CN110361591B - 基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路。本发明电路包括三相电流互感器CS1、A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC3、RMS/DC芯片IC4、运放IC5、A相瞬态抑制管TV1、B相瞬态抑制管TV2、C相瞬态抑制管TV3、A相钳位二极管D1、B相钳位二极管D2、C相钳位二极管D3、A相整流二极管D4、B相整流二极管D5、C相整流二极管D6等。本发明由三相零式超级整流电路、交流电流有效值信号处理电路组成，核心器件采用三相电流互感器、超级二极管三相零式整流电路、RMS/DC转换芯片及运算放大器，本发明能高精度、宽范围、实时地检测三相交流电流有效值信号。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

Description

基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路，适用于各类需要对三相交流电流有效值进行高精度实时监测与控制的应用场合。

背景技术

在基于三相交流电供电的各类应用***中，都需要检测三相交流电流有效值，目前常用的三相交流电流有效值检测方案主要有两大类：一种是基于三相电流互感器及三相整流滤波电路的方案，将三相交流电流有效值变换成直流电压信号输出；另一种是基于霍尔电流传感器的方案。但目前这两个方案分别存在如下问题：一是基于三相电流互感器及三相二极管整流滤波电路的方案，尽管简单可靠，但由于二极管整流电路有压降损失，不仅存在检测的非线性而且影响检测精度，也限制了检测范围，此外，也存在着较大的检测滞后性。二是基于霍尔电流传感器的方案由于价格昂贵而限制了其应用范围。因此，如何设计一种基于三相电流互感器而能实现高精度快速检测的高性价比的三相交流电流有效值检测电路方案，无疑具有很好的应用前景，这也是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路。该电路由三相零式超级整流电路、交流电流有效值信号处理电路组成，核心器件采用三相电流互感器、超级二极管三相零式整流电路、RMS/DC转换芯片及运算放大器等，该电路能高精度、宽范围、实时地检测三相交流电流有效值信号。

本发明电路包括三相零式超级整流电路、交流电流有效值信号处理电路。

三相零式超级整流电路包括三相电流互感器CS1、A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC3、A相瞬态抑制管TV1、B相瞬态抑制管TV2、C相瞬态抑制管TV3、A相钳位二极管D1、B相钳位二极管D2、C相钳位二极管D3、A相整流二极管D4、B相整流二极管D5、C相整流二极管D6、A相转换电阻R1、B相转换电阻R2、C相转换电阻R3、A相滤波电阻R4、B相滤波电阻R5、C相滤波电阻R6、A相转换电容C1、B相转换电容C2、C相转换电容C3、A相滤波电容C4、B相滤波电容C5、C相滤波电容C6；

A相载流导线穿过三相电流互感器CS1的A相检测孔，三相电流互感器CS1的A相第1输出端OUTA1端与A相转换电阻R1的一端、A相转换电容C1的一端、A相瞬态抑制管TV1的一端、A相滤波电阻R4的一端连接，三相电流互感器CS1的A相第2输出端OUTA2端、A相转换电阻R1的另一端、A相转换电容C1的另一端、A相瞬态抑制管TV1的另一端均接地，A相滤波电阻R4的另一端与A相滤波电容C4的一端、A相钳位二极管D1的阴极、A相整流运放IC1的正输入端IN+端连接，A相滤波电容C4的另一端、A相钳位二极管D1的阳极、A相整流运放IC1的负电源端-V端均接地，A相整流运放IC1的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，A相整流运放IC1的输出端OUT端与A相整流二极管D4的阳极连接，A相整流运放IC1的负输入端IN-端与A相整流二极管D4的阴极、B相整流二极管D5的阴极、C相整流二极管D6的阴极、B相整流运放IC2的负输入端IN-端、C相整流运放IC3的负输入端IN-端、上分压电阻R7的一端连接；

B相载流导线穿过三相电流互感器CS1的B相检测孔，三相电流互感器CS1的B相第1输出端OUTB1端与B相转换电阻R2的一端、B相转换电容C2的一端、B相瞬态抑制管TV2的一端、B相滤波电阻R5的一端连接，三相电流互感器CS1的B相第2输出端OUTB2端、B相转换电阻R2的另一端、B相转换电容C2的另一端、B相瞬态抑制管TV2的另一端均接地，B相滤波电阻R5的另一端与B相滤波电容C5的一端、B相钳位二极管D2的阴极、B相整流运放IC2的正输入端IN+端连接，B相滤波电容C5的另一端、B相钳位二极管D2的阳极、B相整流运放IC2的负电源端-V端均接地，B相整流运放IC2的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，B相整流运放IC2的输出端OUT端与B相整流二极管D5的阳极连接；

C相载流导线穿过三相电流互感器CS1的C相检测孔，三相电流互感器CS1的C相第1输出端OUTC1端与C相转换电阻R3的一端、C相转换电容C3的一端、C相瞬态抑制管TV3的一端、C相滤波电阻R6的一端连接，三相电流互感器CS1的C相第2输出端OUTC2端、C相转换电阻R3的另一端、C相转换电容C3的另一端、C相瞬态抑制管TV3的另一端均接地，C相滤波电阻R6的另一端与C相滤波电容C6的一端、C相钳位二极管D3的阴极、C相整流运放IC3的正输入端IN+端连接，C相滤波电容C6的另一端、C相钳位二极管D3的阳极、C相整流运放IC3的负电源端-V端均接地，C相整流运放IC3的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，C相整流运放IC3的输出端OUT端与C相整流二极管D6的阳极连接。

交流电流有效值信号处理电路包括RMS/DC芯片IC4、运放IC5、上分压电阻R7、下分压电阻R8、输出滤波电阻R9、负端电阻R10、反馈电阻R11、输入滤波电容C7、隔直电容C8、转换滤波电容C9、输出滤波电容C10、电源电容C11，上分压电阻R7的另一端与下分压电阻R8的一端、输入滤波电容C7、的一端、RMS/DC芯片IC4的正输入端IN+端连接，下分压电阻R8的另一端、输入滤波电容C7的另一端、隔直电容C8的一端均接地，隔直电容C8的另一端与RMS/DC芯片IC4的负输入端IN-端连接，RMS/DC芯片IC4的正输出端OUT+端与输出滤波电阻R9的一端、转换滤波电容C9的一端连接，RMS/DC芯片IC4的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，RMS/DC芯片IC4的正电源端+V端与运放IC5的正电源端+V端、电源电容C11的一端、电路电源端+VCC端连接，输出滤波电阻R9的另一端与输出滤波电容C10的一端、运放IC5的正输入端IN+端连接，运放IC5的负输入端IN-端与负端电阻R10的一端、反馈电阻R11的一端连接，负端电阻R10的另一端、输出滤波电容C10的另一端、转换滤波电容C9的另一端均接地，反馈电阻R11的另一端与与运放IC5的输出端OUT端、电路输出端Uout端连接，运放IC5的地端GND接地。

本发明的有益效果如下：

本发明以超级二极管三相零式整流电路、RMS/DC转换芯片、运算放大器等为主的三相交流电流有效值检测电路方案，能完全地满足基于三相电流互感器的三相交流电流有效值的高精度、宽范围的实时检测要求。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路，包括三相零式超级整流电路、交流电流有效值信号处理电路。

三相零式超级整流电路包括三相电流互感器CS1、A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC3、A相瞬态抑制管TV1、B相瞬态抑制管TV2、C相瞬态抑制管TV3、A相钳位二极管D1、B相钳位二极管D2、C相钳位二极管D3、A相整流二极管D4、B相整流二极管D5、C相整流二极管D6、A相转换电阻R1、B相转换电阻R2、C相转换电阻R3、A相滤波电阻R4、B相滤波电阻R5、C相滤波电阻R6、A相转换电容C1、B相转换电容C2、C相转换电容C3、A相滤波电容C4、B相滤波电容C5、C相滤波电容C6；

A相载流导线穿过三相电流互感器CS1的A相检测孔，三相电流互感器CS1的A相第1输出端OUTA1端与A相转换电阻R1的一端、A相转换电容C1的一端、A相瞬态抑制管TV1的一端、A相滤波电阻R4的一端连接，三相电流互感器CS1的A相第2输出端OUTA2端、A相转换电阻R1的另一端、A相转换电容C1的另一端、A相瞬态抑制管TV1的另一端均接地，A相滤波电阻R4的另一端与A相滤波电容C4的一端、A相钳位二极管D1的阴极、A相整流运放IC1的正输入端IN+端连接，A相滤波电容C4的另一端、A相钳位二极管D1的阳极、A相整流运放IC1的负电源端-V端均接地，A相整流运放IC1的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，A相整流运放IC1的输出端OUT端与A相整流二极管D4的阳极连接，A相整流运放IC1的负输入端IN-端与A相整流二极管D4的阴极、B相整流二极管D5的阴极、C相整流二极管D6的阴极、B相整流运放IC2的负输入端IN-端、C相整流运放IC3的负输入端IN-端、上分压电阻R7的一端连接；

B相载流导线穿过三相电流互感器CS1的B相检测孔，三相电流互感器CS1的B相第1输出端OUTB1端与B相转换电阻R2的一端、B相转换电容C2的一端、B相瞬态抑制管TV2的一端、B相滤波电阻R5的一端连接，三相电流互感器CS1的B相第2输出端OUTB2端、B相转换电阻R2的另一端、B相转换电容C2的另一端、B相瞬态抑制管TV2的另一端均接地，B相滤波电阻R5的另一端与B相滤波电容C5的一端、B相钳位二极管D2的阴极、B相整流运放IC2的正输入端IN+端连接，B相滤波电容C5的另一端、B相钳位二极管D2的阳极、B相整流运放IC2的负电源端-V端均接地，B相整流运放IC2的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，B相整流运放IC2的输出端OUT端与B相整流二极管D5的阳极连接；

C相载流导线穿过三相电流互感器CS1的C相检测孔，三相电流互感器CS1的C相第1输出端OUTC1端与C相转换电阻R3的一端、C相转换电容C3的一端、C相瞬态抑制管TV3的一端、C相滤波电阻R6的一端连接，三相电流互感器CS1的C相第2输出端OUTC2端、C相转换电阻R3的另一端、C相转换电容C3的另一端、C相瞬态抑制管TV3的另一端均接地，C相滤波电阻R6的另一端与C相滤波电容C6的一端、C相钳位二极管D3的阴极、C相整流运放IC3的正输入端IN+端连接，C相滤波电容C6的另一端、C相钳位二极管D3的阳极、C相整流运放IC3的负电源端-V端均接地，C相整流运放IC3的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，C相整流运放IC3的输出端OUT端与C相整流二极管D6的阳极连接。

交流电流有效值信号处理电路包括RMS/DC芯片IC4、运放IC5、上分压电阻R7、下分压电阻R8、输出滤波电阻R9、负端电阻R10、反馈电阻R11、输入滤波电容C7、隔直电容C8、转换滤波电容C9、输出滤波电容C10、电源电容C11，上分压电阻R7的另一端与下分压电阻R8的一端、输入滤波电容C7、的一端、RMS/DC芯片IC4的正输入端IN+端连接，下分压电阻R8的另一端、输入滤波电容C7的另一端、隔直电容C8的一端均接地，隔直电容C8的另一端与RMS/DC芯片IC4的负输入端IN-端连接，RMS/DC芯片IC4的正输出端OUT+端与输出滤波电阻R9的一端、转换滤波电容C9的一端连接，RMS/DC芯片IC4的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端、负输出端OUT-端均接地，RMS/DC芯片IC4的正电源端+V端与运放IC5的正电源端+V端、电源电容C11的一端、电路电源端+VCC端连接，输出滤波电阻R9的另一端与输出滤波电容C10的一端、运放IC5的正输入端IN+端连接，运放IC5的负输入端IN-端与负端电阻R10的一端、反馈电阻R11的一端连接，负端电阻R10的另一端、输出滤波电容C10的另一端、转换滤波电容C9的另一端均接地，反馈电阻R11的另一端与与运放IC5的输出端OUT端、电路输出端Uout端连接，运放IC5的地端GND接地。

本发明所使用的包括三相电流互感器CS1、A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC3、RMS/DC转换芯片IC4、运放IC5、A相瞬态抑制管TV1、B相瞬态抑制管TV2、C相瞬态抑制管TV3、A相钳位二极管D1、B相钳位二极管D2、C相钳位二极管D3、A相整流二极管D4、B相整流二极管D5、C相整流二极管D6等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：电流互感器采用KCT系列，RMS/DC芯片采用LTC1968，运放采用TLC2264，瞬态抑制管采用P6KE6.8CA，二极管采用IN4148等。

本发明中的主要电路参数配合关系如下：

设：R₁＝R₂＝R₃＝R_i，则三相电流互感器CS1的各相输出端电压信号分别为

I_x为被测的三相交流电流有效值(单位：A)，k_i为电流互感器CS1的铭牌参数电流比。

令：R₁＝R₂＝R₃＝R_i (1)

R₄＝R₅＝R₆ (2)

C₁＝C₂＝C₃ (3)

C₄＝C₅＝C₆ (4)

R₁＜＜R₄ (5)

U_outmax≤V_cc (9)

式中的R₁、R₂、R₃分别为A相转换电阻R1、B相转换电阻R2、C相转换电阻R3的阻值(单位：Ω)，R₄、R₅、R₆分别为A相滤波电阻R4、B相滤波电阻R5、C相滤波电阻R6的阻值(单位：Ω)，R₇、R₈、R₁₀、R₁₁分别为上分压电阻R7、下分压电阻R8、负端电阻R10、反馈电阻R11的阻值(单位：Ω)，I_xmax为被测电流的最大有效值(单位：A)，U_out、U_outmax分别为本发明电路输出的电压信号及其最大值(单位：V)，V_cc为电路供电电压值(单位：V)。

式(10)即为本发明电路输出电压信号与被测电流有效值间的关系式。

本发明工作过程如下：

三相零式超级整流电路：将被测的三相载流导线分别穿过三相电流互感器的三个检测孔，三相电流互感器输出的三相电流信号分别经A相转换电阻R1、B相转换电阻R2、C相转换电阻R13转换成三相交流电压信号

并令R₁＝R₂＝R₃＝R_i，则这三相电压信号经以A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC13为主的超级二极管整流后输出的直流分量为U_d0＝1.17k_iR_iI_x，与被测的电流有效值I_x成正比。

交流电流有效值信号处理电路：上述的U_d0＝1.17k_iR_iI_x信号经上分压电阻R7、下分压电阻R8分压滤波后成为直流信号

且其最大值不超过RMS/DC芯片IC4允许的最大输入信号幅度，所以，RMS/DC芯片IC4输出有效值信号为

再经以运放IC5为主的输出调理电路处理后输出如式(10)所示被测电流有效值I_x成正比的电压信号。

备注：关于超级二极管的解释：所谓超级二极管，就是如图1中所示的A相正向运放IC1与A向正二极管构成的单向跟随电路环节，该电路的主要特点是克服了二极管存在的导通压降，理论上成为零压降的理想有源二极管，这种电路环节称为超级二极管。

Claims (3)

1.基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路，包括三相零式超级整流电路、交流电流有效值信号处理电路，其特征在于：

三相零式超级整流电路包括三相电流互感器CS1、A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC3、A相瞬态抑制管TV1、B相瞬态抑制管TV2、C相瞬态抑制管TV3、A相钳位二极管D1、B相钳位二极管D2、C相钳位二极管D3、A相整流二极管D4、B相整流二极管D5、C相整流二极管D6、A相转换电阻R1、B相转换电阻R2、C相转换电阻R3、A相滤波电阻R4、B相滤波电阻R5、C相滤波电阻R6、A相转换电容C1、B相转换电容C2、C相转换电容C3、A相滤波电容C4、B相滤波电容C5和C相滤波电容C6；

A相载流导线穿过三相电流互感器CS1的A相检测孔，三相电流互感器CS1的A相第1输出端OUTA1端与A相转换电阻R1的一端、A相转换电容C1的一端、A相瞬态抑制管TV1的一端和A相滤波电阻R4的一端连接，三相电流互感器CS1的A相第2输出端OUTA2端、A相转换电阻R1的另一端、A相转换电容C1的另一端和A相瞬态抑制管TV1的另一端均接地，A相滤波电阻R4的另一端与A相滤波电容C4的一端、A相钳位二极管D1的阴极和A相整流运放IC1的正输入端IN+端连接，A相滤波电容C4的另一端、A相钳位二极管D1的阳极和A相整流运放IC1的负电源端-V端均接地，A相整流运放IC1的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，A相整流运放IC1的输出端OUT端与A相整流二极管D4的阳极连接，A相整流运放IC1的负输入端IN-端与A相整流二极管D4的阴极、B相整流二极管D5的阴极、C相整流二极管D6的阴极、B相整流运放IC2的负输入端IN-端、C相整流运放IC3的负输入端IN-端和上分压电阻R7的一端连接，

B相载流导线穿过三相电流互感器CS1的B相检测孔，三相电流互感器CS1的B相第1输出端OUTB1端与B相转换电阻R2的一端、B相转换电容C2的一端、B相瞬态抑制管TV2的一端和B相滤波电阻R5的一端连接，三相电流互感器CS1的B相第2输出端OUTB2端、B相转换电阻R2的另一端、B相转换电容C2的另一端和B相瞬态抑制管TV2的另一端均接地，B相滤波电阻R5的另一端与B相滤波电容C5的一端、B相钳位二极管D2的阴极和B相整流运放IC2的正输入端IN+端连接，B相滤波电容C5的另一端、B相钳位二极管D2的阳极和B相整流运放IC2的负电源端-V端均接地，B相整流运放IC2的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，B相整流运放IC2的输出端OUT端与B相整流二极管D5的阳极连接；

C相载流导线穿过三相电流互感器CS1的C相检测孔，三相电流互感器CS1的C相第1输出端OUTC1端与C相转换电阻R3的一端、C相转换电容C3的一端、C相瞬态抑制管TV3的一端和C相滤波电阻R6的一端连接，三相电流互感器CS1的C相第2输出端OUTC2端、C相转换电阻R3的另一端、C相转换电容C3的另一端和C相瞬态抑制管TV3的另一端均接地，C相滤波电阻R6的另一端与C相滤波电容C6的一端、C相钳位二极管D3的阴极和C相整流运放IC3的正输入端IN+端连接，C相滤波电容C6的另一端、C相钳位二极管D3的阳极和C相整流运放IC3的负电源端-V端均接地，C相整流运放IC3的正电源端+V端与电路电源端+VCC端连接，C相整流运放IC3的输出端OUT端与C相整流二极管D6的阳极连接；

交流电流有效值信号处理电路包括RMS/DC芯片IC4、运放IC5、上分压电阻R7、下分压电阻R8、输出滤波电阻R9、负端电阻R10、反馈电阻R11、输入滤波电容C7、隔直电容C8、转换滤波电容C9、输出滤波电容C10和电源电容C11，上分压电阻R7的另一端与下分压电阻R8的一端、输入滤波电容C7、的一端和RMS/DC芯片IC4的正输入端IN+端连接，下分压电阻R8的另一端、输入滤波电容C7的另一端和隔直电容C8的一端均接地，隔直电容C8的另一端与RMS/DC芯片IC4的负输入端IN-端连接，RMS/DC芯片IC4的正输出端OUT+端与输出滤波电阻R9的一端和转换滤波电容C9的一端连接，RMS/DC芯片IC4的使能端/EN端、负电源端-V端、地端GND端和负输出端OUT-端均接地，RMS/DC芯片IC4的正电源端+V端与运放IC5的正电源端+V端、电源电容C11的一端和电路电源端+VCC端连接，输出滤波电阻R9的另一端与输出滤波电容C10的一端和运放IC5的正输入端IN+端连接，运放IC5的负输入端IN-端与负端电阻R10的一端和反馈电阻R11的一端连接，负端电阻R10的另一端、输出滤波电容C10的另一端和转换滤波电容C9的另一端均接地，反馈电阻R11的另一端与运放IC5的输出端OUT端和电路输出端Uout端连接，运放IC5的地端GND接地。

2.根据权利要求1所述的基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路，其特征在于电路参数配合关系如下：

设：R₁＝R₂＝R₃＝R_i，则电流互感器CS1的各相输出端电压信号分别为

I_x为被测的三相交流电流有效值，k_i为电流互感器CS1的铭牌参数电流比；

令：R₁＝R₂＝R₃＝R_i (1)

R₄＝R₅＝R₆ (2)

C₁＝C₂＝C₃ (3)

C₄＝C₅＝C₆ (4)

R₁＜＜R₄ (5)

U_outmax≤V_cc (9)

式中，R₁、R₂、R₃分别为A相转换电阻R1、B相转换电阻R2、C相转换电阻R3的阻值，R₄、R₅、R₆分别为A相滤波电阻R4、B相滤波电阻R5、C相滤波电阻R6的阻值，R₇、R₈、R₁₀、R₁₁分别为上分压电阻R7、下分压电阻R8、负端电阻R10、反馈电阻R11的阻值，I_xmax为被测电流的最大有效值，U_out、U_outmax分别为电路输出的电压信号及其最大值，V_cc为电路供电电压值；式(10)即为电路输出电压信号与被测电流有效值间的关系式。

3.根据权利要求1或2所述的基于互感器的三相交流电流高精度快速检测电路，其特征在于三相电流互感器CS1采用KCT系列，RMS/DC转换芯片IC4采用LTC1968，A相整流运放IC1、B相整流运放IC2、C相整流运放IC3和运放IC5采用TLC2264，A相瞬态抑制管TV1、B相瞬态抑制管TV2和C相瞬态抑制管TV3采用P6KE6.8CA，A相钳位二极管D1、B相钳位二极管D2、C相钳位二极管D3、A相整流二极管D4、B相整流二极管D5和C相整流二极管D6采用IN4148。

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