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工業(yè)電源測(cè)量，工業(yè)電源技術(shù)
- 摘要：本文講述了工業(yè)電源測(cè)量的最新解決方案
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。
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)。
隨后可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并衰減到0.5 V ~ 4.5 V，然后直接傳輸?shù)紸DC（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(zhuǎn)換器通過(guò)6個(gè)ADC提供固有的采樣和保持特性，該器件可用于電源測(cè)量應(yīng)用。在該應(yīng)用中，測(cè)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(lái)轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)。使用ΔΣ ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)量的主要優(yōu)勢(shì)之一是可以使用數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器不僅能夠?yàn)V除轉(zhuǎn)換器的量化噪聲，而且還能以固有的方式對(duì)此類應(yīng)用中存在的較大噪聲定形，并將其排除在信號(hào)頻帶之外。在某些測(cè)量中除采用前面提到的6通道外還增加了另外兩個(gè)通道。在這些情況下，也可以測(cè)量零線(neutral line)電壓與電流。ΔΣ轉(zhuǎn)換器（例如TI公司的ADS1204）具有四個(gè)16位性能獨(dú)立的ΔΣ調(diào)制器。通過(guò)使用兩個(gè)ADS1204轉(zhuǎn)換器，可以同時(shí)從8個(gè)輸入通道獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖4說(shuō)明了四通道解決方案。INA159可對(duì)來(lái)自變壓器的輸入信號(hào)進(jìn)行衰減并調(diào)節(jié)電平。ADS1204將此信號(hào)數(shù)字化，并提供位流輸出。可編程數(shù)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(jìn)制輸出，DSP或微控制器可利用該輸出提供測(cè)量與控制算法功能。在這一特定的情況下，對(duì)于實(shí)時(shí)工業(yè)測(cè)量，推薦使用TI公司的TMS320F280x。
總結(jié)
當(dāng)系統(tǒng)電源監(jiān)視設(shè)備的設(shè)計(jì)存在非常高的電壓時(shí)，可以使用現(xiàn)有的組件來(lái)創(chuàng)建簡(jiǎn)單、高性能、低成本電壓與電流測(cè)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(jiǎn)單易用的方法：具有附加對(duì)被測(cè)信號(hào)模擬濾波功能的SAR轉(zhuǎn)換器以及具有固有數(shù)字濾波器的ΔΣ轉(zhuǎn)換器。這兩款解決方案均可提供高性能測(cè)量。然而關(guān)于采用何種解決方案取決于給定應(yīng)用的要求。
從歷史的角度來(lái)看，發(fā)電站電壓和電流測(cè)量之間的隔離由變壓器提供，并且已被公認(rèn)為是成本最低的、長(zhǎng)期可靠的解決方案。最近我們還推出了其它的隔離技術(shù)，這些技術(shù)可能允許進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，并允許ADC轉(zhuǎn)換在隔離層的發(fā)電站一端進(jìn)行，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。這一全新的隔離技術(shù)采用電容式隔離層（例如TI公司的ISO721）來(lái)提供高達(dá)6 kV的隔離（可能超出該值）。再參照?qǐng)D4，可以在ADS120x調(diào)制器與AMC1210數(shù)字濾波器之間實(shí)施隔離層，從而不需要再使用圖1中的其它隔離變壓器。在隨后幾個(gè)月里將推出更多的隔離產(chǎn)品，包括可在隔離層的高電位側(cè)進(jìn)行模擬測(cè)量的器件。
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