专利名称：发电机pt测速装置的制作方法
技术领域：
本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种发电机PT测速装置的设计。
背景技术：
发电机PT测速仪是一种发电行业用来给发电机测速的仪表，具体利用发电机机端PT信号来测定发电机的转速。PT信号取自发电机的电压互感器(即发电机副绕组)，当发电机在额定电压时，PT信号幅度为100V，当发电机过速时，PT信号电压将超过100V，甚至达到200V左右；当发电机没有励磁时，因发电机剩磁产生的残压也有0.7 2V，其频率与机组发电频率相同。传统PT测速仪表是将PT信号通过仪表内的小型隔离变压器将PT信号降压后传送到后级电路处理，经过信号处理解算PT信号频率，利用发电机转速公式即可测定发电机转速。传统的PT测速方式存在以下缺陷:PT信号幅度随着发电机转速的变化而变化，其变化范围大，而仪表内的隔离变压器的变比是固定的，难以同时满足PT信号最大和最小信号时降压要求。隔离变压器必须满足将最大幅度PT信号降压到后级电路允许的范围内，这样当PT在最小时信号经过隔离变压器后，幅度将变得非常低，容易和噪声混杂。隔离变压器的频率响应范围是有限的，一般隔离变压器的频率响应范围都在20赫兹以上(频率越低越难以实现，难度和成本将急剧增加)，在低于20赫兹时，输出信号就将急剧削弱，信号波形也会变形。而发电机测速仪表的一个主要功能就是给发电机在启停机时连续监测转速信号，由于 隔离变压器的频率响应范围的限制，当发电机转速低时，仪表可能会丢失信号。PT信号上会叠加谐波信号(其中，2、3次谐波影响会较严重)和其它干扰信号，在发电机励磁、并网以及甩负荷时，会有很多毛刺和波形畸变，传统的模拟滤波电路很难将这些干扰信号滤除。有改良的测速仪表通过非线性光耦隔离的方式来进行PT信号的隔离和采样，如CN102621345A，但是该方案仍然是需要隔离变压器限幅。此方法仍然是建立在传统的测速方式之上，虽然利用模拟电路进行了一定得改良，但是仍然避免不了在信号采集时就因仪表内部隔离变压器的先天缺陷会使信号大量损失，从而导致测量灵敏度严重不足，尤其是在低转速时。而在后面的隔离和滤波上也无法在保证不继续损失信号的情况下将干扰信号完全的进行隔离和滤除。CN102621345A中的信号调理电路可以展成如图1示的结构，当PT信号处于正半周时，光耦Ul工作，输出三极管导通，信号输出端输出一个约5V的高电平信号；iPT信号处于负半周时，光I禹U2工作,输出三极管导通,信号输出端输出一个低电平信号，电路输出如图2所示的脉冲信号。这种方案存在的缺陷如下:输入信号不能超过光耦的反向击穿电压，以常用的非线性光耦TLP521-1为例，其输入发光二极管的反向击穿电压最大为6V。目前尚无输入方向击穿电压达到200V的光耦，所以PT信号不能直接采用，仍然需要限幅变压器将PT信号电压限定在光耦的反向击穿电压以内。非线性光耦要可靠工作，需要一定的电流。以TLP-521为例，使用手册上的推荐工作条件是10mA，而输入限流电阻的阻值是一定的，在小信号的情况下，光耦将不能可靠工作，直至不能工作。非线性光耦的工作输入电压一般都在IV以上，即使限流电阻很小的情况下，在发电机未励磁时，若剩磁微弱，残压信号也不足以使光稱工作。此种方式只能将PT信号的正半周信号作为有用信号，负半周信号仅表现为脉冲信号的低电平，无法加以进一步的利用。如果PT信号有干扰，信号经过光耦后可能会出现在同一正半周内出现多次正脉冲，而脉冲信号在后级滤波中，用传统的滤波电路非常难以滤除，且也很难将这些脉冲信号和正常的信号区分出来。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的发电机PT测速仪表存在的上述问题，提出了一种发电机PT测速装置。本发明的具体技术方案为:一种发电机PT测速装置，具体包括:PT信号非线性限幅电路、线性光电隔离电路和逻辑滤波电路，其中，所述PT信号非线性限幅电路用于将PT信号的幅度限制在预先设定的阈值范围之内；所述线性光电隔离电路用于对限幅后PT信号进行光电隔离；所述逻辑滤波电路对光电隔离后的PT信号进行滤波处理，用于滤除非过零干扰信号，逻辑滤波电路输出所述PT信号的脉冲信号。进一步的，所述PT信号非线性限幅电路具体包括:第一电阻、第一二极管和第二二极管，所述PT信号输入至第一电阻的一端；第一二极管的阳极、第二二极管的阴极和第一电阻的另一端连接在一起作为所述PT信号非线性限幅电路的输出端；第一二极管的阴极和第二二极管的阳极藕接至地电位。进一步的，所述线性光电隔离电路具体包括:第一线性光耦器件、第二线性光耦器件、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第五放大器、第六放大器、第三二极管、第四二极管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻，其中，第二电阻的一端和第三电阻的一端连接在一起作为所述的线性光电隔离电路是输入端，第二电阻的另一端与所述第一线性光耦器件的第三端子、第一放大器的负向输入端和第三二极管的阴极连接在一起，第一线性光耦器件的第一端子通过第四电阻连接至第一放大器的输出端及第三二极管的阳极；第一线性光耦器件的第二端子和第四端子以及第一放大器的正向输入端藕接至地电位；第一线性光耦器件的第五端子和第六端子分别连接至第三放大器的正向输入端和负向输入端并且第一线性光耦器件的第六端子通过第六电阻连接至第三放大器的输出端；第三放大器的正向输入端藕接至地电位；第三电阻的另一端连接至第二线性光耦器件的第四端子及第二放大器的负向输入端、第四二极管的阳极；第二线性光耦器件的第二端子通过第五电阻连接至第二放大器的输出端和第四二极管的阴极；第二线性光耦器件的第一端子和第三端子以及第二放大器的正向输入端藕接至地电位；第二线性光耦器件的第五端子和第六端子分别连接至第四放大器的正向输入端和负向输入端并且第二线性光耦器件的第六端子通过第七电阻连接至第四放大器的输出端；第四放大器的正向输入端藕接至地电位；第三放大器的输出端与第五放大器的负向输入端相连接；第五放大器的正向输入端通过第八电阻连接至外部的第一基准电压，并通过第十电阻连接至第五放大器的输出端；第四放大器的输出端与第六放大器的负向输入端相连接；第六放大器的正向输入端通过第九电阻连接至外部的第一基准电压，并通过第十一电阻连接至第五放大器的输出端；第五放大器的输出端和第六放大器的输出端分别作为所述线性光电隔离电路的第一输出端和第二输出端。进一步的，所述的逻辑滤波电路包括一反相器和一 D触发器，其中，所述D触发器的直接置位端连接至所述线性光电隔离电路的第一输出端；所述反相器的输入端连接至所述线性光电隔离电路的第二输出端；所述反相器的输出端连接至所述D触发器的时钟信号端，所述D触发器的D触发端接地；所述D触发器的正相输出端作为所述逻辑滤波电路的输出端。本发明的有益效果:本发明的PT测速装置基于发电机组的现有PT信号，取消了仪表内部小型隔离变压器，使原始信号完全被收集采样，不增加其他任何附加设施，可以对传统仪表进行直接替换；本发明采用非线性的 限幅手段，可以实现对小于0.7V的PT小信号没有衰减；对超过0.7V以上的PT信号限制在0.7V，可保障后级电路稳定可靠工作；本发明引入线性光耦器件，对限幅后PT信号进行光电隔离，由于线性光耦器件的有源反馈工作机制，输入的微小信号都可以无损的传递到后级，且频率响应下限扩展到直流范围；此外采用数字电路，从逻辑上直接将信号上下半周中的毛刺和谐波滤除，从根本上滤除非过零的干扰。
图1是现有的一种现行PT信号的隔离和采样的信号调理电路示意图。图2是图1的工作过程信号示意图。图3是实施例的发电机PT测速装置具体结构示意4是实施例的非线性限幅电路结构示意图。图5是实施例的线性光电隔离电路结构示意图。图6是实施例的线性光耦器件结构及使用示意7是实施例的逻辑滤波电路结构示意图。图8是实施例的PT信号经过非线性限幅的波形示意图。图9是实施例的经过光耦隔离整形后的波形示意图。图10是实施例的逻辑滤波波形示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。本发明实施例的发电机PT测速装置具体结构示意图如图3所示，具体包括:PT信号非线性限幅电路、线性光电隔离电路和逻辑滤波电路，其中，所述PT信号非线性限幅电路用于将PT信号的幅度限制在预先设定的阈值范围之内；所述线性光电隔离电路用于对限幅后PT信号进行光电隔离；所述逻辑滤波电路对光电隔离后的PT信号进行滤波处理，用于滤除非过零干扰信号，逻辑滤波电路输出所述PT信号的脉冲信号。这里的PT测速装置基于发电机组的现有PT信号，取消了仪表内部小型隔离变压器，使原始信号完全被收集采样，不增加其他任何附加设施，可以对传统仪表进行直接替换。图4给出了一种非线性限幅电路结构示意图，具体包括:电阻R1、二极管D1、D2，PT信号输入至电阻Rl的一端；二极管Dl的阳极、二极管D2的阴极和电阻Rl的另一端连接在一起作为PT信号非线性限幅电路的输出端；二极管Dl的阴极和二极管D2的阳极藕接至地电位。这里PT信号通过电阻Rl后与反向并联的两个二极管相接。这样做的好处在于，当PT信号微弱时，所有的电压都加在二极管上，可以无衰减的传递到后级电路。当PT信号超过二极管导通电压后，超过的电压加在电阻Rl上。由于需要测量的物理量是频率，对波形并不关心，所以只要信号的过零特征被检测出来即可，削峰后的PT信号，完整的保留了这一特征，而且这样可以把大多数的干扰信息屏蔽掉，PT信号经过非线性限幅的波形示意图如图6所示。这里通过采用非线性的限幅手段，可以实现对小于0.7V的PT小信号没有衰减；对超过0.7V以上的PT信号限制在0.7V，可保障后级电路稳定可靠工作图5给出了线性光电隔离电路的一种结构示意图，具体包括:线性光耦器件U2、U3,第一放大器OPl、第二放大器0P2、第三放大器0P3、第四放大器0P4、第五放大器0P5、第六放大器 0P6, 二极管 D3、D4，电阻 R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、RIO、R11，图 5 中，U2A、U2B和U2C构成了线性光耦器件U2，U3A、U3B和U3C构成了线性光耦器件U3。为滤除整个 测量系统中的本底噪声，在本实施例中，外部的第一基准电压具体为IOOmV。在本实施例中，线性光耦器件具体采用的是HCNR201 (HCNR200为其低精度型号，还有如IL300、TIL300A，LOCl 10、LOClll等兼容型号)，HCNR201是光耦器件，频率响应范围可到直流，比传统的变压器隔离电路扩宽了频率响应范围。HCNR201还是线性光耦器件，通过反馈电路，可以响应微弱的输入信号，在灵敏度上比非线性光耦电路有天然的优势。其结构及使用示具体如图6所示，HCNR201光耦含有三个部分，一个发光二极管，两个性能参数几乎一致的光敏二级极管。在使用时，把发光二极管和光敏二级极管PDl组合使用，通过运算放大器反馈，调节发光二极管发光强度，使流过光敏二极管PDl的电流达到Vin/R61。由于PD2和PDl的性能参数几乎一致，所以流过PD2的电流和流过PDl的电流几乎是一致的，再通过电流一电压转换电路(使R63与R61阻值一致)，即可使Vout=Vin。经过限幅的PT信号通过两个线性光耦HCNR201无损的隔离传输到仪表的低压侧。且负半周信号被翻转成正信号，但在时序上仍然保持和正半周信号的固有关系。隔离后的正负半周信号通过两个斯密特比较器和一个100毫伏的基准电压比较整形，整形为两个TTL方波信号S1、S2，具体如图9所示。虽然非线性限幅电路已经可以滤除很大一部分干扰，但是一些强烈的干扰信号仍然会传递到后级，如图10所示。经过隔离整形后的信号，在一个半周期内可能出现多个脉冲，这些都是强烈干扰信号引起的。对于这种干扰，传统的模拟滤波电路，无论是有源滤波还是无源滤波都不能很好的滤除，对于此种情况最好的办法是用逻辑滤波来处理。图7给出了是一种逻辑滤波电路结构示意图，具体包括一反相器和一 D触发器，其中，D触发器的直接置位端连接至线性光电隔离电路的第一输出端；反相器的输入端连接至所述线性光电隔离电路的第二输出端；所述反相器的输出端连接至D触发器的时钟信号端，D触发器的正相输出端作为所述逻辑滤波电路的输出端。这里反相器具体采用74LS14，D触发器具体采用74LS74。本领域的技术人员也可以意识到，这里也可以使用GAL、CPLD、FPGA等逻辑门阵列器件实现此功能。将隔离整形后的信号S1、S2通过一个反相器和一个触发器进行逻辑整形，当其中一个信号没有电平翻转时，无论另一个信号翻转了多少次，都只有第一次翻转有效，具体如图10所示，这样所有的非过零干扰都是无效的，可以被逻辑滤波完全滤除。至此，得到PT脉冲信号，通过该脉冲信号利用现有的测算方法即可得到发电机转速。综上所述，本发明的贡献主要在于:PT测速装置基于发电机组的现有PT信号，取消了仪表内部小型隔离变压器，使原始信号完全被收集采样，不增加其他任何附加设施，可以对传统仪表进行直接替换；本发明采用非线性的限幅手段，可以实现对小于0.7V的PT小信号没有衰减；对超过0.7V以上的PT信号限制在0.7V，可保障后级电路稳定可靠工作；本发明引入线性光耦器件，对限幅后PT信号进行光电隔离，由于线性光耦器件的有源反馈工作机制，输入的微小信号都可以无损的传递到后级，且频率响应下限扩展到直流范围；此外采用数字电路，从逻辑上直接将信号上下半周中的毛刺和谐波滤除，从根本上滤除非过零的干扰。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变 形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种发电机PT测速装置，具体包括:PT信号非线性限幅电路、线性光电隔离电路和逻辑滤波电路，其中，所述PT信号非线性限幅电路用于将PT信号的幅度限制在预先设定的阈值范围之内；所述线性光电隔离电路用于对限幅后PT信号进行光电隔离；所述逻辑滤波电路对光电隔离后的PT信号进行滤波处理，用于滤除非过零干扰信号，逻辑滤波电路输出所述PT信号的脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的发电机PT测速装置，其特征在于，所述PT信号非线性限幅电路具体包括:第一电阻、第一二极管和第二二极管，所述PT信号输入至第一电阻的一端；第一二极管的阳极、第二二极管的阴极和第一电阻的另一端连接在一起作为所述PT信号非线性限幅电路的输出端；第一二极管的阴极和第二二极管的阳极藕接至地电位。
3.根据权利要求1或2所述的的发电机PT测速装置，其特征在于，所述线性光电隔离电路具体包括:第一线性光耦器件、第二线性光耦器件、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第五放大器、第六放大器、第三二极管、第四二极管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、 第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第i^一电阻，其中，第二电阻的一端和第三电阻的一端连接在一起作为所述的线性光电隔离电路是输入端，第二电阻的另一端与所述第一线性光耦器件的第三端子、第一放大器的负向输入端和第三二极管的阴极连接在一起，第一线性光耦器件的第一端子通过第四电阻连接至第一放大器的输出端及第三二极管的阳极；第一线性光耦器件的第二端子和第四端子以及第一放大器的正向输入端藕接至地电位；第一线性光耦器件的第五端子和第六端子分别连接至第三放大器的正向输入端和负向输入端并且第一线性光耦器件的第六端子通过第六电阻连接至第三放大器的输出端；第三放大器的正向输入端藕接至地电位；第三电阻的另一端连接至第二线性光耦器件的第四端子及第二放大器的负向输入端、第四二极管的阳极；第二线性光耦器件的第二端子通过第五电阻连接至第二放大器的输出端和第四二极管的阴极；第二线性光耦器件的第一端子和第三端子以及第二放大器的正向输入端藕接至地电位；第二线性光耦器件的第五端子和第六端子分别连接至第四放大器的正向输入端和负向输入端并且第二线性光耦器件的第六端子通过第七电阻连接至第四放大器的输出端；第四放大器的正向输入端藕接至地电位；第三放大器的输出端与第五放大器的负向输入端相连接；第五放大器的正向输入端通过第八电阻连接至外部的第一基准电压，并通过第十电阻连接至第五放大器的输出端；第四放大器的输出端与第六放大器的负向输入端相连接；第六放大器的正向输入端通过第九电阻连接至外部的第一基准电压，并通过第十一电阻连接至第五放大器的输出端；第五放大器的输出端和第六放大器的输出端分别作为所述线性光电隔离电路的第一输出端和第二输出端。
4.根据权利要求3所述的发电机PT测速装置，其特征在于，所述的逻辑滤波电路包括一反相器和一 D触发器，其中，所述D触发器的直接置位端连接至所述线性光电隔离电路的第一输出端；所述反相器的输入端连接至所述线性光电隔离电路的第二输出端；所述反相器的输出端连接至所述D触发器的时钟信号端，所述D触发器的D触发端接地；所述D触发器的正相输出端作为所述逻辑滤波电路的输出端。
5.根据权利要求2所述的发电机PT测速装置，其特征在于，所述的线性光耦器件具体采用的是HCNR201。
6.根据权利要求2所述的发电机PT测速装置，其特征在于，所述的第一基准电压具体为 IOOm V。
全文摘要
本发明公开了一种发电机PT测速装置，包括PT信号非线性限幅电路、线性光电隔离电路和逻辑滤波电路，其中，所述PT信号非线性限幅电路用于将PT信号的幅度限制在预先设定的阈值范围之内；所述线性光电隔离电路用于对限幅后PT信号进行光电隔离；所述逻辑滤波电路对光电隔离后的PT信号进行滤波处理，用于滤除非过零干扰信号，逻辑滤波电路输出所述PT信号的脉冲信号。本发明的PT测速装置基于发电机组的现有PT信号，取消了仪表内部小型隔离变压器，使原始信号完全被收集采样，不增加其他任何附加设施，可以对传统仪表进行直接替换。
文档编号G01P3/486GK103217546SQ201310141008
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者汤华诺, 熊慧 申请人:成都诺新科技有限公司