一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路的製作方法

2023-06-19 13:24:46 1

本發明涉及高頻變壓器的輸出電壓控制技術領域，具體涉及一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路。

背景技術：

高壓變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電壓變換成另一頻率的電能控制裝置。高壓變頻器作為電力拖動系統的核心設備，其可靠性和穩定的要求較高，對高壓變頻器的控制算法、各輸入輸出量的檢測和保護的要求也較高，其中，高壓變頻器的輸出電壓檢測由於涉及到10KV高壓，其檢測方法除了要保證準確性以外，還要注意高低壓電路的隔離，以便保護後級設備及人身安全。

高壓變頻器的輸出電壓採樣方法最常規的方式是採用電壓互感器來測量，但是該方法存在以下缺點：1、檢測精度低，由於高壓變頻器的輸出電壓頻率在0到50Hz範圍內是可調，這會造成電壓互感器的測量精度變差，影響主控單元的運算和控制；2、用於高壓測量的電壓互感器一般體積、重量都較大，對於本身體積就很大的高壓變頻器來說，這也會相應增大變頻器的尺寸，也不便於安裝；3、三相輸出都需要電壓互感器來檢測，成本相對較高。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路，具有檢測精度高、電路結構簡潔、方便安裝和器件成本低的優點。

為達到以上目的，本發明採取的技術方案是：

一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路，包括：

電阻分壓採樣電路，所述電阻分壓採樣電路的輸入端連接高壓變頻器的電壓輸出端，所述電阻分壓採樣電路接收高壓變頻器的輸出電壓，對所述輸出電壓進行降壓處理；

差分放大調理電路，所述差分放大調理電路與所述電阻分壓採樣電路電連接，所述差分放大調理電路接收降壓處理後的輸出電壓，並對輸出電壓進行放大和偏置處理；

光耦隔離採樣電路，所述光耦隔離採樣電路與所述差分放大調理電路電連接，所述光耦隔離採樣電路接收所述差分放大調理電路放大和偏置處理後的輸出電壓，並對所述輸出電壓進行隔離保護傳輸；

運放調理電路，所述運放調理電路與所述光耦隔離採樣電路電連接，所述運放調理電路接收光耦隔離採樣電路隔離保護傳輸後的輸出電壓，並對輸出電壓進行運放處理，得到滿足數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器採樣引腳的電壓。

在上述技術方案的基礎上，所述電阻分壓採樣電路包括三條電阻分壓採樣支路，三每條電阻分壓採樣支路包括多個串聯而成的分壓電阻，每條電阻分壓採樣支路的輸入端對應連接三相電的一相電源輸出端，每條電阻分壓採樣支路的輸出端通過一金屬氧化膜電阻接地，三條電阻分壓採樣支路的輸出端還連接所述差分放大調理電路的輸入端。

在上述技術方案的基礎上，所述差分放大調理電路包括放大電路和同相加法運算電路，所述放大電路的輸入端連接所述電阻分壓採樣電路的輸出端，所述放大電路的輸出端連接所述同相加法運算電路的輸入端，所述同相加法運算電路的輸出端連接所述光耦隔離採樣電路的輸入端。

在上述技術方案的基礎上，所述放大電路中，一個電阻R1的一端連接所述電阻分壓採樣電路，所述電阻R1另一端分別連接電阻R2和運算放大器U1的正輸入端，電阻R3的一端連接所述電阻分壓採樣電路，所述電阻R3另一端連接分別連接電阻R4、電容C1和運算放大器U1的負輸入端，運算放大器U1的輸出端連接所述電容C1的另一端和電阻R5的一端，所述電阻R5的另一端分別連接所述電阻R4的另一端和所述同相加法運算電路的輸入端。

在上述技術方案的基礎上，所述同相加法運算電路中，電阻R7的一端連接所述放大電路的輸出端，所述電阻R7的另一端連接運算放大器U2的正輸入端，電阻R6的一端接入+5V偏置電壓，所述電阻R6的另一端連接運算放大器U2的正輸入端，電阻R8的一端接地，所述電阻R8的另一端分別連接電阻R9的一端、電容C2的一端和運算放大器U2的負輸入端，所述運算放大器U2的輸出端分別連接所述電容C2的另一端和電阻R10的一端，所述電阻R10的另一端分別連接所述R9的另一端和所述光耦隔離採樣電路的輸入端。

在上述技術方案的基礎上，所述光耦隔離採樣電路中，線性光耦的一端連接所述差分放大調理電路的輸出端，所述線性光耦的另一端連接運算放大器U3的正輸入端，所述運算放大器U3的負輸入端和運算放大器U3的輸出端連接電阻R11，所述運算放大器U3的輸出端連接所述運放調理電路的輸入端。

在上述技術方案的基礎上，所述運放調理電路中，所述光耦隔離採樣電路的輸出端連接運算放大器U4的正輸入端，所述運算放大器U4的負輸入端和輸出端連接有電阻R12，所述運算放大器U4的輸出端連接電阻R14的一端，所述電阻R14的另一端連接運算放大器U5的正輸入端，所述運算放大器U5的正輸入端同時連接電阻R13的一端，所述電阻R13的另一端接入+3.3V偏置電壓，所述運算放大器U5的負輸入端分別連接電阻R15的一端、電容C3的一端和電阻R16的一端，所述電阻R15的另一端接地，所述電容C3的另一端連接所述運算放大器U5的輸出端，所述運算放大器U5的輸出端同時連接電阻R17的一端，所述電阻R16的另一端連接所述電阻R17的另一端。

在上述技術方案的基礎上，所述電阻分壓採樣電路分壓處理後的所述輸出電壓的範圍為-10～+10V；所述差分放大調理電路對降壓處理後的所述輸出電壓進行放大和偏置處理後的所述輸出電壓的範圍為0～5V。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1)本發明的一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路，通過電阻分壓採樣電路將高壓變頻器輸出的高電壓進行分壓衰減，差分放大調理電路對分壓衰減後的電壓進一步進行衰減和偏置處理得到的電壓，便於後級的光耦隔離採樣電路工作，光耦隔離採樣電路採用的是高精度線性光耦進行電壓傳輸，1:1的傳輸比能夠保證隔離前後的電壓基本一致，失真度低，同時又實現高低壓部分的安全隔離，保護後級電路和主控晶片，避免燒壞主控晶片而引起整個控制失效的情況發生。

2)本發明的一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路中，光耦隔離採樣電路之後的電壓再經過運放調理電路的跟隨、3.3V偏置處理後，轉換為滿足數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器採樣引腳電壓，送入數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器採樣引腳，由數位訊號處理晶片進行採樣和運算處理，以便控制系統實時地監測高壓變頻器的輸出電壓以及實現過壓保護、欠壓保護、鎖相旁路等功能。

附圖說明

圖1為本發明實施例中輸出電壓隔離採樣電路的結構框圖；

圖2為本發明實施例中電阻分壓採樣電路的電路圖；

圖3為本發明實施例中差分放大調理電路的電路圖；

圖4為本發明實施例中光耦隔離採樣電路的電路圖；

圖5為本發明實施例中運放調理電路的電路圖。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。

參見圖1所示，本發明實施例提供一種高壓變頻器輸出電壓隔離採樣電路，包括：

電阻分壓採樣電路，電阻分壓採樣電路的輸入端連接高壓變頻器的電壓輸出端，電阻分壓採樣電路接收高壓變頻器的輸出電壓，對輸出電壓進行降壓處理；

差分放大調理電路，差分放大調理電路與電阻分壓採樣電路電連接，差分放大調理電路接收降壓處理後的輸出電壓，並對輸出電壓進行放大和偏置處理；

光耦隔離採樣電路，光耦隔離採樣電路與差分放大調理電路電連接，光耦隔離採樣電路接收差分放大調理電路放大和偏置處理後的輸出電壓，並對輸出電壓進行隔離保護傳輸；

運放調理電路，運放調理電路與光耦隔離採樣電路電連接，運放調理電路接收光耦隔離採樣電路隔離保護傳輸後的輸出電壓，並對輸出電壓進行運放處理，得到滿足數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器採樣的引腳電壓。

參見圖2所示，電阻分壓採樣電路包括三條電阻分壓採樣支路，每條電阻分壓採樣支路包括多個電阻串聯分壓電阻，每條電阻分壓採樣支路的輸入端對應連接三相電的一相電源輸出端，每條電阻分壓採樣支路的輸出端通過一精度為0.1％的金屬氧化膜電阻器接地，每條電阻分壓採樣支路的輸出端還連接差分放大調理電路的輸入端。其中一條串電阻分壓採樣支路的輸入端連接三相電的電源輸入端U，輸出端同時連接U_Low端和一金屬氧化膜電阻器的一端，金屬氧化膜電阻器的另一端接地；一條電阻分壓採樣支路的輸入端連接三相電的電源輸入端V，輸出端同時連接V_Low端和一金屬氧化膜電阻器的一端，金屬氧化膜電阻器的另一端接地；一條電阻分壓採樣支路的輸入端連接三相電的電源輸入端W，輸出端同時連接W_Low端和一金屬氧化膜電阻器的一端，金屬氧化膜電阻器的另一端接地。採用的是精度達到千分之一的高精度功率電阻串聯分壓，其分壓衰減倍數約為1821倍，採樣精度小於0.1％，電阻分壓採樣電路分壓處理後的輸出電壓的範圍為-10～+10V。

差分放大調理電路包括放大電路和同相加法運算電路，放大電路的輸入端連接電阻分壓採樣電路的輸出端，放大電路的輸出端連接同相加法運算電路的輸入端，同相加法運算電路的輸出端連接光耦隔離採樣電路的輸入端。

參見圖3所示，放大電路中，一個電阻R1的一端連接電阻分壓採樣電路的U_Low端，電阻R1另一端分別連接電阻R2和運算放大器U1的正輸入端，電阻R3的一端連接電阻分壓採樣電路的U_Low端，電阻R3另一端連接分別連接電阻R4、電容C1和運算放大器U1的負輸入端，運算放大器U1的輸出端連接電容C1的另一端和電阻R5的一端，電阻R5的另一端分別連接電阻R4的另一端和同相加法運算電路的輸入端。差分放大調理電路對降壓處理後的輸出電壓進行放大和偏置處理後的輸出電壓的範圍為0～5V。

同相加法運算電路中，電阻R7的一端連接放大電路的輸出端，電阻R7的另一端連接運算放大器U2的正輸入端，電阻R6的一端接入+5V偏置電壓，電阻R6的另一端連接運算放大器U2的正輸入端，電阻R8的一端接地，電阻R8的另一端分別連接電阻R9的一端、電容C2的一端和運算放大器U2的負輸入端，運算放大器U2的輸出端分別連接電容C2的另一端和電阻R10的一端，電阻R10的另一端分別連接R9的另一端和輸出端U_Sample。通過同相加法運算電路中的運放電路加上5V偏置電壓，通過加法運算後得到0至5V的電壓信號，便於後級光耦採樣電路工作。其中跨接在運放輸出端和負反饋端的pF級小電容起到相位補償的作用。

參見圖4所示，光耦隔離採樣電路中，線性光耦的一端連接差分放大調理電路的輸出端U_Sample，線性光耦的另一端連接運算放大器U3的正輸入端，運算放大器U3的負輸入端和運算放大器U3的輸出端連接電阻R11，運算放大器U3的輸出端U1_Sample連接運放調理電路的輸入端。本實施例中採用高精度線性光耦進行電壓傳輸，1:1的傳輸比能夠保證隔離前後的電壓基本一致，失真度低，同時又實現高低壓部分的安全隔離，保護後級的運放調理電路和數位訊號處理晶片，避免燒壞數位訊號處理晶片而引起整個控制失效的情況發生。

參見圖5所示，運放調理電路中，光耦隔離採樣電路的輸出端U1_Sample連接運算放大器U4的正輸入端，運算放大器U4的負輸入端和輸出端連接有電阻R12，運算放大器U4的輸出端連接電阻R14的一端，電阻R14的另一端連接運算放大器U5的正輸入端，運算放大器U5的正輸入端同時連接電阻R13的一端，電阻R13的另一端接入+3.3V偏置電壓，運算放大器U5的負輸入端分別連接電阻R15的一端、電容C3的一端和電阻R16的一端，電阻R15的另一端接地，電容C3的另一端連接運算放大器U5的輸出端，運算放大器U5的輸出端同時連接電阻R17的一端，電阻R17的另一端同時連接電阻R16的另一端和數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器的DSP_Sample端。光耦隔離採樣電路隔離採樣後的電壓再經過跟隨、3.3V偏置處理後，轉換為滿足數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器採樣引腳電壓範圍的電壓，送入數位訊號處理晶片的數字模擬信號轉換器採樣引腳，由數位訊號處理晶片進行採樣和運算處理，以便控制系統實時地監測高壓變頻器的輸出電壓以及實現過壓保護、欠壓保護、鎖相旁路等功能。

本發明不局限於上述實施方式，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。