一种单一电流互感器取能与采样电路及控制方法与流程

本发明涉及电力自动化技术领域，具体地说，特别涉及一种单一电流互感器取能与采样电路及控制方法。

背景技术：

伴随着智能电网的发展，数字传感器及在线监测终端等自动化设备被大量使用，这些设备受安装位置、成本、绝缘等条件的限制，通常会采用太阳能光伏发电、电流互感器供电、电容分压供电、激光供能及单独电池供电的供电方式，这些供电方式各有优缺点，但对于需要监视电力系统电流的设备，如故障指示器、自供电的保护装置等，电流互感器供电从适用环境、成本、可靠性等方面综合考虑都是最适合的方式。

目前，电流互感器供电和电流信号采样的方式一般采用双ta(电流互感器)方式，双ta方式包括两种：一种为两个独立的ta，另一种为一个铁芯上有两个二次绕组。双ta方式无疑增加了材料成本，而两个二次绕组的方式，当取能绕组负载变化会引起磁路变化从而导致采样绕组的信号变化，影响测量精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种单一电流互感器取能与采样电路及控制方法，其具有取能可控、采样信号准确及成本低的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单一电流互感器取能与采样电路及控制方法，包括过电压保护电路、电流信号变换电路、分流电路、整流滤波电路、升压电路、交流电压信号正半周变换电路、交流电压信号负半周变换电路、直流电压信号变换电路和输出电压信号变换电路，所述过电压保护电路与分流电路连接，所述分流电路分别与电流信号变换电路、整流滤波电路、交流电压信号正半周变换电路和交流电压信号负半周变换电路连接，所述整流滤波电路分别与升压电路和直流电压信号变换电路连接，所述升压电路分别与mcu和输出电压信号变换电路连接，所述交流电压信号正半周变换电路、交流电压信号负半周变换电路、直流电压信号变换电路和输出电压信号变换电路都与a/d转换器连接且a/d转换器与mcu连接，所述直流电压信号变换电路由电阻r8、电阻r9和电容c6组成，所述电阻r8上端与电源引脚vdc1连接，所述电阻r8下端、电阻r9上端和电容c6上端都与a/d转换器的转换通道4连接。

作为本发明的一种优选实施方式，其所述控制方法包含以下步骤：

a)采样过程控制：当需要获取电力系统一次电流值时，mcu经“mcu控制1”和“mcu控制2”驱动mosfet管q1和mosfet管q2导通，然后通过ad转换器对“至ad转换通道1”进行信号采样得到电力系统一次电流对应的采样值，电流经微型精密电流变换器t、mosfet管q1、mosfet管q2返回，如果电流较大，mosfet管管压降增加，会有部分电流经mosfet管q2内部集成的二极管及整流滤波电路中的二极管d6返回，电流经微型精密电流变换器t、mosfet管q2、mosfet管q1返回，如果电流较大，mosfet管管压降增加，会有部分电流经mosfet管q1内部集成的二极管及整流电路中的二极管d4返回；

b)取能过程控制：当上述采样过程结束后，mcu通过“mcu控制1”和“mcu控制2”关闭mosfet管q1和mosfet管q2，此时整流滤波电路接入电流互感器ta的二次回路中，开始取能，取能过程中，mcu仍可打开mosfet管q1和mosfet管q2，以限制整流滤波后的直流电压vdc1过高，取能过程中，mcu同样通过电流信号变换电路可获得取能电流的值，取能过程中可对输出电压vdc2进行调节，将vdc2控制在规定的电压范围内，已满足负载对电压的要求。

作为本发明的一种优选实施方式，所述过电压保护电路由tvs管dt、电压检测器u2、电容c3、二极管d7、mosfet管q1、电阻r2、二极管d9、mosfet管q2和电阻r3组成，所述电容c3上端和电压检测器u2的引脚in都与电源引脚vdc1连接，所述电压检测器u2的引脚out分别与二极管d7左端和二极管d9左端连接，所述二极管d7右端和电阻r2上端都与mosfet管q1栅极连接，所述二极管d9右端和电阻r3上端都与mosfet管q2栅极连接，所述tvs管dt下端与电源引脚vac2连接且tvs管dt上端与电源引脚vac1连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电流信号变换电路由微型精密电流变换器t、二极管d1、二极管d2、运算放大器u1、电阻r1、电容c1和电位器rw组成，所述电容c1和电位器rw串联后与电阻r1并联，所述电阻r1左端、二极管d1上端和二极管d2上端都与运算放大器u1的负输入引脚连接，所述二极管d1下端和二极管d2下端都与运算放大器u1的正输入引脚连接，所述电阻r1右端和运算放大器u1输出引脚都与a/d转换器的转换通道1连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述分流电路由二极管d8、mosfet管q1、电阻r2、二极管d10、mosfet管q2和电阻r3组成，所述二极管d8右端和电阻r2上端都与mosfet管q1栅极连接，所述电阻r2下端与mosfet管q1源极连接，所述二极管d10右端和电阻r3上端都与mosfet管q2栅极连接，所述电阻r3下端与mosfet管q2源极连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述整流滤波电路由二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6构成全桥整流电路和电容c2组成，所述二极管d3上端、二极管d5上端和电容c2上端都与电源引脚vdc1连接，所述二极管d3下端和二极管d4上端都与电源引脚vac1连接，所述二极管d5下端和二极管d6上端都与电源引脚vac2连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述升压电路由电感l、mosfet管q3、电阻r10、二极管d11和电容c7组成，所述电感l左端与电源引脚vdc1连接，所述电感l右端和二极管d11左端都与mosfet管q3漏极连接，所述二极管d11右端和电容c7上端都与电源引脚vdc2连接，所述电阻r10上端与mosfet管q3栅极连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述交流电压信号正半周变换电路由电阻r4、电阻r5和电容c4组成，所述电阻r4上端与电源引脚vac1连接，所述电阻r4下端、电阻r5上端和电容c4上端都与a/d转换器的转换通道2连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述交流电压信号负半周变换电路由电阻r6、电阻r7和电容c5组成，所述电阻r6上端与电源引脚vac2连接，所述电阻r6下端、电阻r7上端和电容c5上端都与a/d转换器的转换通道3连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述输出电压信号变换电路由电阻r11、电阻r12和电容c8组成，所述电阻r11上端与电源引脚vdc2连接，所述电阻r11下端、电阻r12上端和电容c8上端都与a/d转换器的转换通道5连接。

本发明过电压保护电路用于防止电流互感器ta一次侧流过浪涌电流等导致二次产生的过电压烧毁元器件。分流电路用于采样过程和取能过程的切换，并限制取能电压过高。分流电路由两只mosfet开关管构成。采样时，开关管导通，将ta的二次绕组直接短接，ta二次电流流通路径相当于传统ta采样时的路径；取能时，开关管关闭，ta二次电流流经取能回路。整流滤波电路串接在分流电路之后，将取能电路的交流变换成直流。升压电路串接在整流滤波电路之后，起到升压及阻抗变换作用。电流信号变换电路直接串接在ta的二次回路中。电流信号变换电路用微型精密电流变换器将ta二次电流按固定比例放大或缩小并隔离后，再经电流电压变换电路将电流信号转换为ad转换器所能接受的输入信号。交流电压信号正半周变换电路将取能时ta二次侧电压信号的正半周调整到ad转换器所能接受的输入范围；交流电压信号负半周变换电路将取能时ta二次侧电压信号的负半周调整到ad转换器所能接受的输入范围；直流电压信号变换电路将整流滤波后的电压调整到ad转换器所能接受的输入范围、输出电压信号变换电路将最终的取能输出电压调整到ad转换器件能接受的输入范围。

本发明与现有技术相比具有以下优点：具有取能可控、采样信号准确及成本低的特点。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式的结构原理图；

图2为本发明的一种具体实施方式过电压保护电路、电流信号变换电路、分流电路、整流滤波电路和升压电路的电路图；

图3为本发明的一种具体实施方式交流电压信号正半周变换电路的电路图；

图4为本发明的一种具体实施方式交流电压信号负半周变换电路的电路图；

图5为本发明的一种具体实施方式直流电压信号变换电路的电路图；

图6为本发明的一种具体实施方式输出电压信号变换电路的电路图；

图7为本发明的一种具体实施方式的控制方法流程图；

图8为本发明电路交流信号采样时的电流正半周流向图；

图9为本发明电路交流信号采样时的电流负半周流向图；

图10为本发明采样电流与取能电流变化的波形示意图；

图11为本发明交流电压控制波形示意图。

附图标记说明：

1：过电压保护电路，2：电流信号变换电路，3：分流电路，4：整流滤波电路，5：升压电路，6：交流电压信号正半周变换电路，7：交流电压信号负半周变换电路，8：直流电压信号变换电路，9：输出电压信号变换电路；

dt：tvs管(瞬变电压抑制二极管)，u2：电压检测器，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8：电容，d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11：二极管，q1、q2、q3：mosfet管(内置反向二极管)，rw：电位器，r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12：电阻，l：电感，u1：运算放大器，t：微型精密电流变换器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1～11所示，其示出了本发明的具体实施方式；如图1所示，本发明公开的一种单一电流互感器取能与采样电路及控制方法，包括过电压保护电路1、电流信号变换电路2、分流电路3、整流滤波电路4、升压电路5、交流电压信号正半周变换电路6、交流电压信号负半周变换电路7、直流电压信号变换电路8和输出电压信号变换电路9，所述过电压保护电路1与分流电路3连接，所述分流电路3分别与电流信号变换电路2、整流滤波电路4、交流电压信号正半周变换电路6和交流电压信号负半周变换电路7连接，所述整流滤波电路4分别与升压电路5和直流电压信号变换电路8连接，所述升压电路5分别与mcu和输出电压信号变换电路9连接，所述交流电压信号正半周变换电路6、交流电压信号负半周变换电路7、直流电压信号变换电路8和输出电压信号变换电路9都与a/d转换器连接且a/d转换器与mcu连接，所述直流电压信号变换电路8由电阻r8、电阻r9和电容c6组成，所述电阻r8上端与电源引脚vdc1连接，所述电阻r8下端、电阻r9上端和电容c6上端都与a/d转换器的转换通道4连接。

优选的，其所述控制方法包含以下步骤：

a)采样过程控制：当需要获取电力系统一次电流值时，mcu经“mcu控制1”和“mcu控制2”驱动mosfet管q1和mosfet管q2导通，然后通过ad转换器对“至ad转换通道1”进行信号采样得到电力系统一次电流对应的采样值，电流互感器ta二次电流正半周的通路如图8所示，电流经微型精密电流变换器t、mosfet管q1、mosfet管q2返回，如果电流较大，mosfet管管压降增加，会有部分电流经mosfet管q2内部集成的二极管及整流滤波电路中的二极管d6返回。电流互感器ta二次侧电流负半周的通路如图9所示，电流经微型精密电流变换器t、mosfet管q2、mosfet管q1返回，如果电流较大，mosfet管管压降增加，会有部分电流经mosfet管q1内部集成的二极管及整流电路中的二极管d4返回，上述电流流通回路中整流滤波回路被mosfet管短接，因此对电流信号的采样不受取能负载的影响，且mosfet管的管压降很低，电流互感器ta的二次回路与传统采样方式的电流互感器二次回路等效，进一步通过本发明的信号变换电路可获得准确的电流值；

b)取能过程控制：当上述采样过程结束后，mcu通过“mcu控制1”和“mcu控制2”关闭mosfet管q1和mosfet管q2，此时整流滤波电路接入电流互感器ta的二次回路中，开始取能，取能过程中，mcu仍可打开mosfet管q1和mosfet管q2，以限制整流滤波后的直流电压vdc1过高，取能过程中，mcu同样通过电流信号变换电路可获得取能电流的值，取能过程中可对输出电压vdc2进行调节，将vdc2控制在规定的电压范围内，已满足负载对电压的要求，图10所示为mcu按周期采样时的采样电流与取能电流变化的波形示意图，图中采样过程与取能过程交替进行，采样电流波形不受取能过程的影响，特别说明，图10中示意的取能电流因负载过高而发生畸变，并不代表取能时电流一定会降低或畸变。

优选的，所述过电压保护电路1由tvs管dt、电压检测器u2、电容c3、二极管d7、mosfet管q1、电阻r2、二极管d9、mosfet管q2和电阻r3组成，所述电容c3上端和电压检测器u2的引脚in都与电源引脚vdc1连接，所述电压检测器u2的引脚out分别与二极管d7左端和二极管d9左端连接，所述二极管d7右端和电阻r2上端都与mosfet管q1栅极连接，所述二极管d9右端和电阻r3上端都与mosfet管q2栅极连接，所述tvs管dt下端与电源引脚vac2连接且tvs管dt上端与电源引脚vac1连接。

优选的，所述电流信号变换电路2由微型精密电流变换器t、二极管d1、二极管d2、运算放大器u1、电阻r1、电容c1和电位器rw组成，所述电容c1和电位器rw串联后与电阻r1并联，所述电阻r1左端、二极管d1上端和二极管d2上端都与运算放大器u1的负输入引脚连接，所述二极管d1下端和二极管d2下端都与运算放大器u1的正输入引脚连接，所述电阻r1右端和运算放大器u1输出引脚都与a/d转换器的转换通道1连接。

优选的，所述分流电路3由二极管d8、mosfet管q1、电阻r2、二极管d10、mosfet管q2和电阻r3组成，所述二极管d8右端和电阻r2上端都与mosfet管q1栅极连接，所述电阻r2下端与mosfet管q1源极连接，所述二极管d10右端和电阻r3上端都与mosfet管q2栅极连接，所述电阻r3下端与mosfet管q2源极连接。

优选的，所述整流滤波4电路由二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6构成全桥整流电路和电容c2组成，所述二极管d3上端、二极管d5上端和电容c2上端都与电源引脚vdc1连接，所述二极管d3下端和二极管d4上端都与电源引脚vac1连接，所述二极管d5下端和二极管d6上端都与电源引脚vac2连接。

优选的，所述升压电路5由电感l、mosfet管q3、电阻r10、二极管d11和电容c7组成，所述电感l左端与电源引脚vdc1连接，所述电感l右端和二极管d11左端都与mosfet管q3漏极连接，所述二极管d11右端和电容c7上端都与电源引脚vdc2连接，所述电阻r10上端与mosfet管q3栅极连接。

优选的，所述交流电压信号正半周变换电路6由电阻r4、电阻r5和电容c4组成，所述电阻r4上端与电源引脚vac1连接，所述电阻r4下端、电阻r5上端和电容c4上端都与a/d转换器的转换通道2连接。

优选的，所述交流电压信号负半周变换电路7由电阻r6、电阻r7和电容c5组成，所述电阻r6上端与电源引脚vac2连接，所述电阻r6下端、电阻r7上端和电容c5上端都与a/d转换器的转换通道3连接。

优选的，所述输出电压信号变换电路9由电阻r11、电阻r12和电容c8组成，所述电阻r11上端与电源引脚vdc2连接，所述电阻r11下端、电阻r12上端和电容c8上端都与a/d转换器的转换通道5连接。

本发明图1中虚线部分电流互感器ta为本发明外接的电力系统一次电流互感器。图1中虚线部分a/d(模拟数字)转换器为将模拟量转换为数字量的电路。图1中虚线部分mcu(微控制器)为单片机、dsp(数字信号处理器)、arm处理器、fpga等处理器。图1中“至ad转换通道1”、“至ad转换通道2”、“至ad转换通道3”、“至ad转换通道4”及“至ad转换通道5”均为接入ad转换器的采样信号，经ad转换后的数字量供mcu使用。“mcu控制1”、“mcu控制2”和“pwm控制”为mcu的输出信号，分别控制mosfet管q1、q2和q3的导通与关闭。经“至ad转换通道1”mcu可获得电流互感器ta二次侧的电流；经”至ad转换通道2”mcu可获得电流互感器ta二次侧取能时的交流正半周电压；经“至ad转换通道3”mcu可获得电流互感器ta二次侧取能时的交流负半周电压；经“至ad转换通道4”mcu可获得整流滤波后的直流电压vdc1；经“至ad转换通道5”mcu可获得取能电路最终的直流输出电压vdc2。

本发明升压控制方法为：当负载阻抗一定时，电力系统的一次电流较小时，整流滤波后的直流电压vdc1会较低，不满足负载使用要求，此时需要投入升压电路。mcu可根据vdc1、vdc2及取能电流的值产生pwm波，驱动升压电路中的mosfet管q3，将vdc1的电压升高为要求值。当vdc1电压上升到vdc2规定的输出范围时，mcu关闭pwm波，“pwm控制”置为低电平，此时输出电压vdc2＝vdc1。

本发明降压控制方法为：当负载阻抗一定时，电力系统一次电流较大时，整流滤波后的直流电压vdc1过高，此时mosfet管q3处于关闭状态，则vdc2＝vdc1也会过高，此时需要降压。mcu根据vdc1、vac1及vac2的值，控制mosfet管q1和mosfet管q2的导通来限制vac1和vac2的电压，从而达到降低vdc1的目的。图11所示为电流互感器ta二次交流正半周电压vac1电压控制波形示意图，当vac1高于某个值时，mcu控制mosfet管q1导通，图中“不取能”段即为mosfet管导通时vac1被拉低的状态，vac1被部分斩断平均值降低。同样方法控制交流负半周电压vac2，从而降低整流滤波后的电压vdc1，达到降低输出电压的目的。

本发明的电路及控制方法还可用于单独电流互感器取能的设备中。

本发明的电路原理图如图2所示，电力系统的一次电流互感器ta通过n1、n2端子接入本电路。过电压保护电路分为两级。第一级由tvs管dt构成，dt可对电流互感器ta二次侧产生的过电压快速地(亚纳秒级)产生抑制作用。第二级由三端电压检测器u2、电容c3、二极管d7、mosfet管q1、电阻r2、二极管d9、mosfet管q2(内置反向二极管)、电阻r3构成。当三端电压检测器检测到udc1过电压时，输出vdc_over高电平信号，通过二极管d7和二极管d9分别驱动mosfet管q1和mosfet管q2导通，通过mosfet管将电流互感器ta的二次侧短接，从而避免过电压。

本发明控制方法的流程图如图7所示。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。