三相交流電電流、電壓、頻率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

王元祖　朱懷謙

摘 要：在三相交流電路中，往往需要檢測(cè)三相相電流、線電流和頻率的變化，監(jiān)控線路電壓的波動(dòng)，控制升溫、降溫、振動(dòng)大小等，另外，還需要經(jīng)常了解三相負(fù)載的本身工作正常與否，從而做到實(shí)時(shí)調(diào)整。文章設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的電壓/電流（V/I）、電流/電流（I/I）和頻率/電流（F/I）轉(zhuǎn)換器，將傳感器測(cè)量的電壓、電流和頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)以適應(yīng)遠(yuǎn)距離檢測(cè)的需要，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三種轉(zhuǎn)換電路均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：三相交流電；變送器；標(biāo)準(zhǔn)電流輸出

Abstract：In the three-phase alternating current，it is always necessary to detect the changes of three phase current linear current and frequency、monitor the volatility of line voltage and controll the temperature rise and fall、the speed of evaporation and the scale of vibrating etc.On the other hand ，we should constantly know that whether the three phase load itself is working normally ，so that we can modulate it timely.Having designed a kind of V/I 、I/I 、F/I converters，we can cater to the need of distant detection.The experimentation has improved ，the three transfer circuits all content to the indexes of design.

Key words：the three-phase alternating current； transmitter； the output of standardized current

引言

工業(yè)上對(duì)于三相交流電的測(cè)試一般在現(xiàn)場(chǎng)，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上，兩者之間可能相距數(shù)十至數(shù)百米，測(cè)試結(jié)果若以電壓等形式傳輸，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)減弱、失真等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確。若以電流形式傳輸則不會(huì)有衰減，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。兩線制變送的突出優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)變送器和控制室的儀表之間的聯(lián)系僅僅使用兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線既是供給變送器工作的電源線，又是信號(hào)輸出線。傳輸信號(hào)的下限為4mA，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，不但可充分利用晶體管電路的線性段，而且容易識(shí)別斷電、斷線等故障。傳輸信號(hào)的上限為20mA，比0～10mA輸出方式大一倍，有利于提高信號(hào)輸送效力和信號(hào)的分辨能力。

根據(jù)需求設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)將不同傳感器采集的三相交流電的不同物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)變送輸出，并且保證轉(zhuǎn)換精度≤2%，以便于后續(xù)的測(cè)試工作。轉(zhuǎn)換的物理參數(shù)包括利用基于DVL系列傳感器的信號(hào)處理模塊采集的三相交流電的電壓信號(hào)，利用基于DHR系列傳感器的信號(hào)處理模塊所采集的三相交流電的電流信號(hào)以及利用光耦傳感器和PIC18F97J60單片機(jī)接口電路將采集的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)[1]。

文章所設(shè)計(jì)的電路是可以實(shí)現(xiàn)0～2.5V電壓、0～125mA以及0～1KHz轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)變送輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)

V/I 轉(zhuǎn)換器是一種可以實(shí)現(xiàn)將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出的電路。圖2是兩線制V/I變換電路的基本原理圖，轉(zhuǎn)換電路由OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成。若A點(diǎn)由于某種原因高于0V，則運(yùn)放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點(diǎn)電壓變低（負(fù)更多）。結(jié)果是通過R2將A點(diǎn)電壓拉下來。反之，若A點(diǎn)因某種原因低于0V，也會(huì)被負(fù)反饋升高到0V。以上是負(fù)反饋過程，負(fù)反饋的結(jié)果是運(yùn)放OP1虛短，A點(diǎn)電壓=0V。

電路正常工作需要2個(gè)條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流要供給調(diào)理電路以及變送器。其次要求運(yùn)放器件能夠單電源工作，即在沒有負(fù)電源情況下，輸入端仍能夠接受0V輸入，并能正常工作。單電源供電時(shí)，輸入端從-0.3V～1.5V范圍內(nèi)都能正常工作。R5和U1構(gòu)成基準(zhǔn)源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。

1.1 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

利用萊姆電子的DVL系列傳感器所采集的三相交流電的0～2.5V直流電壓信號(hào)，輸入轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)4～20mA的交流電輸出。電壓/電流[2]的轉(zhuǎn)換即是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為隨輸入電壓變化的電流信號(hào)，在一定的負(fù)載變化范圍內(nèi)要求輸出電流能夠保持穩(wěn)定（不隨負(fù)載變化）具有這一特性的V/I轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示，下面是對(duì)設(shè)計(jì)電路的介紹。

圖3所示仿真電路中主要是由五個(gè)LT1078IN8運(yùn)算放大器、一個(gè)BSS79B三極管以及其他輔助元件構(gòu)成。電路中U3A運(yùn)放電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)檢波電路，其輸出端接入一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的檢波作用，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，其輸出信號(hào)相當(dāng)于加了絕對(duì)值的正弦信號(hào)，不存在負(fù)半軸信號(hào)。第二個(gè)運(yùn)算電路U4A是跟隨器[3]，該電路作為緩沖級(jí)和隔離級(jí)，電壓放大器U3A輸出阻抗較高，后級(jí)輸入阻抗比較小，信號(hào)會(huì)相當(dāng)部分損耗在前級(jí)的輸出電阻，電壓跟隨器進(jìn)行緩沖，起到承上啟下作用使電路性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。假設(shè)從跟隨電路輸出端的電壓值為Vin，則U2A運(yùn)算放大器正向輸入端信號(hào)為V1，該電路公式推導(dǎo)如下：

V1=■V （1）

■=■ （2）

V5-V6=Iout*R13 （3）

由公式2得公式4

V2-V3=V3-V5=V3-2V3-Iout*R13 （4）

將公式1、公式3帶入公式4得公式5

Iout=■A （5）

由公式5可以看出，當(dāng)輸入的電壓信號(hào)為0V時(shí)，則輸出的電流信號(hào)為4mA，而當(dāng)輸入的電壓信號(hào)為2.5V其電路輸出電流為20mA。

該電路的仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓為零時(shí)，輸出電流為4.073mA；當(dāng)輸入電壓為2.5V，輸出電流為19.575mA。由此可見，該電路通過仿真可以滿足設(shè)計(jì)要求，即輸入信號(hào)為0～2.5V電壓信號(hào)，輸出信號(hào)為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)交流電信號(hào)。

（a）輸入0V時(shí)的輸出電流

1.2 電流/電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

利用萊姆電子DHR系列傳感器所采集的三相交流電的0～125mA電流信號(hào)，輸入轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的交流電輸出。電流/電流[4]的轉(zhuǎn)換功能通過圖3所示的轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，讓電壓源并聯(lián)電阻接入電路中從而模擬出電流源的電流輸入，通過電路仿真以及實(shí)際電路的調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)輸入電流為0～125mA，電路的輸出信號(hào)為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)交流電信號(hào)。

1.3 頻率/電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

檢測(cè)三相交流電的頻率是否正常，利用光耦傳感器[5]和單片機(jī)接口電路將三相交流電的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，輸入轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成4～20mA的交流電。利用圖3電路，輸入電壓是通過利用單片機(jī)接口電路將輸入的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)作為電路輸入信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)為0～1KHz的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～2.5V的電壓輸入到所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路中，最終實(shí)現(xiàn)電路的輸出信號(hào)為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)交流電信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)試，在電路的輸入端分別是電壓、電流以及頻率的情況下，觀察輸出端電流表示數(shù)并記錄在表格中。

表1為圖3電路的電壓/電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由表1可以看出，當(dāng)輸入交流電壓信號(hào)在0～2.5V之間時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸出電流為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，其轉(zhuǎn)換精度為1.89%。

表2為圖3電路的電流/電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，可以實(shí)現(xiàn)電流值0～125mA轉(zhuǎn)化為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，其轉(zhuǎn)換精度為1.68%。

表3為圖3電路的頻率/電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用單片機(jī)可以將0～1KHz的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～2.5V的電壓輸入到電路中，最終實(shí)現(xiàn)4～20mA的交流電信號(hào)輸出，其轉(zhuǎn)換精度為1.2%。

3 結(jié)束語

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷增加，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電力部門對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定和供電品質(zhì)要求也越來越高。因此，電力系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)采集電參量，以便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度的自動(dòng)化。而電力參數(shù)如電壓、電流和頻率等數(shù)據(jù)采集和變送又是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。文章設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的電壓/電流（V/I）、電流/電流（I/I）和頻率/電流（F/I）轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)三相交流電的電壓、電流和三相頻率等電參數(shù)的4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)變送輸出，以便于后續(xù)的傳輸及測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王元祖（1993，4-），男，河南開封，本科，大三本科在讀儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，合肥工業(yè)大學(xué)屯溪路校區(qū)本科生宿舍樓10號(hào)南樓505，合肥工業(yè)大學(xué)211級(jí)別。

朱懷謙（1985，4-），男，漢族，安徽宿州人，本科，助教，研究方向：高校思想政治教育與文化傳播。