各种电压电流采样电路设计

1常用采样电路设计方案比较配电网静态同步补偿器（DSTATCOM）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号。信号调理TMS320LF2407ADSP键盘显示电路电压电流信号驱动电路保护电路控制电路检测与驱动电路主电路图2-1DSTATCOM系统总体硬件结构框图1.1常用电网电压同步采样电路及其特点1.1.1常用电网电压采样电路1从D-STATCOM的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。212345678U?LM31112A406912A406915pFC415pFC5+12v+5vXINT2-12VUa10KR71KR510KR6图2-2同步信号产生电路1从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R5=1K，C4=15pF，则时间常数错误!未找到引用源。lms，因此符合设计要求;第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较;第三部分为上拉箝位电路，之后再经过两个非门，以增强驱动能力，满足TMS320LF2407的输入信号要求[1]。1.1.2常用电网电压采样电路2常用电网电压同步信号采样电路2如图2-3所示。ADMC401芯片的脉宽调制PWM发生器有专门的PWMSYNC引脚，它产生与开关频率同步的脉宽调制PWM的同步脉冲信号。23184AU?TLP521CX/RX14CLR13Q9Q10A12B11MC14538R13VCCR14CVCCVCC+15VR11R10R9R7R6R5R8Port+15VR12图2-3同步信号发生电路2图2-3中的输入端信号取自a相的检测电压，经过过零检测电路后得到正负两3个电平，随后进入光电隔离TLP521产生高电平和低电平进入D触发器MC14538的正的触发使能输入引脚A，当A为高电平时，输出引脚Q输出一个脉冲，这个脉冲宽度由电阻Rl。和电容C决定。当然这里希望脉冲宽度越小越好，否则将影响STATCOM的输出电压与其接入点电压的同步。与此同时，可以通过设置ADMC401的内部寄存器PWMSYNCWT寄存器与信号脉冲相匹配[2]。1.1.3常用电网电压采样电路3电网电压同步电路可以实现精确的过零点检测，并输出高电平，将输出信号脉冲的上升沿输入捕获单元三即可获得同步信号[3]。图2-4即为一种常见的电网电压同步信号产生电路。T1+3.3VR6CAP323184AU2ALF35323184AU1ALF353R2R5R4R3+12V-12VR1Port图2-4同步信号产生电路3图2-4所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、滑线变阻器和电压比较器LM353组成的缓冲环节。第二部分由电压比较器LM353构成，实现过零比较。最后一部分为输入DSP系统箝位保护电路[3]1.1.4常用电网电压采样电路4常用网电压同步信号产生电路4如图2-5所示:412345678LM3112314111LM1240.1uFC2021KR2Port1KR31MR5VDDVEE0.1uFC71KR40.1uFC810KR6+3.3VPort图2-5同步信号产生电路4图2-5所示同步电路由两部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该环节主要是滤除电网的毛刺干扰。滤波电路造成的延时可在程序中补偿。第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环环节来抑制干扰和信号的震荡[4]。1.1.5常用电网电压采样电路5图2-6所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节主要是滤除电网的谐波干扰。滤波电路造成的延时可在程序中补偿起来。其中凡R341=1KΩ，C341=0.luF;第二部分由电压比较器LM3ll构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环来抑制干扰和信号的振荡[2]。231411ALM124-12V+12V0.1uFC3411KR341INT470R34212345678LM311+12V-12V1KR3441KR34510KR346+3.3VOUT图2-6同步信号产生电路551.2常用交流电压采样电路及其特点1.2.1常用交流电压采样电路1为了实现对STATCOM的控制，必须要检测三相瞬时电压Ua、Ub和Uc。如下图2-7为电路一相电压采样电路:a.电压转换电路CHV-50P+15V-15VCCcomUaR1TVS1R1R1R2R3C1C2+-Uo电压转换电路滤波补偿电路图2-7交流电压采样电路图电压转换电路通过霍尔电压传感器CHV-50P实现。CHV-50P型电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或小电流。磁补偿式测量，过载能力强，性能稳定可靠，易于安装，用于电压测量时，传感器通过与模块原边电路串联的电阻Ru1与被测量电路并联连接，输出电流正比于原边电压。上图电压转换电路为a为单相电压转换电路，这里对电阻Ru1和电阻Ru2的选择作一些说明。由于CHV-50P的输入额定电流In1为10mA，本电路检测的电压是220V的交流电压，则u1n1U220VR===2.2KΩI10mA(2.1)电阻Ru1消耗的功率P1为错误!未找到引用源。11220102.2nPUImAW(2.2)因此电阻Ru1选择阻值为2.2kΩ，功率为5W的大功率电阻。另外为了抑制共6模干扰，在交流输入侧并联了两个电容C。当然为了更好地消除这些干扰，可以在电压变换电路之前再加隔离变压器，那么电阻Ru1的选择就要对应于经过隔离变压器后电压的改变而改变。由于CHV-50P的输入额定电流In2为50mA，为了ADMC40l的A/D转换通道检测，必须把输出电流转换为电压，所以在电压传感器的输出侧串联了电阻Ru2。ADMC401的A/D转换通道检测电压范围-2V~+2V，则u22VR==40Ω50mA(2.3)由于电阻Ru2消耗功率比较小，电阻Ru2选择上对功率没有特殊的要求。b.滤波补偿电路由于电压电流的检测点就是STATCOM接入电网的同一点，其谐波干扰还是比较大的滤波补偿电路。，那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入了滤波补偿电路包含两部分:一部分为RC滤波，另一部分为相位补偿，如图上图中所示[5]。1.2.2常用交流电压采样电路2此三相电压采样电路包括信号放大电路，二阶滤波电路，单极性转换电路。a.信号放大电路交流信号放大电路见图2-8所示。本设计采用的互感器为国内最新的高精度电压互感器(SPT204A)。其中SPT204A实际上是一款毫安级精密电压互感器，输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA，线性范围±10mA，非线性度0.1%，相移经过补偿后小于5’。SCT254AZ是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输出电流为2.5mA，线性范围0~20A，非线性度小于0.1%，相移经过补偿后小于5’。由于该电压传感器采用的为1:1电流变电流型，所以要在电压互感器前面加R1，将电压信号转变为电流信号，而电流互感器就不需要加电阻R1。这样电压互感器副边输出为电流信号，这与电流互感器副边输出信号相似。交流信号放大电路工作原理可由下式表示:错误!未找到引用源。(2.4)通过R2将传感器输出的电流信号转变为电压信号7231411ATL084C1104-5VC6104R3D1D2+5V+5V-5VUiUiSPT204APTIIo2Io1VaR1100K12图2-8信号放大电路b.二阶滤波电路图2-9为二阶滤波电路，截至频率为2.5KHz。231411ATL084C3103R4360C21043.9KR91KR7U1f=2.5kHz图2-9二阶滤波电路c.单极性转换电路由于设计采用的DSP自带的AD，其采样要求输入信号为0~3.3V，故接入其引脚的信号电压也不能超过3.3V所以必须对放大电路给出的双极性信号做进一步处理。单极性转换电路如下图2-10所示[6]。8231411ATL084C51033KR103.9KR91KR710KR21C410320KR620KR81.25V图2-10单极性转换电路1.2.3常用交流电压采样电路3交流电压变送器以0～5V的交流电压作为输出信号。因TMS320F2812的A/D输入信号范围为0～3V．因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入的要求。交流电压调理电路见图2-11，由图可知该电路由3部分组成：第1部分为射极跟随器．以提高电路的输入阻抗：第2部分是电压偏移电路：第3部分为箝位限幅电路，以保证输出电压信号在0～3V，满足TMS320F2812的A/D输入信号范围[7]。231411A231411AC1-15V+15VR1R3R2R4VCC+15V-15VVCCADC交流电压图2-11交流电压信号调理电路1.2.4常用交流电压采样电路4系统电压经过相应的传感器后，统一变换为适当幅值的电压信号，经调理电路后，进行A/D转换。图2-12为采样电路原理图。923184AALF35311610KR1310.01uFC101VCCVEE11610KR13211610KR13311610KR1341161KR125V3.30.01uFC108AD231411ALF353+3.3V图2-12系统电压的采样电路从图2-12可知，系统输出电压的采样电路由四部分组成，第一部分是由LF353的运放构成的电压跟随器，R131和C109是为了抑制干扰。第二部分为电平抬升电路，将围绕零电平波动的信号提升为单极性信号，第三部分进行跟随，第四部分为进入A/D前的保护部分，防止信号异常导致DSP芯片损坏[4]。1.2.5常用交流电压采样电路5相电压检测电路如图2-13所示，该电路采用了运算放大器加电压跟随器的方式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D入口端采用二极管钳位，防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电压互感器的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为0~3.3V的单极性电压信号接入DSP的A/D通道引脚[8]。23184A23184A23184A+12V-12VD1D2C2R6Port+3.3VR5R4+3.3VR3R8+12V-12VR2C1PTR3V+V-R7图2-13相电压采样电路101.3常用交流电流采样电路及其特点1.3.1常见交流电流采样电路1a.电流转换电路图2-14电流转换电路，其中CT为霍尔电流传感器DT50-P，它的性能也稳定可靠，易于安装。如何选择电阻R比较简单，可以参考上面交流电压转换电路，这里就不再赘述。DT-50P+15V-15VR1TVS1R1R1R2R3C1C2+-Io电流转换电路滤波补偿电路图2-14交流信号采样电路DT-50P+15V-15V图2-15电流转换电路b.滤波补偿电路由于电压电流的检测点就是STATCOM接入电网的同一点，其谐波干扰还是比较大的滤波补偿电路。那么三相电压电流经过各自的转换电路后必须进入了滤波补偿电路包含两部分:一部分为RC滤波，另一部分为相位补偿，如图2-16所示[5]。11R1TVS1R