CN111650427A - 煤矿线路用电压电流采样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿线路用电压电流采样技术领域，具体地说，涉及一种煤矿线路用电压电流采样装置及方法。该装置包括用于采集三相电的3个线电压的电压采集电路，以及用于采集三相电的3个相电流的电流采集电路；电压采集电路包括3个用于分别采集3个线电压的单相电压采集电路，单相电压采集电路包括电压互感器和第一程序增益电路；电流采集电路包括3个用于分别采集3个相电流的单相电流采集电路，单相电流采集电路包括电流互感器和第二程序增益电路。该方法基于该装置实现。本发明能够具备较佳地适用性。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿线路用电压电流采样技术领域，具体地说，涉及一种煤矿线路用电压电流采样装置及方法。
背景技术
现有采样电路的设计，考虑了电网环境的变化对设备的影响，故在设计之初便考虑了可以仅仅通过更换电流/电压互感器，就能实现对不同电压等级电网的兼容。而此举会使得操作过于复杂。
发明内容
本发明提供了一种煤矿线路用电压电流采样装置，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的煤矿线路用电压电流采样装置，其包括用于采集三相电的3个线电压的电压采集电路，以及用于采集三相电的3个相电流的电流采集电路；
电压采集电路包括3个用于分别采集3个线电压的单相电压采集电路，单相电压采集电路包括电压互感器和第一程序增益电路；电压互感器设于三相电的相应两个单相线路之间以获取对应的线电压信号，第一程序增益电路用于对电压互感器所采集的信号进行放大；经第一程序增益电路处理后的信号通过数模转换电路进行数模转换后发送给主控制器单元；
电流采集电路包括3个用于分别采集3个相电流的单相电流采集电路，单相电流采集电路包括电流互感器和第二程序增益电路；电流互感器设于三相电的相应单相线路处以获取对应的相电流信号，第二程序增益电路用于对电流互感器所采集的信号进行放大；经第二程序增益电路处理后的信号通过数模转换电路进行数模转换后发送给主控制器单元。
作为优选，第一程序增益电路包括型号为PGA281的第一程序增益芯片，第一程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电压互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
作为优选，第二程序增益电路包括型号为PGA281的第二程序增益芯片，第二程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电流互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
作为优选，数模转换电路包括型号为AD7606的数模转换芯片，数模转换芯片的引脚49和50、引脚51和52以及引脚53和54分别接入3个单相电流采集电路的信号输出端，数模转换芯片的引脚55和56、引脚57和58以及引脚59和60分别接入3个单相电压采集电路的信号输出端。
作为优选，还包括频率调整单元，频率调整单元用于向主控制器单元提供数模转换电路的采样脉冲。
作为优选，频率调整单元包括过零检测电路和PLL倍频电路，过零检测电路用于采集电网电压波形的过零点，PLL倍频电路用于输出采样脉冲；
过零检测电路包括型号为LM339的过零检测芯片和型号为74HC4052的模拟开关芯片，所述3个单相电压采集电路中的3个电压互感器的输出端分接入过零检测芯片的3个比较器中、并输出3路过零信号给模拟开关芯片，模拟开关芯片用于输出参考信号给PLL倍频电路；
PLL倍频电路为100倍频电路，包括型号为CD4046的锁相环芯片和型号为CD4518的计数器芯片；PLL倍频电路用于接收模拟开关芯片输出的参考信号并产生用于发送给主控制器单元的脉冲信号以作为数模转换电路的采样触发信号。
本发明还提供了一种煤矿线路用电压电流采样方法，其采用3个单相电压采集电路分别对三相电的3个线电压进行采集，并采用3个单相电流采集电路对三相电的3个相电流进行采集；单相电压采集电路包括第一程序增益电路，单相电流采集电路包括第二程序增益电路。
作为优选，第一程序增益电路包括型号为PGA281的第一程序增益芯片，第一程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电压互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
作为优选，第二程序增益电路包括型号为PGA281的第二程序增益芯片，第二程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电流互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
通过本发明中的装置和方法使得：
1、由于数模转换电路采用脉冲触发的方式进行周期性信号采集，故使得电流互感器和电压互感器能够直接将其采集的模拟信号转化为数字信号发送给主控制器单元，故而不需要外部多接其他设备；
2、由于采用了PGA281芯片第一程序增益电路和第二程序增益电路，故能够根据电网的实际电流和电压主动对电流和/或电压信号得增益倍数进行调节，从而能够较佳地在低压小电流的情况下获得更高的分辨率、在高压大电流的情况下获得很宽的适应范围；
3、由于采用了过零采样电路，能够至少采集到一路信号作为采样触发脉冲信号的输入源，故能够较佳地防止因电网缺相而导致的无法正常采集信号的情形，三相中即使有两相缺相也可保证***的准确运行；
4、由于采用了PLL倍频电路，故能够较佳地在电网频率发生波动的情形下，保证固定的采样频率；
5、集成度较高，能够兼具高分辨率和宽工作范围且功能较为完善。
附图说明
图1为实施例1中的煤矿线路用电压电流采样装置的框图示意图；
图2为实施例1中的设于U相的单相电流采集电路的电路图；
图3为实施例1中的V的单相电流采集电路的电路图；
图4为实施例1中的W的单相电流采集电路的电路图；
图5为实施例1中的U-W相间的单相电压采集电路的电路图；
图6为实施例1中的U-V相间的单相电压采集电路的电路图；
图7为实施例1中的V-W相间的单相电压采集电路的电路图；
图8为实施例1中的过零检测芯片及其***电路图；
图9为实施例1中的模拟开关芯片及其***电路图；
图10为实施例1中的PLL倍频电路的电路图；
图11为实施例1中的数模转换电路的电路图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种煤矿线路用电压电流采样装置其包括用于采集三相电的3个线电压的电压采集电路，以及用于采集三相电的3个相电流的电流采集电路；
电压采集电路包括3个用于分别采集3个线电压的单相电压采集电路，单相电压采集电路包括电压互感器和第一程序增益电路；电压互感器设于三相电的相应两个单相线路之间以获取对应的线电压信号，第一程序增益电路用于对电压互感器所采集的信号进行放大；经第一程序增益电路处理后的信号通过数模转换电路进行数模转换后发送给主控制器单元；
电流采集电路包括3个用于分别采集3个相电流的单相电流采集电路，单相电流采集电路包括电流互感器和第二程序增益电路；电流互感器设于三相电的相应单相线路处以获取对应的相电流信号，第二程序增益电路用于对电流互感器所采集的信号进行放大；经第二程序增益电路处理后的信号通过数模转换电路进行数模转换后发送给主控制器单元。
其中，电流互感器包括CT1、CT2和CT3，电压互感器包括VT1、VT2和VT3。其中，电压采集电路处的3个第一程序增益电路、电流采集电路处的3个第二程序增益电路与数模转换电路共同构成信号采样***。信号采样***用于在触发信号的作用下周期性的采集三相电线路处的电压和电流信号。
结合图1所示，通过电流互感器包括CT1、CT2和CT3以及电压互感器包括VT1、VT2和VT3，能够将三相电线路处的电压和电流转换为等级较低的信号，从而能够较佳地便于相关信号的采样和处理。
本实施例中，为便于表述，分别用U相、V相和W相表示三相电线路的3根火线。
结合图2-4所示，电流互感器CT1设于U相，电流互感器CT2设于V相，电流互感器CT3设于W相。电流互感器CT1、CT2和CT3采集后的信号，能够经第二程序增益电路放大和数模转换电路采样处理后，将采集的模拟量信号转换为数字量信号发送给主控制器单元，进而能够较佳地便于主控制器单元对相关数据进行后续的运算和处理。
本实施例中，第二程序增益电路包括型号为PGA281的第二程序增益芯片，第二程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电流互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
结合图2，本实施例中以U相的电流采集为例，电流互感器CT1在U相有电流通过时能够产生感生电流，并在电阻R25的两端产生电压。电阻R25两端的电压能够作为差分输入信号输入至第二程序增益芯片的中，由于第二程序增益芯片型号为PGA281，故能够通过主控制器单元向第二程序增益芯片输入控制指令，主动对第二程序增益芯片的引脚3-7(即引脚CT_G0/CT_G1/CT_G2/CT_G3/CT_G4)的电平进行控制，从而能够较佳地实现第二程序增益芯片的增益倍数在0.125-128倍间的调节。
通过此种手段使得：在电网电流较低时，能够通过主控制器单元主动提高第二程序增益芯片的增益倍数来提高电流检测的分辨率；而在电网电流较大时，能够通过主控制器单元主动降低第二程序增益芯片的增益倍数以适用更大的电流检测范围。
另外，PGA281芯片最大支持±15.5V的信号输入，此电路的模拟电压为±12V，可支持±10V的互感器信号输入。根据引脚3-7的输入信号，对应着0.125-128的增益。通过使用PGA281来作为信号的放大，可简化硬件电路复杂度，增加了信号采集电路的功能灵活性。
结合图5-7所示，电压互感器VT1设于U-W相之间，电压互感器VT2设于U-V相之间，电压互感器VT3设于V-W相之间。电压互感器VT1、VT2和VT3采集后的信号，能够经第一程序增益电路放大和数模转换电路采样处理后，将采集的模拟量信号转换为数字量信号发送给主控制器单元，进而能够较佳地便于主控制器单元对相关数据进行后续的运算和处理。
本实施例中，第一程序增益电路包括型号为PGA281的第一程序增益芯片，第一程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电压互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
结合图5所示，本实施例中以U-W相的电压采样为例，U-W相之间存在电压时，电压互感器VT1能够产生感生电压，该感生电压能够作为差分输入信号输入至第一程序增益芯片的中，于第二程序增益芯片型号为PGA281，故能够通过主控制器单元向第一程序增益芯片输入控制指令，主动对第一程序增益芯片的引脚3-7(即引脚VT_G0/VT_G1/VT_G2/VT_G3/VT_G4)的电平进行控制，从而能够较佳地实现第一程序增益芯片的增益倍数在0.125-128倍间的调节。
通过此种手段使得：在电网电压较小时，能够通过主控制器单元主动提高第一程序增益芯片的增益倍数来提高电压检测的分辨率；而在电网电压较大时，能够通过主控制器单元主动降低第一程序增益芯片的增益倍数以适用更大的电压检测范围。
本实施例的装置还包括频率调整单元，频率调整单元用于向主控制器单元提供数模转换电路的采样脉冲。从而能够较佳地适应电网供电频率的变化。
本实施例中，频率调整单元包括过零检测电路和PLL倍频电路，过零检测电路用于采集电网电压波形的过零点，PLL倍频电路用于输出采样脉冲；
结合图8和9所示，过零检测电路包括型号为LM339的过零检测芯片和型号为74HC4052的模拟开关芯片，所述3个单相电压采集电路中的3个电压互感器的输出端分接入过零检测芯片的3个比较器中、并输出3路过零信号给模拟开关芯片，模拟开关芯片用于输出参考信号给PLL倍频电路；
结合图10所示，PLL倍频电路为100倍频电路，包括型号为CD4046的锁相环芯片和型号为CD4518的计数器芯片；PLL倍频电路用于接收模拟开关芯片输出的参考信号并产生用于发送给主控制器单元的脉冲信号以作为数模转换电路的采样触发信号。
通过上述使得，在电压采样的过程中，由于增加了过零检测和PLL倍频，能够将工频的50Hz信号倍频100倍后，作为数模转换电路采样的触发时钟；从而能够较佳地确保每一个工频的采样周期内，都可以采集到相同数量的采样点，而不会随着工频频率的波动而导致单个周期内采样个数的变化。
其中，由于交流电力***的频率并不是固定不变的，都会有一定的波动范围；故本实施例中，通过设置过零检测电路和PLL倍频电路，能够较佳地实现对频率变化的跟踪以及对对变化频率的正确采样点采样。其中，通过检测电网电压波形的过零点，能够较佳地提供给后续控制电路以触发脉冲。PLL倍频电路输入过零检测的50Hz左右范围的脉冲，会输出50*N的脉冲，这个50*N的脉冲可作为数模转换电路采样的触发信号。如此一来，两者结合便可较佳地实现对有发生频率变化的信号的采样。
其中，过零检测电路使用电压比较器来实现，LM339为一款四电压比较器芯片，本实施例中只用到了其中三个比较器，以分别对每一相电压进行过零比较；三路过零比较的输出能够经过74HC4052模拟开关的选通，从中筛选出一个可以作为参考的有用的过零检测信号，再输出给PLL倍频电路；从而能够较佳地从三个相电压中至少选出一相可信的参考，进而能够较佳地避免因电网缺相而导致的无参考触发的情况的发生。
本实施例中，通过CD4046和CD4518构成的100倍频电路，能够在电网的每个工频周期内，都会在CD4046的VCOOUT端上产生100个等间隔脉冲，此脉冲能够输出给主控制器单元，进而作为数模转换电路的采样触发信号。从而能够较佳地保证，即便电网的频率发生波动，也能够实现每个工频内的等间隔采样，进而能够较佳地提升采样的准确性。
结合图11所示，数模转换电路包括型号为AD7606的数模转换芯片，数模转换芯片的引脚49和50、引脚51和52以及引脚53和54分别接入3个单相电流采集电路的信号输出端，数模转换芯片的引脚55和56、引脚57和58以及引脚59和60分别接入3个单相电压采集电路的信号输出端。
本实施例中，数模转换电路的主芯片型号选择AD7606，其支持±10V的双极性信号输入，最高200kSPS采样率，16Bit分辨率，8通道差分输入，电源使用单5V电源供电，省去了单独负压供电的麻烦。
本实施例中，主控制器单元采用STM32F407ZGT6，数模转换电路与主控制器单元间采用FSMC总线进行通信，主控制器单元接收到PLL倍频电路的采样触发信号脉冲后，会立马对数模转换电路进行一次转换并读出结果，之后所读取的结果即可以数字形式保存在主控制器单元的内存中，进而能够较佳地便于电压和电流数据的下一步分析和处理。
本实施例中，第一程序增益电路和第二程序增益电路的增益倍数均通过主控制器单元进行自动调节。在实际实用时，在实施例的装置首次使用时，能够通过手动使能的方式，通过电流互感器和电压互感器对电网的电压和电流进行采样；并在主控制器单元中设定一个采样电压及采样电流的范围，并初始化一个设定的第一程序增益电路和第二程序增益电路的增益倍数；对于电流互感器而言，在其采集的电流超出设定的采样电流范围时，控制对应的程序增益电路的在初始化的增益倍数的基础上减半，循环递归直到范围落在允许范围内；反之，则控制对应的程序增益电路的在初始化的增益倍数的基础上加倍，循环递归直到范围落在允许范围内；同理电流互感器处的程序增益电路的增益倍数，也基于此原理进行自动调节；首次检测后确定的增益倍数能够存储于主控制器单元的Flash存储单元中，之后在相同电网环境下工作时，均以Flash存储单元中存储的增益倍数对第一程序增益电路和第二程序增益电路的增益倍数进行初始化。
根据电网标准GB/T 12325-2008《电能质量-供电电压偏差》中规定：35KV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10％，20KV及以下面三相供电电压偏差为标称电压的±10％，220V单相供电电压偏差为标称电压的±7％～±10％。故在设备运行过程中，电网电压基本不会有较大变化，而且是在一个小范围的值域内。故本实施例中通过手动使能的方式对增益倍数进行调节，而不是根据电网电压进行实时调节。从而使得，不会导致第一程序增益电路和第二程序增益电路的频繁自动调节，进而能够较佳地避免因增益倍数改变而带来的微小误差。
本实施例中的，只需要工作过程中，设备留出比电网规定范围宽的量程，即可保证稳定工作。如设备更换电网环境，手动使能一下电压自动侦测，即可在当前环境稳定工作。
基于本实施例中的煤矿线路用电压电流采样装置，本实施例还提供了一种煤矿线路用电压电流采样方法。其采用3个单相电压采集电路分别对三相电的3个线电压进行采集，并采用3个单相电流采集电路对三相电的3个相电流进行采集；单相电压采集电路包括第一程序增益电路，单相电流采集电路包括第二程序增益电路。
通过本实施例中的装置和方法使得：
1、由于数模转换电路采用脉冲触发的方式进行周期性信号采集，故使得电流互感器和电压互感器能够直接将其采集的模拟信号转化为数字信号发送给主控制器单元，故而不需要外部多接其他设备；
2、由于采用了PGA281芯片第一程序增益电路和第二程序增益电路，故能够根据电网的实际电流和电压主动对电流和/或电压信号得增益倍数进行调节，从而能够较佳地在低压小电流的情况下获得更高的分辨率、在高压大电流的情况下获得很宽的适应范围；
3、由于采用了过零采样电路，能够至少采集到一路信号作为采样触发脉冲信号的输入源，故能够较佳地防止因电网缺相而导致的无法正常采集信号的情形，三相中即使有两相缺相也可保证***的准确运行；
4、由于采用了PLL倍频电路，故能够较佳地在电网频率发生波动的情形下，保证固定的采样频率；
5、集成度较高，能够兼具高分辨率和宽工作范围且功能较为完善。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.煤矿线路用电压电流采样装置，其特征在于：包括用于采集三相电的3个线电压的电压采集电路，以及用于采集三相电的3个相电流的电流采集电路；
电压采集电路包括3个用于分别采集3个线电压的单相电压采集电路，单相电压采集电路包括电压互感器和第一程序增益电路；电压互感器设于三相电的相应两个单相线路之间以获取对应的线电压信号，第一程序增益电路用于对电压互感器所采集的信号进行放大；经第一程序增益电路处理后的信号通过数模转换电路进行数模转换后发送给主控制器单元；
电流采集电路包括3个用于分别采集3个相电流的单相电流采集电路，单相电流采集电路包括电流互感器和第二程序增益电路；电流互感器设于三相电的相应单相线路处以获取对应的相电流信号，第二程序增益电路用于对电流互感器所采集的信号进行放大；经第二程序增益电路处理后的信号通过数模转换电路进行数模转换后发送给主控制器单元。
2.根据权利要求1所述的煤矿线路用电压电流采样装置，其特征在于：第一程序增益电路包括型号为PGA281的第一程序增益芯片，第一程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电压互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
3.根据权利要求2所述的煤矿线路用电压电流采样装置，其特征在于：第二程序增益电路包括型号为PGA281的第二程序增益芯片，第二程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电流互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
4.根据权利要求3所述的煤矿线路用电压电流采样装置，其特征在于：数模转换电路包括型号为AD7606的数模转换芯片，数模转换芯片的引脚49和50、引脚51和52以及引脚53和54分别接入3个单相电流采集电路的信号输出端，数模转换芯片的引脚55和56、引脚57和58以及引脚59和60分别接入3个单相电压采集电路的信号输出端。
5.根据权利要求4所述的煤矿线路用电压电流采样装置，其特征在于：还包括频率调整单元，频率调整单元用于向主控制器单元提供数模转换电路的采样脉冲。
6.根据权利要求5所述的煤矿线路用电压电流采样装置，其特征在于：频率调整单元包括过零检测电路和PLL倍频电路，过零检测电路用于采集电网电压波形的过零点，PLL倍频电路用于输出采样脉冲；
过零检测电路包括型号为LM339的过零检测芯片和型号为74HC4052的模拟开关芯片，所述3个单相电压采集电路中的3个电压互感器的输出端分接入过零检测芯片的3个比较器中、并输出3路过零信号给模拟开关芯片，模拟开关芯片用于输出参考信号给PLL倍频电路；
PLL倍频电路为100倍频电路，包括型号为CD4046的锁相环芯片和型号为CD4518的计数器芯片；PLL倍频电路用于接收模拟开关芯片输出的参考信号并产生用于发送给主控制器单元的脉冲信号以作为数模转换电路的采样触发信号。
7.煤矿线路用电压电流采样方法，其采用3个单相电压采集电路分别对三相电的3个线电压进行采集，并采用3个单相电流采集电路对三相电的3个相电流进行采集；单相电压采集电路包括第一程序增益电路，单相电流采集电路包括第二程序增益电路。
8.根据权利要求7所述的煤矿线路用电压电流采样方法，其特征在于：第一程序增益电路包括型号为PGA281的第一程序增益芯片，第一程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电压互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
9.根据权利要求7所述的煤矿线路用电压电流采样方法，其特征在于：第二程序增益电路包括型号为PGA281的第二程序增益芯片，第二程序增益芯片的引脚1和11接入+5V电源、引脚13接入+12V电源、引脚16接入-12V电源、引脚12接地、引脚14和15分别接入电流互感器的两个输出端、引脚8和9分别接入数模转换电路、以及引脚3-7接入主控制器单元。
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| CN202010531036.8A Pending CN111650427A (zh) | 2020-06-11 | 2020-06-11 | 煤矿线路用电压电流采样装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111650427A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6617858B1 (en) * | 1998-05-07 | 2003-09-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and circuit for measuring a current |
| CN102360038A (zh) * | 2011-09-16 | 2012-02-22 | 福建俊豪电子有限公司 | 多回路电流型检测模块 |
| CN102680766A (zh) * | 2012-05-07 | 2012-09-19 | 无锡智卓电气有限公司 | 用于控制保护开关的三相电压采样电路 |
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| CN209707588U (zh) * | 2019-03-25 | 2019-11-29 | 杭州电力设备制造有限公司 | 一种pmu的三相电压电流采集装置 |
-
2020
- 2020-06-11 CN CN202010531036.8A patent/CN111650427A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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