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CN110868167B - 直流电压隔离放大器 - Google Patents

直流电压隔离放大器 Download PDF

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Abstract

本申请提供的一种直流电压隔离放大器，包括依次连接的缓冲模块、电压/电流转换模块、零磁通隔离模块以及电流/电压转换模块，利用缓冲模块将高输入阻抗转换为低输出阻抗并且将输入端子最高电压钳制在预设电压值，利用电压/电流转换模块将缓冲模块输出的电压信号转换为电流信号，零磁通隔离模块利用电流互感器将电压/电流转换模块转换的电流信号按比例转换输出，最后通过电流/电压转换模块将放大后的电流信号转换为电压信号输出。本申请提供的直流电压隔离放大器利用电流互感器具有良好的线性度和较小的转换误差，能很好的适应高压直流计量测试。

Description

直流电压隔离放大器
技术领域
本申请涉及直流电压测量领域，尤其涉及一种直流电压隔离放大器。
背景技术
随着高压直流输电系统的建设，我国已成为世界上直流输电线路最长，电压等级最高的国家，输电系统的可靠运行、数据监测以及保护控制离不开高准确度的直流高压测量设备，目前直流输电系统采用直流分压器进行直流高压测量，在测量时，为了提高二次测量仪表的准确性，会在直流分压器和二次测量仪表间接入隔离放大器，将直流分压器的接地端和二次测量仪表的接地端隔离。一般情况下，直流分压器本体的误差基本能够满足测量精度的要求，所以直流分压器整体误差取决于隔离放大器的线性度和误差。
目前使用的隔离放大器多基于隔离放大器芯片，配合前端和后端电路实现输入和输出的隔离，现有隔离放大器受制于隔离放大器芯片性能，转换误差普遍大于0.1％，另外隔离放大器输出直流偏置电压在不同的输入电压下造成的相对误差不同，造成隔离放大器线性度差。
发明内容
本申请提供一种直流电压隔离放大器，以解决现有技术中，直流电压隔离放大器存在隔离转换误差大和线性度差，难以在高压直流计量测试中使用的问题。
本申请提供的一种直流电压隔离放大器，包括依次连接的缓冲模块、电压/电流转换模块、零磁通隔离模块以及电流/电压转换模块；
所述缓冲模块由电压跟随器和保护模块组成，所述电压跟随器用于将高输入阻抗转换为低输出阻抗；所述保护模块用于将输入端子最高电压钳制在预设电压值；
所述电压/电流转换模块将所述电压跟随器的输出电压转换为电流信号；
所述零磁通隔离模块用于将所述电流信号按比例转换进行二次输出；
所述电流/电压转换模块用于将所述按比例转换后的电流信号转换为电压信号输出。
可选的，所述电压跟随器由输入电阻、第一运算放大器以及第一电阻组成，所述输入电阻两端分别与输入端子和运算放大器的同相输入端相连，所述第一电阻的两端分别与第一运算放大器的反相输入端和输出端相连。
可选的，所述保护模块由第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第四稳压管、第五稳压管以及第六稳压管组成，所述第六稳压管、第五稳压管、第四稳压管、第一稳压管、第二稳压管以及第三稳压管依次同向串联，所述第一稳压管的正极、第二稳压管的负极分别连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一稳压管负极与供电电源正极相连，所述第六稳压管的负极与供电电源负极相连，所述第三稳压管的负极接地，所述第六稳压管的正极接地。
可选的，所述零磁通隔离模块由主铁芯、辅助铁芯、一次绕组、二次绕组、补偿绕组以及检测绕组组成；
所述主铁芯的一端和辅助铁芯的一端相互咬合接触，所述一次绕组的输入端和输出端分别与电压跟随器的输出端和第二电阻的一端相连，所述一次绕组和二次绕组同时叠绕在主铁芯与辅助铁芯相互咬合的表面，所述补偿绕组绕在主铁芯的另一端，所述检测绕组绕在辅助铁芯的另一端。
可选的，所述电压/电流转换模块由第二电阻组成，所述第二电阻的一端与一次绕组的输出端相连，另一端接地。
可选的，所述第二电阻容差在0.001％以内，温度系数为1ppm/℃。
可选的，所述电流/电压转换模块第二运算放大器、第三电阻以及第四电阻组成，所述第二运算放大器的反相输入端分别与二次绕组的输出端以及第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连，所述第四电阻的一端与所述第二运算放大器的同相输入端相连，另一端接地。
本申请提供的一种直流电压隔离放大器至少具有以下有益效果：
本申请提供的一种直流电压隔离放大器，包括依次连接的缓冲模块、电压/电流转换模块、零磁通隔离模块以及电流/电压转换模块，利用缓冲模块将高输入阻抗转换为低输出阻抗并且将输入端子最高电压钳制在预设电压值，利用电压/电流转换模块将缓冲模块输出的电压信号转换为电流信号，零磁通隔离模块利用电流互感器将电压/电流转换模块转换的电流信号按比例转换输出，最后通过电流/电压转换模块将放大后的电流信号转换为电压信号输出。本申请提供的直流电压隔离放大器利用电流互感器具有良好的线性度和较小的转换误差，能很好的适应高压直流计量测试。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种直流电压隔离放大器的原理示意图；
图2为本申请实施例提供的一种直流电压隔离放大器的线路示意图。
图示说明：1-主铁芯，2-辅助铁芯，3-一次绕组，4-二次绕组，5-补偿绕组，6-检测绕组。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提供的一种直流电压放大器，以解决现有技术中，直流电压隔离放大器存在隔离转换误差大和线性度差，难以在高压直流计量测试中使用的问题。
参照图1直流电压隔离放大器的原理示意图，本申请提供的一种直流电压放大器包括依次连接的缓冲模块10、电压/电流转换模块20、零磁通隔离模块30以及电流/电压转换模块40。
所述缓冲模块10由电压跟随器和保护模块组成，所述电压跟随器用于将高输入阻抗转换为低输出阻抗；所述保护模块用于将输入端子最高电压钳制在预设电压值。
所述电压/电流转换模块20将所述电压跟随器的输出电压转换为电流信号。
所述零磁通隔离模块30用于将所述电流信号按比例转换进行二次输出。
所述电流/电压转换模块40用于将所述按比例转换后的电流信号转换为电压信号输出。
在实际测量中，零磁通隔离模块30涉及到高频电路，在高频电路中需要考虑阻抗匹配问题，输入端子具有较高的阻抗，可以利用电压跟随器将输入端子较高的阻抗转换为低阻抗输出，缓冲模块10输出的电压经过电压/电流转换模块20转换为电流输出到零磁通隔离模块30，零磁通隔离模块30利用电流互感器将电压/电流转换模块20转换的电流按比例转换后输出到电流/电压转换模块40，电流/电压转换模块40将转换后的电流转换为电压后输出。
参照图2直流电压隔离放大器的线路示意图，所述电压跟随器由输入电阻R0、第一运算放大器A1以及第一电阻R1组成，所述输入电阻R0两端分别与输入端子和运算放大器的同相输入端相连，所述第一电阻R1的两端分别与第一运算放大器A1的反相输入端和输出端相连。
所述保护模块由第一稳压管d1、第二稳压管d2、第三稳压管d3、第四稳压管d4、第五稳压管d5以及第六稳压管d6组成，所述第六稳压管d6、第五稳压管d5、第四稳压管d4、第一稳压管d1、第二稳压管d2以及第三稳压管d3依次同向串联，所述第一稳压管d1的正极、第二稳压管d2的负极分别连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一稳压管d1负极与供电电源正极相连，所述第六稳压管d6的负极与供电电源负极相连，所述第三稳压管d3的负极接地，所述第六稳压管d6的正极接地。
在直流电压隔离放大器实际电路中电压跟随器为单端输入，需要保护的第一运算放大器A1的同相输入端，当输入信号电压为正且超过第一稳压管d1、第二稳压管d2以及第三稳压管d3最大稳压值的和，第一稳压管d1、第二稳压管d2以及第三稳压管d3会导通，将第一运算放大器A1同相输入端的输入电压钳制在预设电压值上，当输入信号电压为负且超过第四稳压管d4、第五稳压管d5以及第六稳压管d6最大稳压值的和，第四稳压管d4、第五稳压管d5以及第六稳压管d6会导通，将第一运算放大器A1同相输入端的输入电压钳制在预设电压值上，保护后级电路不被高电压损坏。
所述零磁通隔离模块由主铁芯1、辅助铁芯2、一次绕组3、二次绕组4、补偿绕组5以及检测绕组6组成；
所述主铁芯的一端和辅助铁芯2的一端相互咬合接触，所述一次绕组3的输入端和输出端分别与电压跟随器的输出端和第二电阻R2的一端相连，所述一次绕组3和二次绕组4同时叠绕在主铁芯1与辅助铁芯2相互咬合的表面，所述补偿绕组5绕在主铁芯1的另一端，所述检测绕组6绕在辅助铁芯2的另一端。
通过在补偿绕组5两端连接励磁电流源，励磁电流源即是与一次电流频率相同的可控交流电压源，当调节补偿绕组5的励磁电流源，检测绕组6的电压表读数趋于零时，辅助铁芯2中的磁通趋于零，而一次绕组3和二次绕组4均与主铁芯1和辅助铁芯2交集缠绕，此时，对于辅助铁芯2而言，一次绕组3和二次绕组4的在辅助铁芯2中产生的磁通相同，即一次绕组3和二次绕组4匝数相等，场强亦相同，在一次绕组3和二次绕组4上产生感应电动势的磁通完全由补偿绕组5提供，即是补偿绕组5向主铁芯1提供励磁电流和励磁磁场，此时，辅助铁芯2中的磁通为零，一次绕组3和第二次绕组4的磁通在辅助铁芯2中达到了平衡，确保零磁通电流互感器的理论误差等于零，达到磁平衡，不存在测量的比差和角差。
所述电压/电流转换模块20由第二电阻R2组成，所述第二电阻R2的一端与一次绕组3的输出端连接，另一端接地。
在直流电压隔离放大器工作时，设一次绕组3的工作电压为U1，在一般情况下U1是低于1mV的，接近于0，所以电压跟随器的输出电压基本全部作用于第二电阻R2，设第二电阻R2阻值为R2，电压跟随器的电压增益为1，设输入端子电压为Uin，电压跟随器的增益误差为α，则电压跟随器的输出电压理论上为Uin(1+α)，电压/电流转换模块20转换后的电流为Uin(1+α)/R2。
所述第二电阻R2容差在0.001％以内，温度系数为1ppm/℃。
设第二电阻R2的容差为β，电压跟随器输出的电流为I1则I1＝Uin(1+α)/R2(1+β)。
所述电流/电压转换模块40第二运算放大器A2、第三电阻R3以及第四电阻R4组成，所述第二运算放大器A2的反相输入端分别与二次绕组4的输出端以及第三电阻R3的一端相连，所述第三电阻R3的另一端与第二运算放大器A2的输出端相连，所述第四电阻R4的一端与所述第二运算放大器A2的同相输入端相连，另一端接地。
按照运算放大器输入虚短和虚断的原则，在第三电阻R3上会流过与零磁通隔离模块30输出电流方向相反、幅值相等的电流信号，会在第三电阻R3上产生压降，设第三电阻R3阻值为R3，第三电阻的容差为ζ，则输出电压Uout＝R3(1+ζ)Uin(1+γ)(1+α)/R2(1+β)。
在实际电路中，电压跟随器的增益误差α一般可以控制在0.01％以内，第二电阻R2的容差β可以做到0.005％，隔离单元的转换误差γ，可以做到0.005％，第三电阻R3的容差ζ同样可以做到0.005％，若稍作调试，该隔离放大器的整体增益误差可以小于0.02％。而第二电阻R2和第三电阻R3的电压线性度一般小于0.001％，而零磁通隔离模块30的线性度可以小于0.0005％。因此隔离放大器的整体线性度可小于0.002％。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种直流电压隔离放大器，其特征在于，包括依次连接的缓冲模块、电压/电流转换模块、零磁通隔离模块以及电流/电压转换模块；
所述缓冲模块由电压跟随器和保护模块组成，所述电压跟随器用于将高输入阻抗转换为低输出阻抗；所述保护模块用于将输入端子最高电压钳制在预设电压值；
所述电压/电流转换模块将所述电压跟随器的输出电压转换为电流信号；
所述零磁通隔离模块用于将所述电流信号按比例转换进行二次输出；
所述零磁通隔离模块包含高频电路，由主铁芯(1)、辅助铁芯(2)、一次绕组(3)、二次绕组(4)、补偿绕组(5)以及检测绕组(6)组成；
所述主铁芯(1)的一端和辅助铁芯(2)的一端相互咬合接触，所述一次绕组(3)的输入端和输出端分别与电压跟随器的输出端和第二电阻的一端相连，所述一次绕组(3)和二次绕组(4)同时叠绕在主铁芯(1)与辅助铁芯(2)相互咬合的表面，所述补偿绕组(5)绕在主铁芯(1)的另一端，所述检测绕组(6)绕在辅助铁芯(2)的另一端，在补偿绕组5两端连接励磁电流源；
所述电流/电压转换模块用于将所述按比例转换后的电流信号转换为电压信号输出。
2.根据权利要求1所述的隔离放大器，其特征在于，所述电压跟随器由输入电阻、第一运算放大器以及第一电阻组成，所述输入电阻两端分别与输入端子和运算放大器的同相输入端相连，所述第一电阻的两端分别与第一运算放大器的反相输入端和输出端相连。
3.根据权利要求2所述的隔离放大器，其特征在于，所述保护模块由第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第四稳压管、第五稳压管以及第六稳压管组成，所述第六稳压管、第五稳压管、第四稳压管、第一稳压管、第二稳压管以及第三稳压管依次同向串联，所述第一稳压管的正极、第二稳压管的负极分别连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一稳压管负极与供电电源正极相连，所述第六稳压管的负极与供电电源负极相连，所述第三稳压管的负极接地，所述第六稳压管的正极接地。
4.根据权利要求1所述的隔离放大器，其特征在于，所述电压/电流转换模块由第二电阻组成，所述第二电阻的一端与一次绕组的输出端相连，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的隔离放大器，其特征在于，所述第二电阻容差在0.001％以内，温度系数为1ppm/℃。
6.根据权利要求1所述的隔离放大器，其特征在于，所述电流/电压转换模块第二运算放大器、第三电阻以及第四电阻组成，所述第二运算放大器的反相输入端分别与二次绕组(4)的输出端以及第三电阻的一端相连，所述第三电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连，所述第四电阻的一端与所述第二运算放大器的同相输入端相连，另一端接地。
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