检测电路中，将高电压信号传输到电压传感器的原边输入端口，从电压传感器的副 边输出端传输出一个恒流源信号，经过一个采样电阻，将恒流源信号变成低的电压信号，通 过电缆将需要检测的电压信号传送到信号的转换电路输入端，完成电压信号的检测；电流 信号的检测，是通过互感器的原理，将主电路中的连接导线穿过电流传感器，从电流传感器 的副边得到恒流源，经过采样电阻，将恒流源信号转变成低电压信号，通过电缆传输到信号 的转换电路输入端，完成电流信号的检测。
3.如权利要求1或2所述的用于高压系统的电压、电流采集和传输装置，其特征在于 所述的滤波电路中，所述的电压传感器和电流传感器输出的模拟信号Xin通过电缆传输到 第一电阻Rl的一端和第二电阻R2的一端，第一电阻Rl的另一端接模拟地，第二电阻R2的 另一端连接到第四电阻R4和第一电容Cl的上端，第二电阻R2的另一端同时连接到放大器 TLC2264A1D的2脚，放大器TLC2^4A1D的3脚与第三电阻R3的上端相连，第三电阻R3的 下端接模拟地，TLC2264A1D的1脚同时与第四电阻R4和第一电容Cl的下端相连，第五电阻 R5的一端和TLC2^4A1D的1脚相连，R5的另一端和TLC2^4A1D的6脚相连，TLC2264A1D 的5脚和第六电阻R6的一端相连，R6的另一端和模拟地相连，TLC2264A1D的6脚同时和第 七电阻R7和第二电容C2的一端相连，第七电阻R7和第二电容C2的另一端和TLC2^4A1D 的7脚相连，产生滤波后的模拟信号。
4.如权利要求1所述的用于高压系统的电压、电流采集和传输装置，其特征在于所述 的模数转换电路中，所述的滤波后的电压、电流模拟信号传送到12位的模数转换AD芯片的 模拟信号输入端，可编程逻辑器件CPLD的第一 I/O端口与模数转换AD芯片的使能脚相连， 模数转换AD芯片的数据线和地址线分别与可编程逻辑器件CPLD的第二到第十三I/O 口连 接，模数转换AD芯片的输出信号连接到可编程逻辑器件CPLD的第十四I/O端口，可编程逻 辑器件CPLD通过对模数转换AD芯片发出的转换完成信号的判断，进行读数据操作；可编程 逻辑器件CPLD读取数据后，将数据转换成一个周期固定，占空比随可编程逻辑器件CPLD读 取到的数据大小变化的方波信号。
5.如权利要求1所述的用于高压系统的电压、电流采集和传输装置，其特征在于所述 的信号传输电路中，可编程逻辑器件CPLD芯片的第十五I/O 口连接到与门SN7M51芯片的2脚，与门SN7M51芯片的1脚连接到电源+5V，同时和第一电阻Rl和第二电阻R2的一端 相连，第一电阻Rl的另一端连接到光纤发送器HFBR-15^的1脚，第二电阻R2的另一端接 与门SN75451芯片的3脚，同时与门SN7M51芯片的3脚连接到光纤发送器HFBR_15^的 2脚，光纤发送器HFBR-15^的3、4、5脚同时接数字地；通过HFBR_15^器件将电信号转换 成光信号，经过光纤传送到光纤接收器HFBR-25^的输入端；光纤接收器HFBR-25^将接收 到的光信号转变成电信号，光纤接收器HFBR-25^器件的1脚将电信号传输到到芯片FPGA 的第一 I/O 口，HFBR-25^器件的1脚接电阻Ro的一端，Ro的另一端接直流电源的+5V端， HFBR-2528器件的2、4、8脚同时接数字地，HFBR-2528器件的3脚接直流电源的+5V端，在 HFBR-2528器件的2、3脚之间连接一个滤波电容C。;现场可编程门阵列FPGA计算出接收到 的方波信号的宽度，并进行换算，获得采集的模拟信号值。
专利摘要一种用于高压系统的电压、电流采集和传输装置，包括电压、电流的信号检测电路、信号转换电路和信号传输电路。电压传感器和电流传感器采集高压大功率电力电子系统主电路中的电压和电流的模拟信号，经过信号转换电路中的滤波电路滤波，再经模数转换电路模数转换。可编程逻辑器件CPLD控制数模转换并读取数据，将数据转换成一个周期固定、占空比随CPLD读取到的数据大小变化的方波信号，再通过信号传输电路，以固定的频率通过光纤发送到信号传输电路，通过可编程门阵列FPGA芯片的控制，计算出收到的方波信号的脉冲宽度，再换算获得采集信号的数值大小，完成电压信号和电流信号的采集，并隔离传输。
文档编号G08C23/06GK201918010SQ20102068845
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者朱海滨, 李子欣, 李耀华, 王平, 胜晓松 申请人:中国科学院电工研究所