專利名稱：電流采樣電路及其電流量程判定裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流采樣電路及其量程判定裝置，特別是涉及一種變壓器中性點的電流采樣電路及其電流量程判定裝置。
背景技術：
高壓直流系統單極大地回線運行時，巨大的直流電流經直流接地極流入大地，并在較大范圍內造成地電位的明顯變化，這種地電位的變化，對于同一地區的交流系統可能產生影響。兩個處于不同直流電位的變電站經輸電線路構成回路，將直流電流引入變壓器中性點和變壓器繞組，使得變壓器出現直流偏磁現象，造成變壓器噪聲增大，振動加劇等， 還可能發生過熱以及交流電網的諧波畸變增大。這種直流單極運行或經大地運行對交流的影響在嚴重時甚至可能造成變壓器的損壞或保護的誤動。根據上述情況，變壓器中性點通過的直流電流要實時檢測，如有異常可快速及時地向調度反映，通過這種方式來掌握及控制直流對變壓器的影響。變壓器中性點的電流變化范圍很大，通常在50A以內，但是有些突然情況，可能會達到100A以上，這就給中性點電流的測量帶來了很大的困難，中性點的電流由直流電流和交流電流組成，現有技術中對中性點電流的測量通采用霍爾電流傳感器測量，然而量程范圍大的霍爾電流傳感器通常都是F. S.精度，在測量較小電流時，帶來的誤差太大。因此，為了保證大范圍測量的精度，通常需采用多個不同量程的霍爾電流傳感器一起測量，采樣到其輸出結果后，通過控制器比較，選擇精度高的測量結果。然而，這種情況下，多個霍爾電流傳感器必須一直處于工作狀態，如果較大電流出現的時間較長，量程小的霍爾電流傳感器很容易損壞，且采樣后判定結果，采樣電路較為復雜，采樣結果到控制器內部，判定量程也較為復雜，消耗大量的控制器資源，需要較長的處理時間。綜上所述，可知先前技術中對變壓器中性點電流的測量存在量程小的霍爾電流傳感器容易損壞、采樣電路及判定量程較為復雜以及需較長處理時間等問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

發明內容
為克服上述現有技術存在的不足，本發明的主要目的在于提供一種電流采樣電路及其電流量程判定裝置，其通過將量程最大的霍爾電流傳感器的測量結果通入比較電路， 比較結果經過隔離電路直接輸入到控制器的I/O端口，通過讀取I/O端口的電平直接判定出電流測量的量程，解決了現有技術存在的量程小的霍爾電流傳感器容易損壞、采樣電路及判定量程較為復雜以及需較長處理時間等問題。為達上述及其它目的，本發明提供一種電流量程判定裝置，應用于一電流采樣電路，該電流采樣電路用于對變壓器中性點的電流測量，其中，該電流量程判定裝置至少包括預處理電路，連接于該電流采樣電路中量程最大的霍爾電流傳感器，以將該霍爾電流傳感器輸出的單極信號處理成雙極信號并隔離放大或將該霍爾電流傳感器輸出的雙極信號隔離放大；絕對值電路，連接于該預處理電路的輸出端，其用于將預處理后的雙極信號取絕對值僅要幅度信號后輸出絕對值信號；N個比較電路，均連接于該絕對值電路的輸出端，其用于將該絕對值信號和相應基準進行比較獲得N個初級量程信號；以及N個隔離電路，對應連接于該N個比較電路，以將該N個初級量程信號和后續處理電路隔離獲得適合后續處理電路電平的N個次級量程信號。進一步地，該預處理電路至少包括第一運算放大器、第一電阻以及第三電阻，其中，該量程最大的霍爾電流傳感器的輸出電壓經該第一電阻與該第一運算放大器的負相相連，一偏置電壓與該第一運算放大器的正相相連，該第一運算放大器的負相與輸出之間接該第三電阻。進一步地，該偏置電壓經過一第二電阻與該第一運算放大器的正相相連以保護該第一運算放大器。進一步地，若該量程最大的霍爾電流傳感器為單極輸出，該預處理電路將之變換為雙極輸出，并且將其輸出信號放大，該偏置電壓為零點電流對應的電壓；若該量程最大的霍爾電流傳感器為雙極輸出，該預處理電路起電壓跟隨作用，并將其輸出信號放大，該偏置電壓為零。進一步地，該絕對值電路包括第二運算放大器、第三運算放大器、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九電阻、第一快速二極管以及第二快速二極管，該預處理電路的輸出經該第四電阻與該第二運算放大器的負相相連，該第二運算放大器的正相接地，負相與輸出之間接該第五電阻；該預處理電路的輸出同時經該第九電阻與該第三運算放大器的正相相連，該第七電阻與該第一快速二極管反串聯，該第八電阻與該第二快速二極管反串聯，兩個串聯電路并聯接于該第三運算放大器的負相與輸出之間，該第一快速二極管與該第二快速二極管的方向相反；該第七電阻與該第一快速二極管的接點或該第八電阻與該第二快速二極管的接點經該第六電阻與該第二運算放大器的負相相連。進一步地，該第六電阻的阻值為該第四電阻阻值的一半。進一步地，該比較電路包括比較器和限流電阻，該絕對值電路的輸出經該限流電阻接到該比較器的正相，該比較器的負相接測量電流所要劃分的量程對應的電壓。進一步地，該比較電路的數量N由該電流采樣電路所需要的不同量程的霍爾電流傳感器的數量決定，N為霍爾電流傳感器的數量減1。進一步地，該隔離電路包括光耦合器、輸入限流電阻以及上拉電阻，其中，一比較電路的比較器的輸出經該輸入限流電阻與該光耦合器發光側相連，該上拉電阻一側接該光耦合器輸出，另一側接電源。進一步地，該隔離電路的輸出信號直接輸入到該電流采樣電路的控制器的輸入/ 輸出引腳。進一步地，該N個隔離電路的光耦合器的數量與該N個比較電路的比較器的數量相同，且一一對應。為達上述及其它目的，本發明提供一種包含如權利要求1所述之電流量程判定裝置的電流采樣電路，用于對變壓器中性點的電流采樣，至少包括N個霍爾電流傳感器、該電流量程判定裝置、控制器、多路模擬開關電路以及模數轉換電路，該N個霍爾電流傳感器中量程最大的霍爾電流傳感器與該電流量程判定裝置連接，該量程最大的霍爾電流傳感器的輸出結果通過該電流量程判定裝置直接輸入到該控制器的輸入/輸出引腳，從而判斷出電流的測量范圍，該控制器通過控制該多路模擬開關電路選擇相應的霍爾電流傳感器通道，經過該模數轉換電路將數字信號輸入到該控制器。與現有技術相比，本發明一種電流采樣電路及其電流量程判定裝置，通過將量程最大的霍爾電流傳感器的測量結果通入比較電路，比較結果經過隔離電路直接輸入到控制器的I/O端口，通過讀取I/O端口的電平直接判定出電流測量的量程，解決了現有技術存在的量程小的霍爾電流傳感器容易損壞、采樣電路及判定量程較為復雜以及需較長處理時間等問題。


圖1為本發明一種電流采樣電路之較佳實施例的電路結構圖；圖2為圖1中電流量程判定裝置之較佳實施例的電路結構圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例并結合

本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基于不同觀點與應用，在不背離本發明的精神下進行各種修飾與變更。圖1為本發明一種電流采樣電路之較佳實施例的電路結構圖。本發明之電流采樣電路用于對變壓器中性點的電流采樣，至少包括N個霍爾電流傳感器101、電流量程判定裝置102、控制器103、多路模擬開關電路104以及模數轉換電路(ADC) 105。其中，N個霍爾電流傳感器101中量程最大的一個(在本發明較佳實施例中設為霍爾電流傳感器1)與電流量程判定裝置102連接，霍爾電流傳感器1的輸出結果通過電流量程判定裝置102直接輸入到控制器103的I/O引腳，從而判斷出電流的測量范圍，控制器103通過控制多路模擬開關電路(MUX) 104選擇相應的霍爾電流傳感器通道，經過模數轉換電路105，將數字信號輸入到控制器103。圖2為圖1中電流量程判定裝置之較佳實施例的電路結構圖。具體來說，本發明之電流量程判定裝置至少包括預處理電路21、絕對值電路22、N個比較電路23以及N個隔離電路M。其中，預處理電路21用于將采樣到的單極信號處理成雙極信號并隔離放大或將采樣到的雙極信號隔離放大，其包括第一運算放大器210、第一電阻R1、第二電阻R以及第三電阻R3，其中，量程最大的霍爾電流傳感器(即霍爾電流傳感器1)的輸出電壓Vs經過第一電阻Rl與第一運算放大器210的負相相連，一偏置電壓Voff經過第二電阻R2與第一運算放大器210的正相相連，第一運算放大器的負相與輸出之間接第三電阻R3，第三電阻R3 與第一電阻Rl的比值為信號放大倍數，在此，第二電阻R2起到保護第一運算放大器210的作用，霍爾電流傳感器檢測正、負電流，單極輸出或雙極輸出，若是單極輸出，預處理電路21將之變換為雙極輸出，并且將其輸出信號放大，偏置電壓為零點電流對應的電壓；若是雙極輸出，預處理電路21起到電壓跟隨作用，并將其輸出信號放大，偏置電壓為零，即接地。絕對值電路22用于將預處理后的雙極信號取絕對值僅要幅度信號后輸出絕對值信號，其包括第二運算放大器220、第三運算放大器221、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第一快速二極管D1、第二快速二極管D2，其中，預處理電路21的輸出經第四電阻R4與第二運算放大器220的負相相連，第二運算放大器220的正相接地，負相與輸出之間接第五電阻R5 ；預處理電路21的輸出同時經第九電阻 R9與第三運算放大器221的正相相連，第七電阻R7與第一快速二極管Dl反串聯，第八電阻R8與第二快速二極管D2反串聯，兩個串聯電路并聯接于第三運算放大器221的負相與輸出之間，第一快速二極管Dl與第二快速二極管D2的方向相反；第七電阻R7與第一快速二極管Dl的接點或第八電阻R8與第二快速二極管D2的接點經第六電阻R6與第二運算放大器220的負相相連，第六電阻R6的阻值為第四電阻R4阻值的一半。比較電路23用于將絕對值信號和相應基準進行比較獲得初級量程信號電平，其包括比較器230和限流電阻R10，絕對值電路22的輸出經限流電阻RlO接到比較器230的正相，比較器230的負相接測量電流所要劃分的量程對應的電壓VI，在此需說明的是，這里比較電路的數量N由所需要的不同量程的霍爾電流傳感器的數量決定，其數量為霍爾電流傳感器的數量減1，比較電路23的結果決定測量電流所采用的霍爾電流傳感器，圖2中示出了兩個比較電路，但不以此為限。隔離電路M用于將初級量程信號和后續處理電路隔離獲得適合后續處理電路電平的次級量程信號，其包括光耦合器0PT1、輸入限流電阻R12和上拉電阻R14，其中，比較電路23的比較器230的的輸出經輸入限流電阻R12與光耦合器OPTl發光側相連，輸入限流電阻R12限定輸入電流，保護光耦合器發光二極管；上拉電阻R14 —側接光耦合器OPTl 輸出，另一側接電源，該電源電壓幅值與控制器103的處理電平相同，且為數字地，隔離電路對將比較器230的輸出結果變換為與控制器103的處理電平一致，可將隔離電路M的輸出信號直接輸入到控制器103的I/O引腳，作為觸發信號，在此，隔離電路M的光耦合器 OPTl的數量與比較電路23的比較器230的數量相同，且一一對應。以下將通過一具體實施例配合圖2來進一步說明本發明之工作原理在本具體實施例中，預處理電路21包括運算放大器0PA1、電阻R1、電阻R2、電阻R3，其中，量程最大的霍爾電流傳感器(霍爾電流傳感器1)的輸出電壓Vs經過電阻Rl與運算放大器Ul的負相相連，偏置電壓Voff經過電阻R2與運算放大器OPAl的正相相連，運算放大器OPAl的負相與輸出之間接電阻R3，電阻R3與電阻Rl的比值為信號放大倍數，電阻R2起到保護運算放大器OPAl的作用，所選用的霍爾電流傳感器輸出電流為12士8mA，采樣電阻為200 Ω，輸出電壓為2. 4士 1. 6V，偏置電壓選擇2. 4V，將單極的輸出變換為雙極輸出，電阻Rl取330 Ω， 電阻R3取Ik Ω，預處理電路的輸出電壓約為-4. 8 +4. 8V，電阻R2取330 Ω，運算放大器 OPAl 采用 0ΡΑ^04。絕對值電路22包括運算放大器0ΡΑ2、運算放大器0ΡΑ3、電阻R4、電阻R5、電阻 R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、快速二極管Dl、快速二極管D2，其中輸入經電阻R4與運算放大器0ΡΑ2的負相相連，運算放大器0ΡΑ2的正相接地，負相與輸出之間接電阻R5 ；輸入同時經電阻R9與運算放大器0ΡΑ3的正相相連，電阻R7與快速二極管Dl反串聯，電阻R8與快速二極管D2反串聯，兩個串聯電路并聯接于運算放大器0PA3的負相與輸出之間，快速二極管Dl與快速二極管D2的方向相反；電阻R7與快速二極管Dl的接點經電阻R6與運算放大器0PA2的負相相連，電阻R6的阻值為電阻R4阻值的一半，電阻R4為^Ω，電阻R5為 2kQ，電阻R6為lkQ，電阻R7為lkQ，電阻R8為lkQ，電阻R9為lkQ，快速二極管D1、 D2采用IN4148，運算放大器0PA2、0PA3采用0PA^04。比較電路23的比較器數量由測量電流劃分的量程數量決定，即由采用的霍爾電流傳感器的數量決定，本實施例采用三個量程的霍爾電流傳感器，需要兩個比較電路，絕對值電路22的輸出經限流電阻RlO與比較器COMPl正相連接，經限流電阻Rll與比較器C0MP2 正相連接，比較器COMPl的負相連接比較電壓VI，比較器C0MP2的負相連接比較電壓V2，比較電壓VI、V2由霍爾電流傳感器的量程決定，量程最大的霍爾電流傳感器的測量范圍設定為0-士 120A，對應的絕對值電路2的輸出電壓為0-4. 8V，另外兩個霍爾電流傳感器的測量范圍分別為0-士25A、0-士5A，5A、25A對應絕對值電路2的輸出電壓為0. 2V、IV，因而比較電壓Vl取0. 2V,比較電壓V2取IV，電阻R10、R11為47 Ω，比較器C0MPUC0MP2采用TLV3501。隔離電路M與比較電路23對應，即與比較電路3的數量相同，比較器COMPl的輸出經限流電阻R12與光耦合器OPTl發光側相連，比較器C0MP2的輸出經限流電阻R13與光耦合器0ΡΤ2發光側相連；上拉電阻R14 —側接光耦合器OPTl的輸出，另一側接電源+3. 3V, 上拉電阻R15 —側接光耦合器0ΡΤ2的輸出，另一側接電源+3. 3V，+3. 3V電源為控制器的I/ 0端口處理電平，且為數字地，光耦合器的輸出結果I/O UI/O 2直接輸入到控制器I/O引腳，作為觸發信號，電阻R12、R13為470 Ω，電阻R14、R15為300 Ω，光耦合器0ΡΤ1、0ΡΤ2采用 6Ν137。可見，本發明一種電流采樣電路及其電流量程判定裝置，通過將量程最大的霍爾電流傳感器的測量結果通入比較電路，比較結果經過隔離電路直接輸入到控制器的I/O端口，通過讀取I/O端口的電平直接判定出電流測量的量程，解決了現有技術存在的量程小的霍爾電流傳感器容易損壞、采樣電路及判定量程較為復雜以及需較長處理時間等問題， 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果第一、用模擬電路判定電流測量量程，電路簡單，易于實現，且響應快；第二、通過光耦合器將模擬電路、控制器互相隔離，使之互相沒有影響；第三、電流方波信號可直接輸入到控制器I/O引腳，作為觸發信號，控制器可快速判斷出電流的測量量程，占用資源少，效率高；第四、判斷量程不需要每個電流傳感器的輸出結果，在判定之前，其他電流傳感器可不工作，以保護其不會因為長時間過載而損壞。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何本領域技術人員均可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此， 本發明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種電流量程判定裝置，應用于一電流采樣電路，該電流采樣電路用于對變壓器中性點的電流測量，其特征在于，該電流量程判定裝置至少包括預處理電路，連接于該電流采樣電路中量程最大的霍爾電流傳感器，以將該霍爾電流傳感器輸出的單極信號處理成雙極信號并隔離放大或將該霍爾電流傳感器輸出的雙極信號隔離放大；絕對值電路，連接于該預處理電路的輸出端，其用于將預處理后的雙極信號取絕對值僅要幅度信號后輸出絕對值信號；N個比較電路，均連接于該絕對值電路的輸出端，其用于將該絕對值信號和相應基準進行比較獲得N個初級量程信號；以及N個隔離電路，對應連接于該N個比較電路，以將該N個初級量程信號和后續處理電路隔離獲得適合后續處理電路電平的N個次級量程信號。
2.如權利要求1所述的電流量程判定裝置，其特征在于該預處理電路至少包括第一運算放大器、第一電阻以及第三電阻，其中，該量程最大的霍爾電流傳感器的輸出電壓經該第一電阻與該第一運算放大器的負相相連，一偏置電壓與該第一運算放大器的正相相連， 該第一運算放大器的負相與輸出之間接該第三電阻。
3.如權利要求2所述的電流量程判定裝置，其特征在于該偏置電壓經過一第二電阻與該第一運算放大器的正相相連以保護該第一運算放大器。
4.如權利要求2所述的電流量程判定裝置，其特征在于若該量程最大的霍爾電流傳感器為單極輸出，該預處理電路將之變換為雙極輸出，并且將其輸出信號放大，該偏置電壓為零點電流對應的電壓；若該量程最大的霍爾電流傳感器為雙極輸出，該預處理電路起電壓跟隨作用，并將其輸出信號放大，該偏置電壓為零。
5.如權利要求1所述的電流量程判定裝置，其特征在于該絕對值電路包括第二運算放大器、第三運算放大器、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、第九電阻、 第一快速二極管以及第二快速二極管，該預處理電路的輸出經該第四電阻與該第二運算放大器的負相相連，該第二運算放大器的正相接地，負相與輸出之間接該第五電阻；該預處理電路的輸出同時經該第九電阻與該第三運算放大器的正相相連，該第七電阻與該第一快速二極管反串聯，該第八電阻與該第二快速二極管反串聯，兩個串聯電路并聯接于該第三運算放大器的負相與輸出之間，該第一快速二極管與該第二快速二極管的方向相反；該第七電阻與該第一快速二極管的接點或該第八電阻與該第二快速二極管的接點經該第六電阻與該第二運算放大器的負相相連。
6.如權利要求5所述的電流量程判定裝置，其特征在于該第六電阻的阻值為該第四電阻阻值的一半。
7.如權利要求1所述的電流量程判定裝置，其特征在于該比較電路包括比較器和限流電阻，該絕對值電路的輸出經該限流電阻接到該比較器的正相，該比較器的負相接測量電流所要劃分的量程對應的電壓。
8.如權利要求1所述的電流量程判定裝置，其特征在于該比較電路的數量N由該電流采樣電路所需要的不同量程的霍爾電流傳感器的數量決定，N為霍爾電流傳感器的數量減1。
9.如權利要求1所述的電流量程判定裝置，其特征在于該隔離電路包括光耦合器、輸入限流電阻以及上拉電阻，其中，一比較電路的比較器的輸出經該輸入限流電阻與該光耦合器發光側相連，該上拉電阻一側接該光耦合器輸出，另一側接電源。
10.如權利要求9所述的電流量程判定裝置，其特征在于該隔離電路的輸出信號直接輸入到該電流采樣電路的控制器的輸入/輸出引腳。
11.如權利要求10所述的電流量程判定裝置，其特征在于該N個隔離電路的光耦合器的數量與該N個比較電路的比較器的數量相同，且一一對應。
12.一種包含如權利要求1所述之電流量程判定裝置的電流采樣電路，用于對變壓器中性點的電流采樣，至少包括N個霍爾電流傳感器、該電流量程判定裝置、控制器、多路模擬開關電路以及模數轉換電路，該N個霍爾電流傳感器中量程最大的霍爾電流傳感器與該電流量程判定裝置連接，該量程最大的霍爾電流傳感器的輸出結果通過該電流量程判定裝置直接輸入到該控制器的輸入/輸出引腳，從而判斷出電流的測量范圍，該控制器通過控制該多路模擬開關電路選擇相應的霍爾電流傳感器通道，經過該模數轉換電路將數字信號輸入到該控制器。
全文摘要
本發明公開一種電流采樣電路及其電流量程判定裝置，用于對變壓器中性點的電流測量，其電流量程判定裝置包括預處理電路、絕對值電路、N個比較電路以及N個隔離電路，本發明通過將電流采樣電路中量程最大的霍爾電流傳感器的測量結果通入比較電路，比較結果經過隔離電路直接輸入到控制器的I/O端口，通過讀取I/O端口的電平直接判定出電流測量的量程，解決了現有技術存在的量程小的霍爾電流傳感器容易損壞、采樣電路及判定量程較為復雜以及需較長處理時間等問題。
文檔編號G01R15/09GK102445587SQ201110369719
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者劉闖, 王學年, 黃華 申請人:華東電力試驗研究院有限公司