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工業電源測量的解決方案

目前,工業市場呈現出更高電能利用率的趨勢,這就要求不斷改進對電源系統的監控。對電源的適當管理與分配對工業領域的節能與總體電源利用情況非常重要。在制定決策和確保適當保護輸電網與最終用戶時,準確、實時的測量尤為重要。

對所生成的極高電壓必須進行隔離和衰減,以便與低電壓測量及相應控制系統的輸入容量相匹配。通過電源變壓器進行第一級高電壓隔離。例如,來自發電站的220 kV電壓可轉換成只有220V的較低電平。由于這一電壓對于當前的模數轉換器(ADC)還是太大,因此需要進一步進行三相隔離。下一步是將220V的電壓轉換成可測量的±10V信號,以提供必需的控制與保護電路。負載電流測量也需要相同的隔離、測量、控制與保護;通過高壓變壓器可以重復上述操作,以降低電壓。

盡管輸入頻率相對較低,但每次測量的時序非常重要,這一配置使我們必須對多個通道同時進行測量。

電壓與電流測量較常見的解決方案之一就是使用高壓組件。來自變壓器或變流器的信號經濾波后可通過運算放大 器加以緩沖,變壓器與運算放大器之間的必須有一個電阻、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用電路。 R1與C1可濾除變壓器可能產生的電壓尖峰。輸入電阻器R1還有助于限制瞬態輸入電流并保護運算放大器的高阻抗、非反相輸入引腳。經R2與C2再次濾波可將運算放大器與電荷注入器件暫時隔離。電荷注入器件通常與當前的逐次逼近寄存器(SAR)架構ADC關聯。通過這種方法,可以對變壓器(通常為20 Vpp或±10 Vpp)的輸出電壓進行緩沖并將其傳遞給ADC輸入端。

不過,這款簡單的電路也存在一些缺點。首先必須使用三個電源才能讓這個電路正常工作(這也是最大的缺點):運算放大器與ADC的模擬部分分別需要一個±12 V的電源,處理器接口需要一個5 V電源。這三個電源必須專門用于電路的模擬測量部分,不能從用于數字處理或中繼驅動器的任何有噪聲的輔助電源派生。同時,這些要求使得電路板布局變得極為復雜,并且不可避免地增加了多層印刷電路板(PCB)的設計成本。第二個問題在于有限的組件數量:只有少數幾家制造商能夠提供具有±10 V輸入電壓的ADC。

另一個解決方案是利用低壓組件進行電源測量。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單電源進行模擬測量。圖3示出了使用這些低成本、低電壓組件的建議解決方案。來自隔離變壓器的±10 V信號直接傳輸至差動放大器(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。另外還可對內部電阻器進行微調,以達到最佳的線性度及共模抑制比(CMRR)。

隨后可對輸出信號進行電平轉換并衰減到0.5 V ~ 4.5 V,然后直接傳輸到ADC(例如TI公司的ADS8365)。這款全新的16位6通道同步采樣的低功耗SAR轉換器通過6個ADC提供固有的采樣和保持特性,該器件可用于電源測量應用。在該應用中,測量三相電壓與三相電流。

第三種可選解決方案是使用ΔΣ ADC來轉換輸入信號。使用ΔΣ ADC轉換器進行測量的主要優勢之一是可以使用數字濾波器。數字濾波器不僅能夠濾除轉換器的量化噪聲,而且還能以固有的方式對此類應用中存在的較大噪聲定形,并將其排除在信號頻帶之外。在某些測量中除采用前面提到的6通道外還增加了另外兩個通道。在這些情況下,也可以測量零線(neutral line)電壓與電流。ΔΣ轉換器(例如TI公司的ADS1204)具有四個16位性能獨立的ΔΣ調制器。通過使用兩個ADS1204轉換器,可以同時從8個輸入通道獲得測量數據。

INA159可對來自變壓器的輸入信號進行衰減并調節電平。ADS1204將此信號數字化,并提供位流輸出。可編程數字濾波器(本例中為TI公司的AMC1210)可處理該位流并提供16位二進制輸出,DSP或微控制器可利用該輸出提供測量與控制算法功能。在這一特定的情況下,對于實時工業測量,推薦使用TI公司的TMS320F280x。

當系統電源監視設備的設計存在非常高的電壓時,可以使用現有的組件來創建簡單、高性能、低成本電壓與電流測量解決方案,上述解決方案僅為其中的幾種而已。還有兩種簡單易用的方法:具有附加對被測信號模擬濾波功能的SAR轉換器以及具有固有數字濾波器的ΔΣ轉換器。這兩款解決方案均可提供高性能測量。然而關于采用何種解決方案取決于給定應用的要求。

 

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