工業(yè)電源測(cè)量解決方案
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
目前，工業(yè)市場(chǎng)呈現(xiàn)出更高電能利用率的趨勢(shì)，這就要求不斷改進(jìn)對(duì)電源系統(tǒng)的監(jiān)控。對(duì)電源的適當(dāng)管理與分配對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能與總體電源利用情況非常重要。在制定決策和確保適當(dāng)保護(hù)輸電網(wǎng)與最終用戶時(shí)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量尤為重要。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/179097.htm圖1示出了必須測(cè)量三相涌流時(shí)的典型高壓電力傳輸系統(tǒng)。對(duì)所生成的極高電壓必須進(jìn)行隔離和衰減，以便與低電壓測(cè)量及相應(yīng)控制系統(tǒng)的輸入容量相匹配。通過(guò)電源變壓器進(jìn)行第一級(jí)高電壓隔離。例如，來(lái)自發(fā)電站的220 kV電壓可轉(zhuǎn)換成只有220V的較低電平。由于這一電壓對(duì)于當(dāng)前的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)還是太大，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行三相隔離。下一步是將220V的電壓轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的±10V信號(hào)，以提供必需的控制與保護(hù)電路。負(fù)載電流測(cè)量也需要相同的隔離、測(cè)量、控制與保護(hù);通過(guò)高壓變壓器可以重復(fù)上述操作，以降低電壓。
盡管輸入頻率相對(duì)較低，但每次測(cè)量的時(shí)序非常重要，這一配置使我們必須對(duì)多個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
電壓與電流測(cè)量較常見(jiàn)的解決方案之一就是使用高壓組件。來(lái)自變壓器或變流器的信號(hào)經(jīng)濾波后可通過(guò)運(yùn)算放大器加以緩沖，變壓器與運(yùn)算放大器之間的必須有一個(gè)電阻、電容(RC)濾波器，用以限制電壓尖峰與輸入電流，圖2示出了采用這一配置的典型應(yīng)用電路。R1與C1可濾除變壓器可能產(chǎn)生的電壓尖峰。輸入電阻器R1還有助于限制瞬態(tài)輸入電流并保護(hù)運(yùn)算放大器的高阻抗、非反相輸入引腳。經(jīng)R2與C2再次濾波可將運(yùn)算放大器與電荷注入器件暫時(shí)隔離。電荷注入器件通常與當(dāng)前的逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)ADC關(guān)聯(lián)。通過(guò)這種方法，可以對(duì)變壓器(通常為20 Vpp或±10 Vpp)的輸出電壓進(jìn)行緩沖并將其傳遞給ADC輸入端。
不過(guò)，這款簡(jiǎn)單的電路也存在一些缺點(diǎn)。首先必須使用三個(gè)電源才能讓這個(gè)電路正常工作(這也是最大的缺點(diǎn))：運(yùn)算放大器與ADC的模擬部分分別需要一個(gè)±12 V的電源，處理器接口需要一個(gè)5 V電源。這三個(gè)電源必須專門(mén)用于電路的模擬測(cè)量部分，不能從用于數(shù)字處理或中繼驅(qū)動(dòng)器的任何有噪聲的輔助電源派生。同時(shí)，這些要求使得電路板布局變得極為復(fù)雜，并且不可避免地增加了多層印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)成本。第二個(gè)問(wèn)題在于有限的組件數(shù)量：只有少數(shù)幾家制造商能夠提供具有±10 V輸入電壓的ADC。
另一個(gè)解決方案是利用低壓組件進(jìn)行電源測(cè)量。在這一特定的情況下，我們所提及的組件都是使用低成本的5 V單電源進(jìn)行模擬測(cè)量。圖3示出了使用這些低成本、低電壓組件的建議解決方案。來(lái)自隔離變壓器的±10 V信號(hào)直接傳輸至差動(dòng)放大器(例如TI公司的INA159)的輸入端。100 kΩ電阻器的高輸入阻抗與±30 V的最大輸入電壓使得這一連接成為可能。另外還可對(duì)內(nèi)部電阻器進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最佳的線性度及共模抑制比(CMRR)。
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