基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法與流程

2023-10-10 22:29:04

本發明涉及電壓檢測設備技術領域，特別是指一種基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法，用於三相橋式整流裝置，特別是三相可控矽整流橋輸出電壓的實時檢測。

背景技術：

三相橋式整流裝置應用廣泛，很多時候需要監測其整流輸出的電壓電流，根據負載不同，其輸出特性相應變化，而當負載為電感性負載時且控制角變化範圍為0～180°時，其整個狀態會分為整流狀態和逆變狀態，其輸出電壓電流更具特殊性，在信號處理的要求上更高，因此本文依據同步電機可控矽勵磁裝置的應用進行理論研究和設計。

目前，同步電機可控矽勵磁裝置廣泛採用三相橋式整流電路，將交流電源轉換為直流電源提供給發電機轉子，整流橋可控矽的控制角α工作在0～180°。因發電機轉子作為負載表現為電感性，故整流橋的輸出電壓外特性可用公式表示為其中，UG為發電機機端電壓；KT為整流變壓器變壓比；α為可控矽的觸發角；If為可控矽換相電流；Xr為由交流電壓至整流橋交流輸入端之間的每相換相電抗；ΔU為可控矽管壓降，可忽略。且從圖1中陰影部分可以看出，發電機轉子電壓的波形是周期性非正弦波形，是有換相過程的正弦波形的1/6部分(包括換相過程)。而國標GB/T13850-1998規定響應時間小於400mS以下，造成市面上的變送器在響應時間的指標上存在滿足國標要求但不能滿足實時性要求高的監測和控制的場合。

因此，有必要設計一種基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法，以解決上述技術問題。

技術實現要素：

針對背景技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法，結構簡單緊湊，具有高可靠性、高隔離耐壓能力、響應時間小的特點。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法，包括可編程FPGA控制器，分別與可編程FPGA控制器連接的同步信號測量模塊、模擬量採集模塊和通信模塊，其中，所述同步信號測量模塊用於採集三相整流橋輸入側電壓信號並降壓調理為周期性方波信號後，傳輸至可編程FPGA控制器，所述模擬量採集模塊設有分壓隔離電路和模數轉換電路，用於採集三相整流橋輸出側電壓信號，通過分壓隔離電路及模數轉換電路進行信號調理後傳輸至可編程FPGA控制器，可編程FPGA控制器用於對同步信號測量模塊和模擬量採集模塊的數據進行計算處理，通信模塊用於將可編程FPGA控制器的數據計算結果傳輸至外部監控設備。

在上述技術方案中，所述可編程FPGA控制器用於模擬量採集、同步採樣、移窗算法和模擬量輸出的控制及處理。

在上述技術方案中，所述可編程FPGA控制器的計數頻率為36MHz。

在上述技術方案中，所述模擬量採集模塊的分壓隔離電路通過線性光耦HCNR201隔離。

在上述技術方案中，所述線性光耦HCNR201隔離的隔離電壓為工頻5KV/min。

在上述技術方案中，所述模擬量採集模塊的模數轉換電路採用16位模數轉換器。

在上述技術方案中，所述通信模塊通過CAN和RS485進行通信傳輸。

在上述技術方案中，所述外部監控設備設有CAN和RS485通信接口，進行數據採集和傳輸。

本發明基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法，包括同步信號測量模塊，模數轉換和數模轉換，可編程FPGA控制器，多路隔離電路以及通信模塊CAN和RS485，以可編程FPGA控制器作為核心處理器來進行同步信號測量模塊採集的整流橋輸入側信號和模擬量採集模塊採集的整流橋輸出側信號的處理及運算，快速求得測量對象的算術平均值，通過通信模塊傳輸至外部監控設備，可以滿足三相橋式整流裝置輸出電壓電流實時監測的需要。本變送器結構簡單緊湊，具有高可靠性、高隔離耐壓能力、響應時間小的特點。

附圖說明

圖1為現有技術中整流橋電壓波形示意圖；

圖2為本發明基於同步信號的電壓電流快速變送器框圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖2所示，本發明所述的一種基於同步信號採集的電壓電流快速變送器及其控制方法，包括可編程FPGA控制器1，分別與可編程FPGA控制器1連接的同步信號測量模塊2、模擬量採集模塊3和通信模塊4以及外部監控設備5。

其中，同步信號測量模塊2用於採集三相整流橋輸入側電壓信號並降壓調理為周期性方波信號後，傳輸至可編程FPGA控制器1。具體的，利用變壓器降低到合適電壓等級後通過模擬電路調理為周期性方波信號，為可編程FPGA控制器1進行快速信號採集和運算提供一個採樣基準周期。

模擬量採集模塊3設有分壓隔離電路和模數轉換電路，用於採集三相整流橋輸出側電壓信號，通過分壓隔離電路及模數轉換電路進行信號調理後傳輸至可編程FPGA控制器1。其中，分壓隔離電路通過線性光耦HCNR201隔離，線性光耦HCNR201隔離的隔離電壓為工頻5KV/min，具有高隔離耐壓能力；而模數轉換電路採用16位模數轉換器，實現快速的轉換。

可編程FPGA控制器1用於模擬量採集、同步採樣、移窗算法和模擬量輸出的控制及處理，對同步信號測量模塊2和模擬量採集模塊3傳輸的數據進行計算處理，可編程FPGA控制器1的計數頻率為36MHz，對於工頻50Hz，其角度測量精度可達0.0005°。可編程FPGA控制器1實時計算出頻率後進行512分頻得到模數轉換器採樣周期和起始點，並保證整流橋輸入電源的頻率變化時採樣周期和起始點隨之改變，可編程FPGA控制器1響應無中斷延時，實現高精度同步採樣。以三相整流橋的輸入電源的頻率為基準，每周期(20ms或50Hz)512個點的採樣頻率，採用移窗平均值算法，快速檢測出三相整流橋的輸出電壓電流。

通信模塊4用於將可編程FPGA控制器1的數據計算結果傳輸至外部監控設備5，在本實施例中，通信模塊4通過CAN和RS485進行通信傳輸；外部監控設備2設有與通信模塊對應的CAN和RS485通信接口，進行數據採集和傳輸，可以滿足三相橋式整流裝置輸出電壓電流實時監測的需要。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

第一，基於三相橋式整流橋輸入電源的頻率測量，通過對整流橋的輸出電壓電流進行高速、高精度數據採集，利用FPGA的快速並行處理能力，實現高精度同步，利用移窗平均值算法快速求得算術平均值。

第二，本發明精度高，響應快。

第三，本發明響應時間不大於20ms。

第四，本發明具備CAN和RS485接口，可以實現智能接入自動化監測系統。

第五，本發明硬體電路原理清晰，強調隔離能力設計，抗幹擾能力強。

本發明基於同步信號的電壓電流快速變送器及其控制方法，包括同步信號測量模塊2，模數轉換和數模轉換，可編程FPGA控制器1，多路隔離電路以及通信模塊CAN和RS485，以可編程FPGA控制器1作為核心處理器來進行同步信號測量模塊2採集的整流橋輸入側信號和模擬量採集模塊3採集的整流橋輸出側信號的處理及運算，快速求得測量對象的算術平均值，可通過通信模塊4傳輸至外部監控設備，可以滿足三相橋式整流裝置輸出電壓電流實時監測的需要。本變送器結構簡單緊湊，具有高可靠性、高隔離耐壓能力、響應時間小的特點。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。