寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器的製作方法
2024-01-24 03:02:15
專利名稱：寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於交直流、變頻電機測量的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器。
背景技術：
隨著變頻技術的發展，使變頻電機得到廣泛應用，由於給變頻電機供電的變頻電源輸出 頻率範圍寬且含有複雜的高次諧波，傳統的互感器已不能滿足電參數測試。霍爾電壓傳感器 測試頻率範圍較寬，可以較好的滿足變頻電機的基波電壓測試，但是目前測試帶寬通常小於 15kHz，尤其是3000V電壓等級以上的霍爾電壓傳感器測試帶寬通常小於5kHz，對於變頻電 機電壓信號的高次諧波仍然不能準確測量。電阻式分壓器具有良好的頻率特性及線性，但是 由於輸出未經隔離，目前一般將電阻式分壓器用作直流電壓測試，或脈衝電壓，或衝擊電壓 測試，其共同特點是測試時一端接大地。在已有技術中還沒有採用電阻式分壓器取代傳統的 互感器用於變頻交流高電壓測試的電壓傳感器。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種頻率響應範圍寬、交直流通用、有 效測試範圍寬、無磁飽和問題、測量精度高、高線性、低溫漂易校準、隔離電壓高、抗幹擾 能力強的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器。
本發明的技術方案是利用電阻式分壓器良好的頻率特性及線性，採用電阻式分壓器取 代傳統的互感器作為交流高電壓測試的傳感器件，測量電路與電阻式分壓器緊密結合，採用 浮地結構，測量數據以數字量方式通過光纖上傳至低壓側數顯終端實現信號傳輸及高壓隔離。
本發明由以下組件構成 一個用於從被測電壓迴路中取出電壓信號的電阻式分壓器(1)， 一個用於將電阻式分壓器(1)輸出的模擬電壓信號轉變為數位訊號並進行運算處理的高壓側 信號處理裝置(2), —組連接高壓側信號處理裝置(2)和低壓側數顯終端(6)的通訊光纖 組(5)，一個為高壓側信號處理裝置(2)提供工作電源的高壓側電源(3), —個連接高壓側電源(3)與低壓側供電電網的高壓隔離變壓器(4)。所述電阻式分壓器(l)由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成，R1和R2均為無感電阻，並一同封裝在絕緣材料灌封的屏蔽金屬筒內，。所述高壓隔離變壓器(4)的原邊及副邊分別與低壓側供電電網及高壓側電源(3)連接。 所述高壓側信號處理裝置(2)由AD轉換器IC1、微處理器IC2、串行數據發送器2C組成。所述高壓側信號處理裝置(2)還包括採樣時鐘接收器2A或串行數據接收器2B中的一 種或它們的組合。所述通訊光纖組(5)由至少一根通訊光纖5C組成，通訊光纖5C與高壓側信號處理裝 置(2)中的串行數據發送器2C及低壓側數顯終端(6)連接。所述通訊光纖組(5)還包括通訊光纖5A或通訊光纖5B中的一根或它們的組合，其中 通訊光纖5A與採樣時鐘接收器2A及低壓側數顯終端(6)連接，通訊光纖5B與串行數據接 收器2B及低壓側數顯終端(6)連接。本發明具有頻率響應範圍寬、交直流通用、有效測試範圍寬、無磁飽和問題、測量精度 高、高線'性、低溫漂、易校準、隔離電壓高、抗幹擾能力強等優點，適合於電機生產企業、 電機研究和電機檢測中心等場所使用。
圖l為本實用新型原理方框圖； 圖2為實施例1的電路示意圖； 圖3為實施例2的電路示意圖； 圖4為實施例3的電路示意圖； 圖5為實施例4的電路示意圖； 圖6為實施例5的電路示意圖。圖中l一電阻式分壓器，2 —高壓側信號處理裝置，3 —高壓側電源，4—高壓隔離變壓 器，5—通訊光纖組，6—低壓側數顯終端。圖6中Sl — l號寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，S2—2號寬頻高壓智能電阻分壓 式電壓傳感器。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明在以下實施例中微處理器IC2及IC3均使用了串行數據接收端RXD0及串行數據發送端 口TXD0，為了方便描述，圖中分別標記為2-RXD0、 2-TXD0、 6-RXD0、 6-TXD0;實施例5 中還採用了 IC3的串行數據接收端RXD1及串行數據發送埠 TXD1，標記為6-RXDl、 6-TXDl。實施例l:參照圖1和圖2:本實施例包括從被測電壓迴路中取出電壓信號的電阻式分壓器(1),高壓側信號處理裝 置(2)，高壓側電源(3),高壓隔離變壓器(4),通訊光纖組(5),低壓側數顯終端(6)。 本實施例低壓側供電電網採用AC220V市電。電阻式分壓器(1)作為電壓傳感器件，將接在V+、 V-兩端的被測電壓信號分壓後的模 擬電壓信號接入高壓側信號處理裝置(2)，高壓側信號處理裝置(2)將電阻式分壓器(1) 輸出的模擬電壓信號轉變為數位訊號並運算處理後通過光纖組(5)上傳至低壓側數顯終端 (6)，高壓側電源(3)為高壓側信號處理裝置(2)提供工作電源，高壓隔離變壓器(4)的 原邊及副邊分別與AC220V市電及高壓側電源(3)相連。電阻式分壓器(1)包括高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2，本實施例中，Rl採用6MQ/30W 高壓精密無感電阻，最高工作電壓達70kV, R2採用3kQ/0.25W精密無感電阻，Rl和R2封 裝在屏蔽銅管1A內，1A內以環氧樹脂1B絕緣灌封，最髙直流測試電壓可達20kV，最高交流測試電壓可達14kV，可滿足10kV交直流、變頻電機的各種工況電壓測試。高壓側信號處理裝置(2)由AD轉換器IC1、微處理器IC2、採樣時鐘接收器2A、串行 數據接收器2B及串行數據發送器2C組成，本實施例中IC1採用16位AD轉換器AD7656, IC2採用單片機ATMEGA162， 2A和2B採用光纖接收器HFBR-2521, 2C採用光纖發送器 HFBR-1521。 IC1的控制線及數據線與IC2相連，IC1含有A/D轉換啟動信號CONVSTA, CONVSTA與採樣時鐘接收器2A相連，電阻式分壓器(1)的低壓臂電阻R2的兩端分別與 IC1的模擬信號輸入端AIN及模擬地AGND相連，IC2的串行數據接收埠 2-RXD0與串行 數據接收器2B相連，IC2的串行數據發送埠 2-RXD0與串行數據發送器2C相連。本實施例中，高壓側電源(3)採用典型線性電源，由變壓器T1、整流橋B1、 B2及三 端穩壓塊V1、 V2、 V3等構成(圖中省略了濾波電容等器件)，為高壓側信號處理裝置(2) 提供工作電源。高壓隔離變壓器(4)的原邊及副邊分別與^C220V市電及高壓側電源(3)連接，本實 施例中，高壓隔離變壓器(4)的原邊與副邊匝比為1 : 1，原邊與副邊的隔離耐壓不低於20kV, 在高壓測量側(包括被測電壓迴路、電阻式分壓器l、高壓側信號處理裝2、高壓側電源3) 與AC220V市電之間起高壓隔離作用。本實施例低壓側數顯終端(6)由採樣時鐘發送器6A、串行數據發送器6B、串行數據接 收器6C、微處理器IC3及數據顯示裝置6D組成，6A和6B釆用光纖發送器HFBR-1521，起 電/光轉換作用，6C釆用光纖接收器HFBR-2521 ，起光/電轉換作用，IC3採用單片機 CY7C68013, 6D採用計算機。採樣時鐘發送器6A的電信號輸入端與微處理器IC3的TOOUT 引腳相連，串行數據發送器6B的電信號輸入端與微處理器IC3的6-TXD0相連，串行數據接 收器6C的電信號輸出端與微處理器IC3的6-RXD0相連；CY7C68013含有一個USB通訊接 口，微處理器IC3與計算機6D之間採用USB電纜連接，實現兩者之間的高速數據通訊。本實施例通訊光纖組(5)由三根通訊光纖5A、 5B、 5C組成，5A連接2A與6A, 5B連接2B與6B， 5C連接2C與6C,通訊光纖組(5)在高壓側信號處理裝置(2)及低壓側數 顯終端(6)之間起數據通訊及高壓隔離的作用。 工作原理如下被測電壓經電阻式分壓器(1)分壓產生峰值小於10V電壓信號輸入到A/D轉換器IC1， IC3產生採樣時鐘信號經6A、 5A、 2A控制IC1的A/D轉換啟動信號CONVSTA，啟動A/D 轉換，A/D轉換結束時，IC2讀取A/D轉換結果，並對A/D轉換結果進行運算處理，運算處 理後的數據以異步串行方式經2C、 5C、 6C上傳至低壓側數顯終端(6)的IC3， IC3再將接 收到的數據處理後通過USB電纜上傳計算機6D,計算機6D根據需要顯示被測電壓信號的真 有效值、基波有效值、頻率、波形畸變率及實時波形等。計算機6D還可通過USB電纜將需要設置的各種控制指令下傳到IC3、 IC3再將該指令 通過6B、 5B、 2B下傳至高壓側信號處理裝置(2)的IC2，為了保證通訊可靠性，還在收到 指令後將應答指令通過2C、 5C、 6C上傳至IC3， IC3再將應答指令通過USB電纜上傳至計 算機6D。典型應用是，寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器可採用多種通訊協議，通過該法 設置可選擇其中一種用戶熟悉的協議，或寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器上傳信息可包 含瞬態數據包、穩態數據包等或全部信息，通過該法設置可只選擇用戶關心的數據上傳，簡 化低壓側數顯終端(6)的數據通訊。實施例2:參照附圖3:(圖中省略了與圖2中相同的電阻式分壓器1、高壓側電源3、高壓隔離變 壓器4)本實施例與實施例1不同的是，本實施例中寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器不關心 被測信號的採樣時刻，即不需要與其它信號同步採樣或作相位對比，固高壓側信號處理裝置 (2)省去採樣時鐘接收器2A，通訊光纖組(5)省去通訊光纖5A，低壓側數顯終端(6)省 去採樣時鐘發送器6A，同時將A/D轉換器IC1的A/D轉換啟動信號CONVSTA直接與微處理器IC2的時鐘輸出引腳0C1A相連，由IC2提供採樣時鐘信號。 實施例3:參照附圖4:(圖中省略了與圖2中相同的電阻式分壓器1、高壓側電源3、高壓隔離變 壓器4)本實施例與實施例1不同的是，本實施例中寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器無需設 置各種指令，固高壓側信號處理裝置(2)可省去串行數據接收器2B，通訊光纖組(5)可省 去通訊光纖5B、低壓側數顯終端(6)可省去串行數據發送器6B。實施例4:參照附圖5:(圖中省略了與圖2中相同的電阻式分壓器1、高壓側電源3、高壓隔離變 壓器4)本實施例與實施伊j 1不同的是，本實施例中寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器既不關 心被測信號的採樣時刻，也不需要用戶對其進行各種指令設置，固高壓側信號處理裝置(2) 省去採樣時鐘接收器2A、串行數據接收器2B,通訊光纖組(5)省去通訊光纖5A、 5B，低 壓側數顯終端(6)省去採樣時鐘發送器6A、串行數據發送器6B。實施例5:參照圖1、圖2和圖6:本實施例採用兩個寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器對三相交流電的三相線電壓 Uab、 Ucb、 Uac的瞬態值及有效值等進行測量，圖中Sl為1號寬頻高壓智能電阻分壓式電 壓傳感器，S2為2號寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器。Sl、 S2中的高壓側信號處理裝置(2)與圖2中的高壓側信號處理裝置(2)相同。 本實施例中包含兩套通訊光纖組，每套三根，分別記為5A1、 5B1、 5C1、 5A2、 5B2、 5C2。本實施例低壓側數顯終端(6)由採樣時鐘發送器6A1、 6A2,串行數據發送器6B1、 6B2，串行數據接收器6C1、 6C2,微處理器IC3及數據顯示裝置6D組成，所述6A1、 6B1、 6A2、 6B2採用光纖發送器HFBR-1521， 6C1、 6C2採用光纖接收器HFBR-2521， IC3釆用單片機 CY7C68013， 6D採用計算機。採樣時鐘發送器6A1、 6A2的電信號輸入端連接在一起並與微 處理器IC3的T0OUT引腳相連。串行數據發送器6B1的電信號輸入端與微處理器IC3的 6-TXD0相連，串行數據發送器6B2的電信號輸入端與微處理器IC3的6-TXD1相連，串行 數據接收器6C1的電信號輸出端與微處理器IC3的6-RXD0相連，串行數據接收器6C2的電 信號輸出端與微處理器IC3的6-RXD1相連；CY7C68013含有一個USB通訊接口，微處理 器IC3與計算機6D之間採用USB電纜連接，實現兩者之間的高速數據通訊。 測量原理寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器S1的測量信號輸入端與被測三相交流電的Ua、 Ub 相連，寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器S2的測量信號輸入端與被測三相交流電的Uc、 Ub相連，所述S1、 S2的採樣時鐘發送器6A1和6A2的電信號輸入端連接在一起，即Sl、 S2的釆樣時鐘源相同，Sl、 S2的高壓側信號處理裝置(2)的IC1在同一採樣時鐘源的控制 下，分別對三相線電壓的Uab、 Ucb進行同步釆樣。對於同一採樣時刻的每一個瞬態值而言， Uac=Uab-Ucb,由此低壓側數顯終端的IC3得到Uab、 Ucb、 Uac的所有瞬態值，再根據有效 值的計算原理，計算出Uab、 Ucb、 Uac的有效值，其它的如波形畸變率等，測量原理相同。上述實施例通過有關部門的計量認證，其測試精度優於0.2級；電壓連續測試範圍為0 llkV，短時過載電壓達14kV;信號帶寬為DC 100kHz;最高採樣頻率為250kHz;串行傳輸 速率為2Mbps;隔離電壓不低於20kV。上述實施例中，若改變電阻式分壓器(1)的分壓比，並提高高壓隔離變壓器(4)的絕 緣耐壓，可進一步提高測試電壓。
權利要求1.一種寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於，由以下組件構成一個用於從被測電壓迴路中取出電壓信號的電阻式分壓器(1)，一個用於將電阻式分壓器(1)輸出的模擬電壓信號轉變為數位訊號並進行運算處理的高壓側信號處理裝置(2)，一組連接高壓側信號處理裝置(2)和低壓側數顯終端(6)的通訊光纖組(5)，一個為高壓側信號處理裝置(2)提供工作電源的高壓側電源(3)，一個連接高壓側電源(3)與低壓側供電電網的高壓隔離變壓器(4)。
2. 根據權利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於所述電阻式 分壓器(1)由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2組成，所述R1和R2為無感電阻，並一同封 裝在絕緣材料灌封的屏蔽金屬筒內。
3. 根據權利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於所述高壓隔 離變壓器(4)的原邊及副邊分別與低壓側供電電網及高壓側電源(3)連接。
4. 根據權利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於所述高壓側 信號處理裝置(2)由AD轉換器IC1、微處理器IC2、串行數據發送器2C組成。
5. 根據權利要求4所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於所述高壓側 信號處理裝置(2)還包括採樣時鐘接收器2A或串行數據接收器2B中的一種或它們的組合。
6. 根據權利要求1所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於，所述通訊 光纖組(5)由至少一根通訊光纖5C組成，通訊光纖5C與高壓側信號處理裝置(2)中的串 行數據發送器2C及低壓側數顯終端(6)連接。
7. 根據權利要求6所述的寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，其特徵在於，所述通訊 光纖組(5)還包括通訊光纖5A或通訊光纖5B中的一根或它們的組合，其中通訊光纖5A與 採樣時鐘接收器2A及低壓側數顯終端(6)連接，通訊光纖5B與串行數據接收器2B及低壓 側數顯終端(6)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種寬頻高壓智能電阻分壓式電壓傳感器，由以下組件構成一個用於從被測電壓迴路中取出電壓信號的電阻式分壓器(1)，一個用於將電阻式分壓器(1)輸出的模擬電壓信號轉變為數位訊號並進行運算處理的高壓側信號處理裝置(2)，一組連接高壓側信號處理裝置(2)和低壓側數顯終端(6)的通訊光纖組(5)，一個為高壓側信號處理裝置(2)提供工作電源的高壓側電源(3)，一個連接高壓側電源(3)與低壓側供電電網的高壓隔離變壓器(4)。本實用新型頻率響應範圍寬、可交直流通用、有效測試範圍寬、無磁飽和問題、測量精度高、高耐壓、高線性、低溫漂、易校準、抗幹擾能力強。適合於電機生產企業、電機研究和電機檢測中心等場所使用。
文檔編號G08C23/06GK201166685SQ20082005230
公開日2008年12月17日 申請日期2008年2月15日 優先權日2008年2月15日
發明者廖仲篪, 徐偉專 申請人:徐偉專