專利名稱：基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種積分器電路，尤其涉及一種基于羅氏線圈的電子式電流互感器用 積分器電路，屬于電流測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電子式電流互感器的研究中，羅氏線圈作為一次電流傳感單元得到了廣泛的關(guān) 注。在對交流電流的測量中，羅氏線圈的二次輸出電壓信號是對一次電流信號的微分。如 果要恢復(fù)出與一次電流成比例的信號，必須添加相應(yīng)的積分環(huán)節(jié)。因此，在基于羅氏線圈的 電子式互感器中積分器電路是其中的關(guān)鍵組成部分。影響羅氏線圈測量準(zhǔn)確度的原因主要有兩個一是其自身的特性以及測量電流時 的安裝結(jié)構(gòu)，如制作工藝導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化等；二是積分環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度。隨著對羅氏線 圈幾何特性研究的不斷深入，因其自身特性引起的誤差已經(jīng)得到了很大的改善，如結(jié)構(gòu)參 數(shù)等。羅氏線圈電流傳感器的積分電路主要有兩種實現(xiàn)方式模擬積分器和數(shù)字積分器，其 中，模擬積分器具有響應(yīng)速度快，并且易實現(xiàn)的特點，但是要達(dá)到高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性是比 較困難的。特別是當(dāng)信號的頻率較低、幅值較小并且積分時間較長時，積分器中元器件如積 分電容、電阻等的特性隨時間、溫度的漂移等將會嚴(yán)重影響積分的效果，進(jìn)而降低系統(tǒng)的測 量準(zhǔn)確度；運放自身的特性也會嚴(yán)重影響積分器的特性，如有限的開環(huán)增益、輸入失調(diào)電壓 及其溫漂、輸入偏置電流等。在一定情況下，運放的失調(diào)電壓是恒定的，可以采用適當(dāng)?shù)恼{(diào) 零電路給予補(bǔ)償；但其失調(diào)漂移，特別是溫漂一般是無法完全消除的。此外，電路中的低頻 噪聲、電壓漂移和積分電路的相位響應(yīng)也是影響積分性能的主要原因。所以，模擬積分器以 其自身的特點，可以用于對沖擊大電流的測量，而在對工頻電流的測量中是很難在長期運 行中達(dá)到很高準(zhǔn)確度的。這也是目前基于羅氏線圈的電子式電流互感器在長期運行中測量 準(zhǔn)確度不高的主要原因之一。數(shù)字積分器實現(xiàn)相對復(fù)雜，其性能不受元器件的時間、溫度漂 移特性的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對穩(wěn)態(tài)信號的準(zhǔn)確測量。但采用數(shù)字積分器實現(xiàn)對暫態(tài)信號的測 量非常困難，僅能用于對測量準(zhǔn)確度要求高，但對暫態(tài)響應(yīng)特性要求不高的場合。對應(yīng)用于電子式電流互感器的羅氏線圈而言，由于其被測電流屬于低頻電流的范 疇，要想同時為保護(hù)和計量設(shè)備提供出暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)信號，對其積分環(huán)節(jié)的設(shè)計將非常關(guān)鍵， 并且具有相當(dāng)?shù)碾y度。在這種背景下，本發(fā)明采用一種基于低頻增益平坦化的模擬積分器 和基于復(fù)化辛普森公式和數(shù)字信號處理器的數(shù)字積分器來實現(xiàn)僅采用一個羅氏線圈即可 同時為保護(hù)和計量設(shè)備提供暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)信號的積分器電路。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題本發(fā)明提供一種基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積 分器電路，目的是將低頻增益平坦化的模擬積分器和基于復(fù)化辛普森公式和數(shù)字信號處理 器的數(shù)字積分器用于羅氏線圈的積分環(huán)節(jié)中，加快轉(zhuǎn)換速度、增加強(qiáng)抗干擾能力和測量準(zhǔn) 確度。
為達(dá)上述目的本發(fā)明基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，由下述結(jié) 構(gòu)構(gòu)成羅氏線圈，用于向低頻增益平坦化模擬積分器輸出的暫態(tài)信號和向信號處理電路 輸出穩(wěn)態(tài)信號；低頻增益平坦化模擬積分器，用于處理羅氏線圈輸出的暫態(tài)信號，與羅氏線 圈和信號處理電路相連；信號處理電路，用于處理低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號， 并對羅氏線圈的輸出穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行數(shù)字積分處理，處理后的信號通過輸出接口電路向保護(hù) 通道和計量通道數(shù)據(jù)送出。所述的低頻增益平坦化模擬積分器由下述結(jié)構(gòu)構(gòu)成運算放大器，運算放大器的 同相端與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端接地；第一電阻連在羅氏線圈和運算放 大器的反相端之間；第三電阻和第四電阻串聯(lián)后連接在運算放大器的反相端和輸出端之 間；第一電容連接在運算放大器的反相端和輸出端之間；第二電容連接在第三電阻和第四 電阻的連接點和地之間。所述的信號處理電路由第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器和接口電路組成； 第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器用于將低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)字積分器將羅氏線圈的輸出信號進(jìn)行數(shù)字積分；接口電路將數(shù)字積分器的輸出和低頻增 益平坦化模擬積分器的輸出送至計量通道和保護(hù)通道。所述的數(shù)字積分器，由第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、第一高通濾波器、第二高通濾波 器和累加器構(gòu)成；第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器分別與羅氏線圈和第一高通濾波器相連；累加 器分別與第一高通濾波器和第二高通濾波器相連；第二高通濾波器與輸出接口電路相連。本發(fā)明的優(yōu)點效果
1、基于羅氏線圈的電子式電流互感器的保護(hù)通道采用一種基于低頻增益平坦化的模 擬積分器實現(xiàn)，該模擬積分器中，第二積分電容的引入能大大優(yōu)化積分器的低頻特性，在對 工頻大電流的測量中，具有很好的暫態(tài)特性。2、本發(fā)明電路中采用基于復(fù)化辛普森公式的數(shù)字積分器實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)低頻電流信 號的測量，為計量設(shè)備提供信號；能夠克服元器件溫漂、時漂對積分器性能的影響，實現(xiàn)對 工頻電流的準(zhǔn)確測量。3、本發(fā)明電路的測量準(zhǔn)確度高、暫態(tài)性能優(yōu)良；數(shù)字積分器提供的計量通道信號 測量誤差小于0. ；低頻增益平坦化模擬積分器提供的保護(hù)通道測量準(zhǔn)確度級次優(yōu)于 5TPE，時間響應(yīng)特性小于0. 1ms。4、本發(fā)明電路具有很好的溫度穩(wěn)定性和抗振動特性，在-40°C +80°C的溫度變化 范圍內(nèi)，數(shù)字化測量系統(tǒng)因溫度變化引起的測量誤差小于士0. 05% ；外部振動對測量裝置 的準(zhǔn)確度不會造成任何影響。本發(fā)明的既能實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)信號的高準(zhǔn)確度測量，又能實現(xiàn)對暫態(tài)信號的快速響 應(yīng)，采用一個羅氏線圈，能夠同時提供出保護(hù)和計量兩個通道測量數(shù)據(jù)，并具有很好的溫度 穩(wěn)定性和抗振動特性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明中的低頻增益平坦化模擬積分器的電路圖。圖3是本發(fā)明中的信號處理電路的電路圖。
圖4是本發(fā)明中的基于復(fù)化辛普森公式的數(shù)字積分器的電路圖。圖中1、羅氏線圈；2、低頻增益平坦化模擬積分器；3、信號處理電路；4、第一模擬 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器；5、數(shù)字積分器；6、接口電路；7、保護(hù)通道；8、計量通道；9、第二模擬數(shù)字 信號轉(zhuǎn)換器；10、第一高通濾波器；11、累加器；12、第二高通濾波器；U21、運算放大器；R21、 第一電阻；R22、第二電阻；R23、第三電阻；R24、第四電阻；C21、第一電容；C22、第二電容。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示本發(fā)明基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，由下述結(jié)構(gòu) 構(gòu)成羅氏線圈1，用于向低頻增益平坦化模擬積分器2輸出的暫態(tài)信號和向信號處理電路 3輸出穩(wěn)態(tài)信號；低頻增益平坦化模擬積分器2，用于處理羅氏線圈1輸出的暫態(tài)信號，與 羅氏線圈1和信號處理電路3相連；信號處理電路3，用于處理低頻增益平坦化模擬積分器 2的輸出信號，并對羅氏線圈1的輸出穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行數(shù)字積分處理，處理后的信號通過輸出 接口電路6向保護(hù)通道7和計量通道8數(shù)據(jù)送出。如圖2所示低頻增益平坦化模擬積分器2由下述結(jié)構(gòu)構(gòu)成運算放大器U21，運算 放大器U21的同相端與第二電阻R22 —端相連，第二電阻R22的另一端接地；第一電阻R21 連在羅氏線圈1和運算放大器U21的反相端之間；第三電阻R23和第四電阻R24串聯(lián)后連 接在運算放大器U21的反相端和輸出端之間；第一電容C21連接在運算放大器U21的反相 端和輸出端之間；第二電容C22連接在第三電阻R23和第四電阻R24的連接點與地之間。如圖3所示信號處理電路3由第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器4、數(shù)字積分器5和接口電 路6組成；第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器4用于將低頻增益平坦化模擬積分器2的輸出信號轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號；數(shù)字積分器5將羅氏線圈1的輸出信號進(jìn)行數(shù)字積分；接口電路6將數(shù)字積 分器5的輸出和第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器4的輸出送至計量通道8和保護(hù)通道7。如圖4所示的數(shù)字積分器5，由第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器9、第一高通濾波器10、第 二高通濾波器12和累加器11構(gòu)成；第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器9分別與羅氏線圈1和第一 高通濾波器10相連；累加器11分別與第一高通濾波器10和第二高通濾波器12相連；第二 高通濾波器12與輸出接口電路6相連。運算放大器U21采用的Analog Device公司的0P27 ；第一電阻R21的阻值為100 kQ，第二電阻R22阻值為80 kQ，第三電阻R23和第四電阻R24的阻值為250 kQ，上述電 阻的溫度系數(shù)均小于10X10_7°C。第一電容C21的容值為39nF，第二電容C22的容值為 1. 5 μ F。第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器4采用的Analog Device公司的AD7663，接口電路6采 用的是美國Altera公司的EP1C6。第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器9采用的Analog Device公司的AD7663，第一高通濾波 器10、第二高通濾波器12和累加器11采用美國TI公司TMS320F2407實現(xiàn)，采用的實現(xiàn)算 法是復(fù)化辛普森公式，其差分方程為
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羅氏線圈輸出的信號分別經(jīng)過低頻增益平坦化模擬積分器2和數(shù)字積分器5處理后，再由輸出接口電路6分別提供給保護(hù)和計量設(shè)備，供電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和電能計量所用。
權(quán)利要求
1.基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特征在于由下述結(jié)構(gòu)構(gòu)成羅 氏線圈，用于向低頻增益平坦化模擬積分器輸出的暫態(tài)信號和向信號處理電路輸出穩(wěn)態(tài)信 號；低頻增益平坦化模擬積分器，用于處理羅氏線圈輸出的暫態(tài)信號，與羅氏線圈和信號處 理電路相連；信號處理電路，用于處理低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號，并對羅氏線 圈的輸出穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行數(shù)字積分處理，處理后的信號通過輸出接口電路向保護(hù)通道和計量 通道數(shù)據(jù)送出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特征在 于所述的低頻增益平坦化模擬積分器由下述結(jié)構(gòu)構(gòu)成運算放大器，運算放大器的同相端 與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端接地；第一電阻連在羅氏線圈和運算放大器的 反相端之間；第三電阻和第四電阻串聯(lián)后連接在運算放大器的反相端和輸出端之間；第一 電容連接在運算放大器的反相端和輸出端之間；第二電容連接在第三電阻和第四電阻的連 接點和地之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特征在 于所述的信號處理電路由第一模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器和接口電路組成；第一模 擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器用于將低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)字積 分器將羅氏線圈的輸出信號進(jìn)行數(shù)字積分；接口電路將數(shù)字積分器的輸出和低頻增益平坦 化模擬積分器的輸出送至計量通道和保護(hù)通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特征在 于所述的數(shù)字積分器，由第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器、第一高通濾波器、第二高通濾波器和累 加器構(gòu)成；第二模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器分別與羅氏線圈和第一高通濾波器相連；累加器分別 與第一高通濾波器和第二高通濾波器相連；第二高通濾波器與輸出接口電路相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路。由下述結(jié)構(gòu)構(gòu)成羅氏線圈，用于向低頻增益平坦化模擬積分器輸出的暫態(tài)信號和向信號處理電路輸出穩(wěn)態(tài)信號；低頻增益平坦化模擬積分器，用于處理羅氏線圈輸出的暫態(tài)信號，與羅氏線圈和信號處理電路相連；信號處理電路，用于處理低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號，并對羅氏線圈的輸出穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行數(shù)字積分處理，處理后的信號通過輸出接口電路向保護(hù)通道和計量通道數(shù)據(jù)送出。本發(fā)明的優(yōu)點是既能實現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)信號的高準(zhǔn)確度測量，又能實現(xiàn)對暫態(tài)信號的快速響應(yīng)，采用一個羅氏線圈，能夠同時提供出保護(hù)和計量兩個通道測量數(shù)據(jù)，并具有很好的溫度穩(wěn)定性和抗振動特性。
文檔編號G01R15/18GK102128966SQ201110004220
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者劉海濤, 楊賀翔, 林貴文, 邱斌, 龔立群 申請人:沈陽互感器有限責(zé)任公司