（电机与电器专业论文）10kv电流电压组合式传感器的研制.pdf

一 ! ! ! 堕亟堡i 墨塑鱼茎堡壁墨塑堕型 l o k vc u r r e n t v o l t a g ec o m b i n e d t r a n s d u c e r a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h e a c t u a l i t y o ft h e p r e s e n tr e s e a r c ho ne l e c t r i ct r a n s d u c e r s ，i ti s i n t r o d u c e dt h a tan e w d e s i g ns c h e m e o fe l e c t r o n i cc u r r e n ta n d v o l t a g ec o m b i n e dt r a n s d u c e r , w h i c hi sb a s e do nt h er o g o w s k ic o i l sa n da c c u r a t er e s i s t o rv o l t a g ed i v i d e r t h i sk i n do f t r a n s d u c e rw i l lb eu s e di nl0k vs w i t c h i n gb o x i to v e r c o m e st h e d r a w b a c k st h a t c o n v e n t i o n a lt r a n s d u c e r sh a v e ，a n di th a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i cs u c ha ss m a l lv o l u m e ， g o o dl i n e a r i t y ，晰d ef r e q u e n c yb a n d w i d t h ，n om a g n e t i c s a t u r a t i o na n de t c i tc a nd o m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o na tt h es a m et i m e b e s i d e st h a t ，i tc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h e c o m p u t e rt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i n gi n t e r f a c ea n ds e n dp a r a m e t e r so ft h ep o w e rs y s t e m a n d a c c e p t i n gt h ei n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h e p r i n c i p l eh o w t h et r a n s d u c e rm e a s u r e st h ec u r r e n ta n dt h ev o l t a g eo f p o w e rs y s t e mi s d i s c u s s e d an e wk i n do fr o g o w s k ic o i l s ，w h i c hi sm a d eo fp c b ，i s b r o u g h t f o r w a r d t h ew a yt om a k ep c b r o g o w s k i c o i l si sa l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r t h e l i n e a r i t yo fp c br o g o w s k ic o i l sh a sb e e nt e s t e d i tc o u l db ec o n s i d e r e dt h a tt h ep c b r o g o w s k ic o i l si sp e r f e c ta sa c u r r e n tt r a n s d u c e r , a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no ft h ec o i l s m a g n i t u d ev sf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n dp h a s ev s 行e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c i na d d i t i o n ， t h ef a c t o r st h a ti m p a c tt h ep r e c i s i o no ft h ed i v i d e rh a v eb e e na n a l y z e da n do v e r c o m eb y t h ed e s i g no fd i v i d e r sc o v e l i no r d e rt ot e s tt h et r a n s d u c e r se f f e c t ，ad i g i t a lw a t t m e t e r s y s t e m i sd e s i g n e da n dm a d e m s p 4 3 0m c u ，m a d e b y t i c o r p o r a t i o n ，i s u s e df o r s a m p l i n g ，p r o c e s s i n g a n d c o m m u n i c a t i n g m o r e o v e r t h es o f t w a r eo fm c u a n dt h es t r u c t u r eo fc o m b i n e dt r a n s d u c e r a r ea l s od e s i g n e d t h ee l e c t r o n i cc o m b i n e dt r a n s d u c e rw o r k sw e l la n dh a sg o o dp r e c i s i o n ， t h r o u g h t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：p c br o g o w s k ic o i l s ；c u r r e n tt r a n s d u c e r ；v o l t a g et r a n s d u c e r ；w a t t m e t e r i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：物蠲 日期：型! ! ：! ：丝 大连理二 大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力工业是我国经济建设的基础工业，在国民经济中占有举足轻重的地位。近年 来，随着国家经济建设的迅速发展，对电的需求目益扩大，电力系统的额定电压和额 定电流都大幅度提高和增加。与之相应的，电力系统中电气设备的额定电压和额定 电流都提高得很快，因此必须生产和发展新型的高压设备，电力互感器就是高压设备 中的一种。 电力互感器，包括电压互感器( p t ) 和电流互感器( c t ) ，是电力系统中进行电能计 量和获取继电保护信号的重要设备，其精度和可靠性与电力系统的安全性和经济运行 密切相关。然而传统的电磁式电力互感器在电网向大容量、超高压发展过程中面临着 严峻的考验，暴露出一系列严重的问题：绝缘结构越来越复杂，造价也随着电压等级 的升高而呈指数增加；动态测量范围小、频带窄；大部分依赖绝缘油做主绝缘，因而 易燃易爆。电压互感器存在铁磁谐振的可能性，容易引起过电压；电流互感器存在磁 饱和问题，在大容量系统中变得非常突出。大容量、超高压系统的短路电流不仅数值 很大，而且含有很大的非周期分量。过大的短路电流引起电流互感器铁芯过度饱和， 励磁电流成几十倍甚至几百倍的增大，会引起电流互感器二次电流数值和波形的严重 失真，继而引起系统保护的误动作。另外，传统互感：器l o o v 或5 a 的输出信号不能直接 与计算机相连。上述问题说明，传统的电磁式互感器已经难以满足现代电力系统的在 线检测、高精度故障诊断、计算机控制与管理等发展需要，寻求更理想的新型电力互 感器己势在必行。 新型互感器的开发与电子技术的发展密切相关，我们把依赖电子元件取样、处理 乃至输出信号的电压传感变送器、电流传感变送器称为电子式电压互感器和电子式电 流互感器，统称为电子式互感器。多年来电子式互感器在电力系统中的应用受到需要 大功率驱动的传统电磁型继电保护装置和二次测量及其它自动装置的制约，而随着微 机保护技术和现代测量装置的发展，这些设备不再需要大功率驱动，这种技术进步为 电子式互感器在电力系统的应用扫除了障碍。同时，网络技术和计算机技术的发展， 为微机继电保护和变电站自动化的再发展提供了有利的契机，尤其是网络技术的发展 给变电站自动化带来了翻天覆地的变化。次设备的改进，尤其是新型数字式电压 电流互感器的出现，必将促使微机继电保护技术和变电站自动化技术发生革命性的变 化。 本文采用了新型的罗氏线圈和电阻分压器做为电流和电压信号的采集单元，同以 1 ， 1 0 k v 电流，电压组合式传感器的研制 往的c t 和p t 相比，它没有饱和问题，不存在铁磁谐振现象，因而具有很大的动态测 量和线性测量区间；它只从电网采集信号，几乎不吸收能量，可以很好地和微机控制、 自动保护相配合，充分发挥其优点。符合电力系统微机保护的要求。与传统的电磁式 互感器相比，它具有体积小，重量轻，传输频带宽，无谐振点等优点，可以同时满足 测量和保护的要求。 1 2 电压电流互感器的在电力系统中的作用 按其用途，可分为测量用电压电流互感器和保护用电压电流互感器【2 】。 1 2 1 侧量用电压电流互感器 测量用电压电流互感器的用途是将测量信息传递给测量仪表。电力系统在运行 时将电能输送给各个用户，因此需要对电力传输线上的电压、电流进行测量并进行电 能计量用以作为向用户收取费用的根据。由它的用途所决定，测量用电压电流互感 器基本工作状态是正常状态，在这种状态下，它应保证具有最小的幅值误差和相位差， 成比例地反映出一次电压电流来，一般准确度要求在0 2 级。因此测量用电流互感 器的作用是： 1 将任一数值的交流电压电流变换成用标准测量仪表可以直接测量的交流电压 电流值； 2 使高压回路与维护人员可以接近的测量仪表相互绝缘。 1 2 2 保护用电压电流互感器 在电力系统的设计与运行中，必须考虑到系统有发生故障和不正常工作情况的可 能性。当某一设备发生故障时，为了防止电力系统事故的扩大，必须尽快切除故障， 切除故障的时间有时甚至要求达到若干毫秒。要完成这样的任务，只有借助于继电保 护装置。继电保护装置是电力系统自动化的重要组成部分，是保证电力系统安全可靠 运行的主要措施之一。 保护用电压电流互感器的用途是将测量信息传递到保护和控制装置。它的作用 是： 1 将任一数值的交流电压电流变换成可以供给继电保护装置的交流电压电流 值； 2 使高压回路与维护人员可以接近的继电器绝缘。 一般保护用互感器的准确度要求低于测量用互感器的准确度要求，为1 级。但要 求它响应速度快，频带宽，以迅速反映电力系统的故障状况。 2 - 大连理工大学硕士学位论文 1 3 课题的提出及本文所做的工作 i 3 i 课题的提出 随着电力系统容量的不断增大和电网运行电压等级的提高，传统的电磁式c t 和 p t 面临如下一些突出问题【3 ，4 5 】：绝缘技术复杂、成本高、体积大而笨重；互感器铁心 在故障状态下的饱和限制了c t 和p t 的动态响应精度；由于铁心磁饱和及磁滞回线的 影响，c t 的暂态输出电流严重畸变，甚至可能严重影响电网的安全运行；c t 输出端 不能开路，p t 可能产生铁磁谐振，出现过电压危及电气设备的运行安全。另一方面， 已在电力系统中广泛应用的以微处理器为基础的数字继电保护装置、电网运行监视与 控制系统以及发电机励磁装置等，不再需要大功率驱动，仅需1 v 的电压信号和u a 或1 1 3 a 级的电流信号就可以了，即系统对互感器的参数要求发生了变化，实质上需 要的是电量传感器。在这种背景下，新型电压和电流测量技术的研究成为电力系统中 的一个热点。 组合式电压电流传感器中采用新型的r o g o w s k i 线圈电流传感器。它重量轻，且无 磁饱和现象，在很宽的频带( 0 i h z i m h z ) 内都有很好的线性度。组合式传感器中的电 压传感器采用电阻分压器，可大幅减小体积、重量，还可消除p t 固有的铁磁谐振问题。 根据这两种传感器的结构特点，可将它们做成组合式传感器。电子式电流电压互感器 与传统的电磁式互感器相比具有高精度，高线性度，宽频带，体积小，重量轻等优点。 它的出现适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需要i 4 ，有望替代现有的传统式 互感器。电子式互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护 和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站综合自动化，商压直 流输电，s 氏气体绝缘开关( g i s ) ，电能的精确计量，及中低压开关柜等中具有明显的 优势。 1 3 2 本文所做的工作 尽管电子式电力互感器已经问世多年，人们进行了大量的理论分析和实验研究及 样机挂网运行，但到目前为止，国内还没有一种商业化的产品投放市场。这说明电子 式互感器虽然原理、技术可行，但要在高电压、离电磁干扰、高温差变化等环境下长 期稳定、可靠地运行，还需付出更多的努力。在系统分析了各种方案后，认为基于罗 氏线圈和电阻分压器原理的有源电子式互感器最有可能最先成为实用化产品。因此， 研究主要以怎样达到系统所要求的精确度和可靠性要求为目的，从采集部分的结构设 计、电路的方案选择、系统的电磁兼容与可靠性、误差校正方法等方面展开理论与实 验研究。 3 1 0 k v 电流电压组合式传感器的研制 1 4 本章小结 本章对我国电流电压互感器的发展现状，互感器的分类，互感器的特点和问题进 行了简要的介绍。针对这些问题提出了该课题研究的必要性，以及将要进行的主要工 作和技术路线。 4 - 大连理工大学硕士学位论文 第二章组合式电压电流传感器 2 1 电流传感器 2 1 1 ，罗氏线圈测量电流的原理 罗氏线圈是将导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上，让通有大电流的 导线垂直穿过线圈的中心，通过被测载流导体所产生的磁通的变化，感应出能反映被 测电流大小的电压信号的测量装置。 罗氏线圈测量电流的理论依据 6 ，7 】是电磁感应 定律和安培环路定律。当被测电流沿轴线通过线圈 时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁 场h 。由安培环路定律得： 叮弘a t = 耶) ( 2 1 ) 由曰= 日，u o = 百d o 得： 图2 1 罗氏线圈结构示意图 醌( 0 = d ( n i b d s ) d t = m d i ( t ) d t ( 2 2 ) 当检测线圈为环形，其截面为矩形时，见图2 1 。互感系数m 的值为： m = 4 n h l n ( b a ) 2 ；, r ( 2 3 ) 三= 胁z h i n ( b a ) 2 p c ( 2 4 ) 以上各式中：h 为线圈内部的磁场强度；b 为线圈内部的磁感应强度；uo 为真 空磁导率；n 为线圈匝数：u o 为线圈两端的感应电压；a 、b 为线圈横截面的内外径； h 为截面高度。 式( 2 2 ) 即为一次被测电流和线 圈两端电压的对应关系，由( 2 3 ) 式 可知，互感系数m 与线圈匝数以及线 圈的具体尺寸有关。增加匝数以及线圈 尺寸，可以有效地增大m 。但是匝数 过多会引起线圈内阻的增加，因此匝数 选取应该适当。 5 一 图2 2 罗氏线圈钡0 量电流的电路模型 u 旦! 里壅! 皇堡塑鱼壅堡壁墨塑盟型 图2 2 为罗氏线圈测量电流的电路模型，因为匝闻电容c o 很小，在测量工频信 号时可以忽略a 当线圈端口的采样电阻r a 很大时，由于线圈自感l 引起的阻抗以及 线圈内阻f 相对于i a 很小，可以认为，线圈电压完全降落在r a 上，因此，测量可以 简化为： u ( f ) ：m d i ，( t )( 2 5 ) 当测量工频正弦波电流时，可以简单地计算出： u = 1 0 0 z c m ( 2 6 ) 其中，s = i u i f = 1 0 0 m 为一次电流和电压信号的比例系数，即罗氏线圈测量正 弦波的灵敏度。灵敏度数值的稳定性，是反映罗氏线圈测量精度的重要指标。 式( 2 5 ) 成立的前提是导线均匀分布于线圈骨架，而且通流导体必须与线圈之间 保证一定的同轴度。如果漆包线不均匀分布于线圈骨架，通流导体平行于线圈轴心， 线圈感应电势u ( t ) 的表达式为； 盼百a o n h l n 三b 百d i ( t ) 一1 2 4 帮n hd i 苏( t ) 铲f1 叫麓t a n 华 锻、 + 铹警喷1 删锄臃r - 口7 2 d 尺 怕。“ 式中：r 为线圈骨架的等效半径；t l 为通流导 体相对于线圈圆心的偏心距；b 为不均匀分布线圈 对应的中心角；y 为线圈的初始角。 非均匀分布的r o g o w s k i 线圈如图2 3 所示。 如果b = 2 ，方程( 2 7 ) 等价于方程( 2 5 ) 。这表明： 如果导线均匀分布于线圈骨架，线圈感应电势u ( t ) 与通流导体偏心度无关。如果n = o ，线圈感应电势 u ( t ) 的表达式为： 啦) 一n h l n i b 掣 图2 3 非均匀分布的r o g o w s k i 线圈 ( 2 8 ) 因此，设计r o g o w s k i 线圈时必须将导线均匀缠绕于线圈骨架，对通流导体同轴 度的要求就可以大大降低。 2 1 2 外磁场对罗氏线圈影响 在罗氏线圈实际工作时，不仅被测电流产生的磁场，会加在线圈上，而且外磁场 6 - 大连理工大学硕士学位论文 如地磁场、附近高压电产生的磁场等，如果不采用适当的方式进行克服，测量结果会 受到很大的影响，严重的会使罗氏线圈不能工作，甚至使系统崩溃。 在罗氏线圈内绕上一返回匝【8 】会很好地解 决外磁场的影响。图2 4 为线圈周围磁场分布 示意图。图2 4 中垂直虚线箭头表示与线圈平 行的磁场分量；叉形符号表示与线圈垂直的磁 场分量。在不加返回匝时，垂直于线圈平面的 外磁场和平行于线圈的外磁场都会对罗氏线圈 的开路输出电压u ( t ) 上产生影响，考虑到罗氏 线圈的骨架厚度h 比较小，则可以认为：平行 t | i 一一f t 一 图2 4 罗氏线圈周围磁场示意图 磁场中只有被测电流i ( t ) 产生的环形磁场起作用，而该磁场与罗氏线圈骨架平面平 行，即不穿过以r 为半径的圆环，只穿过骨架上线绕部分矩形框，我们正是利用这进 行测量的。垂直于骨架平面的磁场分量穿过了整个圆环，一方面由于线绕均匀并且匝 数很多，可以把矩形框看作与该磁场分量平行，即该分量不对测量部分有干扰。另一 图2 5 带有返回匝的罗氏线圈 2 1 3p c 8 罗氏线圈 方面，假如线圈的尺寸比较大，则该分量会在 输出端等效的产生一干扰量，加入返回匝( 如 图2 5 所示) ，垂直磁场分量穿过以r 为半径的 圆环时，对开路输出就不存在影响，因为，返 回匝的加入使以r 为半径的圆环不再属于闭合 线圈的一部分。因此，从理论上证明了在罗氏 线圈中加入返回匝可以克服外磁场对有用信号 的干扰。为了进一步减小外磁场对线圈的干扰， 还要给线圈加装屏蔽罩，并且将屏蔽罩接地。 普通的罗氏线圈很难做到线圈均匀绕制和每匝线霹横截面相等，而且有易断线及 层闯电容增大误差等缺点，在工业生产中参数一致性很难得到保证，从丽影响罗氏线 圈测量电流时的准确性。因此我们在这里设计了一种新型的由印刷电路板( p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ) 制成的罗氏线圈( 以下简称p c b 罗氏线圈 g a o , 1 ) 。通过计算机辅助 设计( c a d ) 将印制导线均匀布置在印制电路板上，数字加工技术能从工艺上保证线 匝的截面积相等。这样制做出的线圈，不仅克服了传统式的罗氏线圈的缺点，而且灵 敏度、测量精度及性能稳定性都要优于传统的由铜线绕制的线圈。制作线圈只需将其 7 ! ! ! 里鎏! 皇望塑鱼茎堡壁墨塑婴型 布线图在电脑上绘制，简便快捷。线圈由数控机床生产，避免了繁琐的绕制过程，可 以缩短线圈加工的周期，提高生产的效率。大批量生产时线圈参数的分散性较小，同 一批生产出的线圈，其分布参数基本一致。 嗍2 图2 6p c b 罗氏线圈原理图 图2 7p c b 线圈导线 由于加工工艺的限制，加工的p c b 板通常不能很厚，一般只有几个毫米，所以单 个线圈所产生的电压不足以满足我们的要求，需要几块串联起来使用。为了得到更高 的精度，消除外界电磁波的干扰，线圈要由偶数块串联起来，且相邻两个线圈的绕线 方向相反( 如图2 6 ) ，这样就使流过线圈内部的电流产生的感应电压相加，而线圈 外部电场在线圈上产生的感应电压相互抵消，其效果与加返回匝效果一样。图2 7 为p c b 罗氏线圈的局部视图。 在布线时，靠近外圈的线匝之间通常会有很大的空隙，为了充分利用电路板的有 限空间，我们在外侧线匝的空隙中又增加了小线匝( 如图2 8 所示) ，这样既充分利 用了电路板的空间，同时又大大的增加了单片p c b 罗 氏线圈的输出电压。如果线圈输出电压相同的情况下， 这种方法可使电路板的面积减小3 0 左右，从而大大地 降低了加工的成本。 图2 8 中线圈的输出电压是由大小线匝的感应电 压相互串联叠加而成的。设大线匝的内径为a ，外径为 b ，小线匝的的内径为c ，p c b 罗氏线圈的截面图如图 2 9 所示。图中大线匝的截面为a + b ，小线匝的截面 为b ，设大小线圈的匝数为n ，则整个线圈的总磁通为 n 匝线圈在a 面的磁通加上2 n 匝线圈在b 面的磁通。 图2 8 加小线匝后的线圈 设线圈在截面a 产生的互感系数为m 1 ，自感为l l ，感应出的电压为u i ；线圈在截 面b 产生的互感系数为m 2 ，自感为l 2 ，感应出的电压为u 2 ，则： m = j u o n f h l n ( c a ) ( 2 9 ) 8 大连理工大学硕士学位论文 坛：, u 0 2 n h l n ( b c )( 2 1 0 ) 2 2 ；r 、 墅个线圈明且愿糸数为： m = m l + m 2 ：1 t o n 1 h l n ( 一c a ) + 1 2 0 2 n _ h 芒l n ( b 一c ) ( 2 1 1 )三死厶亿 一p 2 0 n 石h1 n ( 等) 整个线圈的自感l 为： 三= 百l & n 2 h l n 咿笔磐h 。一l f “1 1 。l 五；“1 2 1 4 对p c b 罗氏线圈的线性度测试 图2 9p c b 罗氏线圈截面图 ( 2 1 2 ) 实际制作的单片p c b 罗氏线圈的厚度h 为3 r a m ，n = 1 8 0 匝，a = 6 0 m m ，b = 1 2 5 m m 。线圈由6 块板串联而成。测出其杂散电容为c o = 3 3 0 p f ，线圈自感l o = 8 6 4 uh ，直流电阻r = 4 2 3 6 q ，互感m = o 4 7 6 1 1h 。 r l 图2 1 0p c b 罗氏线圈测量装置 工业测量中，传感器的一个重要参数就是线性度和灵敏度( s = 忙，巾。因此，采 用图2 1 0 所示的实验装置测试p c b 罗氏线圈的线性度和灵敏度。图中r = 9 9 8 k q ， c = o 1 0 5 2 u f ，r i = i mo ，r 2 = l o 0 1 ko 。实验数据见表2 1 。 用m a t l a b 6 5 中的p l o y f i t 函数对测量数据进行最小二乘拟合，作出实验曲线 如图2 1 l 所示，同时求得自制的p c b 罗氏线圈电流传感器的平均灵敏度为s = o 1 4 8 x 1 0 3 。对一次侧电流采用灵敏度求出的值同理论输出比较，最大误差为0 5 ，因此 采用p c b 制作的r o g o w s k i 电流传感器满足继电保护装置的测量精度要求。 9 1 0 k v 电流，电压组合式传感器的研制 i ( a ) 图2n 一次电流与信号电压的关系曲线 表2 1 线圈原始信号测量数据 序号电流( a )电压( m v ) 灵敏度s ( x 1 0 _ 3 ) 11 0 3 1 5 80 1 5 3 1 4 7 2 0 2 2 5 2 3 0 0 3 5 3 4 0 1 4 4 9 5 0 1 5 5 2 6 0 2 5 5 2 7 0 1 7 5 1 7 9 7 8 5 1 8 9 8 9 4 8 2 1 9 2 9 9 3 7 0 4 3 7 5 1 5 5 8 3 6 5 5 了2 8 8 0 3 8 7 。6 9 5 1 1 0 2 1 0 9 “6 1 2 4 1 3 1 1 4 0 0 1 4 8 0 1 4 8 0 1 4 7 o 1 4 7 o 1 4 6 0 1 4 5 0 ，1 4 6 0 1 4 5 0 1 4 5 0 1 4 6 0 1 4 6 0 1 4 6 0 1 4 5 0 1 4 6 0 1 4 6 0 ，1 4 6 0 1 4 8 1 99 9 8 1 4 80 1 4 8 根据实验数据计算得到： m ：要：! 兰l ：0 4 7 1 h 1 0 0 1 0 0 z l = n m = 8 5ph ，与理论值比较接近。 普通的罗氏线圈由于绕线不均匀，当电流不在线圈中心穿过时，输出电压相对在 1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 m u心竹“埔埔竹埔 大连理工大学硕士学位论文 线圈中心穿过时会产生一些变化。而我们实际制作的p c b 线圈分布较均匀，测量时将 被测电流导线在线圈中各处移动，测量数据未观察到变化。这也减少了在安装过程中 人为造成的偏差。 2 1 - 5 对p c b 罗氏线圈的频率特性分析 罗氏线圈的频率特性主要取决于线圈自身的参数l o 和c o ，以及积分器的参数【1 2 1 。 当c o r s ，c l c 2 ，则相应的传递函数为： 西u o 一百1 雨篡2 r 筹蒜2 r 3 r ，) ( 3z t ) 矾r ll + j ( r 5 c l +3 c 2 ) + 占2 c i c 2 ( r 3 2 + 、 幅频特性和相频特性曲线如图3 5 所示。 改进型的积分器增加了高通滤波环节， 这样就能够在保证抑制直流漂移的同时，使 信号中的低频分量经r 5 和c i 直接流入大 地，不会对后面的电路产生影响。 为降低电阻电容等电子元件参数的温漂 影响，要选取温漂系数小的精密器件。在选 用运放时应选择低失调电压和温度漂移的 芯片。电容可选取温度系数较稳定的聚苯乙 烯电容或c b b 电容。需要时可利用实验取得 温度影响数据，应对数据进行补偿。 1 2 l o 窖 鼍6 4 2 佳日ln l o ll dl i f t o n o 图3 ，4 改进型积分电路 f 辑t 氇i z 4 辐频静雌睡绒l ”捅鞭特牲曲拽 图3 5 改进积分电路的幅频特性和相频特性曲线 2 2 大连理工大学硕士学位论文 3 。2 。3 隔直电路 信号在经过积分器时，由于积分电容的漏电流或者运放的偏置电压等原因，有时 会积分后的波形中叠加入一个直流分量。为了过滤掉这个直流分量，在积分器之后加 了一个隔直电路。隔直电路实际上就是一个由电 阻和电容组成的无源高通滤波器。隔直电路原理 图如图3 6 所示。 由于在积分器之前加了二阶低通滤波电路， 引入了一定的相位差，因此隔直电路还起着矫正 相位差的作用。 隔直电路的输入、输出相量关系式： 1 阽( 1 + 了赢) u c 图3 6 隔直电路 ( 3 2 2 ) 令石南。t a n 曰，0 = 2 。7 。t 求得r c = 6 7 5 1 0 。2 。 隔直电容一般不能选的太大，因为电容过大会产生较大的漏电流，当电容持续1 ua 的漏电流时，信号源内阻每变化l k q 则产生i m v 的噪声电压。漏电流经过电阻r 后也会在输出电压中引入较大的直流分量，也就失去了隔直的意义。因此用于隔直流 的交流耦合电容器必须选用漏电流极小的产品。一般可选电容量为1 0 0 0 p f o 4 7 u f 的涤纶薄膜电容或聚苯乙烯电容1 2 7 1 。这里选用4 7 n f 的聚苯乙烯电容作为隔直电容。 则可确定r 为1 5 m q 。 得到其特征频率为：五2 荔蒜。3 3 9 胁 1 相位差：日= 气一气= a r c t a n 石急2 2 5 旷 总相差；口= 口+ 8 = 一2 7 。+ 2 5 9 6 = 一o 1 l 。= - 6 6 ，这一误差满足设计的精度要 求f 2 8 】，并可在软件中得到补偿。 3 3 数字部分 3 3 im s p 4 3 0 单片机 m s p 4 s o f 4 4 9 单片机为1 0 0 脚贴片式的芯片，为了便于调试，采用了双层板式的 设计方案，把整个的电路分为采集板和d i p 转接板两部分。采集板是由信号调理电路、 2 3 o k v 电流电压组合式传感器的研制 电源电路、串行通讯电路三部分组成的。d i p 转接板是将m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机，j t a g 接口及低频、高频晶振都置于一块电路板上，这样d i p 转接板即成为一块独立的 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机仿真器，可以在其它外围设备没有连接上的情况下，通过j t a g 接 口对单片机进行程序的开发及调试。当模拟信号输入及串行通讯等其它的外围设备都 准备好之后，将已写入程序的m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机d i p 转接板插到采集板上即可工作， 同时又可以对单片机进行在线编程和调试。 3 3 2r s 2 3 2 串口通讯电路 r s 2 3 2 采用的芯片是s i p e x 公司的s p 3 2 3 2 。该芯片的供电电压为3 o v a 5 5 v ，2 路通道，1 5 k v 的e s d 保护性能，以及最高1 0 0 0 k 的传输速率。 将s p 3 2 3 2 的路通道与m s p 4 3 0 f 4 4 9 的u a r t o 相连，另一路通道和r s 4 8 5 的通道 共用m s p 4 3 0 f 4 4 9 的u a r t l 接口，并可以通过跳线来进行选择。 s p 3 2 3 2 与单片机之间用光耦进行隔离，以减少通讯过程中对单片机的干扰。光 耦采用3 3 v 供电的6 n 1 3 9 。为防止干扰信号通过电源线串到单片机一侧，系统采用 了两个相互隔离的电源来分别为光耦的两侧电路供电。电路如图3 ，7 所示。 光耦隔离电路 3 3 3r s 4 8 5 串口通讯电路 r s 4 8 5 串口通讯模块采用的是t i 公司的s n 6 5 h v 0 8 ，该芯片的特点是3 0 5 5 v 电源，静态电流小于9 0 m w ，高于1 6 k v 的e s d 保护，最大l o m b p s 的通讯速率a 为了减小干扰，提高4 8 5 的可靠性，本文采用了以下措施口引； 1 光耦隔离。r s 4 8 5 通讯模块也采用了光耦隔离以减少总线对单片机的干扰， 隔离方式与r s 2 3 2 的方式类似。 2 r o 及d i 端配置上拉电阻。异步通信数据以字节的方式传送，在每一个字节 传送之前，先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发r o ( 接收 器输出) 及d i ( 发送器输入) 产生负跳变，使接收端单片机进入接收状态，在r o 和 2 4 大连理： 大学硕士学位论文 d i 处外接l o k q 上拉电阻。 3 在a 、b 引脚间加总线匹配电阻。位于总线两端的差分端口v a 与v b 之间跨接 1 2 0 q 匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射，吸收噪声，有效她抑制噪声干扰。 见图3 8 。 4 ，在a 、b 引脚加偏置电阻。当4 8 5 网络处于空闲状态时，所有的引脚都处于接 收模式。在这种情况下网络中并没有有效的驱动器，所有的驱动器都是处于三态的。 没有任何驱动的网络，数据线的状态是不定的。 如果接收器a 、b 的输入电压在+ 2 0 0 m v 以内， 接收器的输出逻辑电平将会保持接收到的上一 位的值。为了保持一定的空闲状态，必须加偏 置电阻强制数据线为空闲状态。偏置电阻无非 是在数据线b 上加上拉电阻，在数据线a 上加 下拉电阻。如图3 8 所示是在两线制收发器上 放置的偏= 置! 电阻。四线制的r s 一4 8 5 中，偏置 电阻应放置在接收线上。偏置电阻的值与匹配 电阻及网络中的引脚数有关。其目的就是要在 网络中产生足够的直流偏置电流以保证a 、b 数 据线间的最小电压为2 0 0 m v 。 3 4 电源和接地 图3 8 匹配电阻及偏置电阻的放置 为了提高系统的可靠性，防止各部分电路模块间相互干扰，将采集系统各个部分 的电源和地线互相分开【3 吼。电源主要分成了三部分：模拟部分电源，数字部分电源和 通讯部分电源。 模拟部分电源是为信号调整电路供电的，主要是为运算放大器提供i - _ 1 5 v 的电 源。数字部分电源是为m s p 4 3 0 单片机和光耦提供3 3 v 电源的。通讯部分电源是为 r s 2 3 2 芯片，r s 4 8 5 芯片以及光祸电路供电的。 为减小电源电压的纹波和高频串扰，在各电源电路的入口处加了2 2 0 uf 的电解 电容，在各芯片的电源引脚处加了去耦电容及旁路电容。 与电源相应的，系统的地线也被分成了模拟地，数字地和信号地三部分。这三个 部分相互独立，并采用星型接法在一点相连接，这样可以防止系统中的某一部分通过 地线形成环流，造成电磁干扰。同时，电路板的空白处全部采用覆铜并与地线相连， 以减少电路板和外部空间的互相干扰，从而提高系统的电磁兼容性。 2 5 l o k v 电流，电压组合式传感器的研制 3 。5 本章小结 为了测试电流电压传感器的效果，本文设计了电能表系统。本章简要地介绍了电 能表系统的主要功能，对采集系统的信号调整电路，信号处理电路，通讯电路和电源 电路的原理与设计进行了详细的介绍，并且在介绍电路的同时说明了一些实际采用的 提高系统可靠性及电磁兼容性的方法。 2 6 大连理工大学硕士学位论文 第四章m s p 4 3 0 单片机程序设计 4 1m s p 4 3 0 单片机介绍 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机( 或称为微控制器) ，是一种具有超低功耗特性的功 能强大的单片机引1 。它有几个子系列，我们主要使用的单片机是属于m s p 4 3 0 f 4 4 x 系 列的。图4 1 是m s p 4 3 0 f 4 4 x 的系统结构图。 图4 1m s p 4 3 0 f 4 4 x 系统结构 m s p 4 3 0 f 4 4 x 系列单片机具有以下一些共同的特点： 1 超低功耗 m s p 4 3 0 f 4 4 x 具有5 种工作模式，运行在8m h z 时钟条件下时，工作电流视工作模 式不同为0 1 4 0 0ua ，工作电压为i 8 3 6 v 。 2 强大的处理能力 m s p 4 3 0 f 4 4 x 具有1 6 位精简指令结构( r i s c ) ，1 5 0 n s 指令周期。它有丰富的寻址 方式，但指令系统比较简洁。它片内寄存器数量多，内部有高达2k b 的r a m 存储器， 可实现多种运算：有高效的查表处理方法。这些特点保证了可以编制出高效的程序。 m s p 4 3 0 f 4 4 x 的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省 电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6us 。 3 丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 f 4 4 x 中的各个成员集成了较多的片上外围资源。如m s p 4 3 0 f 4 4 9 就包含： 1 2 位的带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性的a d 转换器，一个硬件乘法器， 2 组频率最高可达8m h z 的时钟模块，2 个带有大量捕获比较寄存器的1 6 位定时器， 看门狗，2 个可实现异步、同步及多址访问的串行通信接口，1 6 0 段液晶驱动模块， 数十个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出口等。 2 7 1 0 k v 电流电压组合式传感器的研制 4 。方便高效的开发方式 m s p 4 3 0 f 4 4 x 具有多达6 0k b 的f l a s h 存储器，这一特点使得它的开发工具相当简 便。利用单片机本身具有的7 t a g 接口或片内b o o tr o m ，可以在一台p c 及一个结构 小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，同时可以对程序进行在线调试。这大 大地节省了开发的成本，提高了开发的效率。 4 2 程序设计 4 2 1a d 采样 a d c l 2 是1 2 位精度的a d 转换模块 3 2 , 3 3 , 3 4 1 ，具有高速、通用的特点。它具有以 下5 大功能模块，都可以独立配置，即 带有采样保持功能的a d c 内核。 可控制的转换存储。 可控制的参考电平发生器。 可控制和选择的时钟源。 可控制的采样及转换时序电路。 采样转换时间与采样时间 内部振荡器产生约5m h z 的a d c l 2 0 s c 信号，a d 转换从采样信号s a m p c o n 的下降 沿开始。采样模式结构如图4 2 。 图4 。2 采样模式结构 采样保持定时器( s h t ) 由t i m e rb 产生的周期性触发信号来控制，采样时间由 s h t 来设定。采样时间 3 5 1 可用下式计算，即 采样时间= 4xa d c l 2 c l k 周期s h t x ( 4 1 ) 其中：s h t x 为采样保持定时器s h t o 或s h t i 。 如图4 3 所示，采样信号s a m p c o n 在同步时间( t 。”。) 和采样时间( t # ) 保持为高， 2 8 - 大连理工大学硕士学位论文 转换时间( t # ) 为1 3 个a d c l 2 c l k 周期。采样转换周期由采样信号输入触发，在整个 周期完成之前，采样信号输入的上升沿不会再起作用。 整个转换过程需要1 3 个时钟周期，转换时间用下式计算，即 在转换完成前自 g 变被忽略 p c o n 1 2 c l k ? 厂小 l_ 厂、八 j - 图4 3 采样模式时序 转换时间= 1 3 ( a d c l 2 d i v f a d c l 2 e l k ) ( 4 2 ) 其中a d c l 2 d i v 是l 8 的整数。 实验计划对工频信号每周期采样6 4 个点，则采样周期应为3 1 2 5us ，由t i m e r _ b 产生这个采样周期信号。 模拟输入信号的稳定时间为： t e = ( r s + lk q ) c i 9 0 1 l ( 4 3 ) 图4 4 序列通道转换状态图 2 9 1 0 k v 电流电压组合式传感器的研制 其中r s 为在实际输入频率下的源内阻，c 。为输入电容。 根据式4 3 可求出稳定时问为2 1 6us 。因此采样时间( tg # ) 应该大于2 1 61 1s 。 设定s h t o 为2 ，则采样时间为3 2 us ，a d c 转换时f 日q ( t # 自) 为2 6 “s 。 由m s p 4 3 0 的芯片手册查得温度传感器采样时间需大于3 0us ，因此将s h t i 设置 为7 ，采样时间为3 8 。4 耻s 。这样即可对电流电压信号及温度信号实现两种不同采样 频率，以保证采样的精度。 a d c l 2 采样采用序列通道单次转换模式【3 6 l 。序列通道转换状态图如图4 4 所示。 每一个转换存储控制寄存器都有e o s ( e n do fs a m p e ) 位，除了最后一个转换存 储控制寄存器中的e o s 位，其余的e o s 位必须复位。用最后一个转换存储控制寄存器 的e o s 位定义序列转换的结束。为了两次执行同一序列转换，或是一个新的序列，e n c 位必须复位然后再置位。在e n c 再次置位前到来的输入信号将被忽略。但是，序列转 换一旦开始，e n c 位即可复位，而序列转换会正常完成。 为进一步简化硬件电路，本设计采用缩减扫 。 描采样法原理【3 7 j ( r e d u c e ds c a np r i n c i p l e ) ， 在周期时间间隔内交替测量电压和电流。每个采 电i 压电i 流 气压气流j 压 样值使用两次其时序如图4 5 所示，其中a 表示 ! ! 一 此测量方法的固有相移；重复时间是指一个完整e i 型j u ： _ j 的测量周期的长度；l a r r 表示两次a d c 转换的 重复时 争 时间间隔。 图