三相四线电路的电压、电流采样电路及电压、电流采样方法

摘要

本发明公开了了一种三相四线电路的电压、电流采样电路及电压、电流采样方法，该电路和方法简单方便成本低，同时精度高，响应时间短，线性度好。本发明的采样电路和方法中，电压信号的采样纯粹是用电压分压的方式来完成，由于采用了多个电阻串联的方法，能把热量分散，这里的电阻都是正温度系数，所以采样的信号不会随着电阻温度的变化而变化。本发明的三相四线电路的电压采样电路，是将n个同型号的电阻串联后一端并接到A相，另一端接到N线上，用n个同型号的电阻分别并联到B相和C相上，另一端接到N线上，其中n为整数且20≤n≤100。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电路及采样方法，更具体地说涉及一种三相四线电路的电压、电流采样电路及电压、电流采样方法。

背景技术

随着电力电子技术的日趋成熟，同时价格竞争越来越激烈，在不减少产品性能的前提下，如何最大程度的减少成本成了各大厂商关注的焦点。现在很多厂商之所以成本越来越高，首先是目前材料成本价格年年上涨。比如：在中国市场上刚刚兴起的小功率有源电力滤波器(APF)，主要是10A以下的小电流，电压电流采样要求响应时间很短，精度也很高，很多厂家采用的都是霍尔元件，而霍尔元件成本很高(70元左右)，一般情况下要用6个以上，仅仅在这一项上成本就高达400元人民币以上，在没有更好的技术方法去实现这些功能的前提下，只能被迫采用这种材料。现有技术中一般的采样方式如图1所示，市电一般都是三相四线，电压等级为400V，电流不大于10A，电压、电流均采用霍尔传感器。例如选用茶花电子的VSM025A霍尔传感器，要求在额定电压下，保持输入电流为10mA，所以将电压传感器直接通过40K/10W的电阻串联到输入侧，然后并联到三相电压上，同时还要给霍尔传感器提供±15V电源，输出为电流信号，并接一个电阻60欧姆拉到地上，这样电流信号就变成采样电压信号Va、Vb、Vc，采样电压信号的大小就随着市电电压的大小而线性变化，线性度能达到0.2％，响应时间不大于1US。同样，电流传感器的接法更简单，选择茶花电子的CSM050LA，通常它有一个环，把要测的三相电流线路穿过这个环，在电流有效值为10A的情况下，输出电流为50mA，只要并联一个60欧的电阻拉到地上既可。三相采样信号Ia、Ib、Ic随着输入电流的变化而线性变化，线性度为0.2％，响应时间不大于1uS。这种方法目前虽然采用较多，但是成本昂贵，针对小功率APF是一种能源浪费，需要开发一种新型的电压电流采样电路及采样方法，在不失性能的前提下，降低其成本，并能进一步提高其可靠性。

发明内容

本发明很好的解决了上述现有技术中存在的不足问题，提供了一种三相四线电路的电压采样电路及电压采样方法，该电路和方法简单方便成本低。

另外本发明还提供三相四线电路的电流采样电路及电流采样方法，该电路和方法简单方便成本低，同时可靠性高。

本发明的技术方案如下：

本发明的采样电路和方法中，电压信号的采样纯粹是用电压分压的方式来完成，由于采用了多个电阻串联的方法，能把热量分散，这里的电阻都是正温度系数，所以采样的信号不会随着电阻温度的变化而变化。电流采样信号，因为电流和串联在线路上的电阻电压成正比，所以就以电流线路上电阻电压的变化为出发点，通过与电压采样一样的方法得到采样信号，用这个采样信号与上面的电压信号进行减法计算，得到的电压信号就是我们所要的采样信号，这个采样信号与输入电流的大小成正比例关系，用它来表示三相电流将是非常准确，可靠性非常高。

本发明的三相四线电路的电压采样电路，是将n个同型号的电阻串联后一端并接到A相，另一端接到N线上，用n个同型号的串联电阻分别并联到B相和C相上，另一端接到N线上，其中n为整数且20≤n≤100；使用方便，成本低廉，同时可靠性也比较高，另外为了便于计算，本发明电路中n优选为25。

本发明上述的三相四线电路的电压采样电路的电压采样方法，主要包括以下步骤：

以A相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Va；

以B相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vb；

以C相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vc；

根据串联同型号电阻的个数和电压，计算得出采样电压信号Va、Vb和Vc。

本发明的电压采样方法中，如果三相电压分别为A、B、C，电压采样电路中n个电阻的阻值均为mK，所述的采样电压信号如下：

Va＝A*mK/(n*mK)＝A/n

Vb＝B*mK/(n*mK)＝B/n

Vc＝C*mK/(n*mK)＝C/n。

本发明的电压采样方法中，优选n＝25，m＝4K，其中所述的样电压信号如下：

Va＝A*4K/(25*4K)＝A*4/100＝0.025A

Vb＝B*4K/(25*4K)＝B*4/100＝0.025B

Vc＝C*4K/(25*4K)＝C*4/100＝0.025C，由公式也可以看出使用非常简单方便清晰。

本发明的三相四线电路的电流采样电路，其包括上述的电压采样电路，然后在三相电压采样信号点下端各串接r欧的电阻，再按照电压采样电路，分别把n个同型号的电阻串联后，分别并接到A、B、C三相线上r欧电阻的下端，另一端一起连接到N线上，再在靠近N线的电阻上端各连接一个LM124四运算精密运算放大器；使用方便，成本低廉，同时可靠性也比较高，另外为了便于计算，本发明电路中所述的n优选为25，r优选0.1欧/20W。

本发明的上述三相四线电路的电流采样电路的电流采样方法，主要包括以下步骤：

以A相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Va；

以B相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vb；

以C相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vc；

根据串联同型号电阻的个数和电压，计算得出采样电压信号Va、Vb和Vc；

以A相上的接点为参考点，在LM124四运算精密运算放大器上进行电流采样，得到电流信号Ia；

以B相上的接点为参考点，在LM124四运算精密运算放大器上进行电流采样，得到电流信号Ib；

以C相上的接点为参考点，在LM124四运算精密运算放大器上进行电流采样，得到电流信号Ic。

本发明的上述电流采样方法中：

三相电压分别为A、B、C，电压采样电路中n个电阻的阻值均为mK，所述的采样电压信号如下：

Va＝A*mK/(n*mK)＝A/n

Vb＝B*mK/(n*mK)＝B/n

Vc＝C*mK/(n*mK)＝C/n；

其中：如果三相电流为IA、IB、IC，电压被r欧电阻分压后，三相电压分别为A1、A2和A3，则所述的电阻分压后三相电压：

A1＝A-r*IA

B1＝B-r*IB

C1＝C-r*IC

电流采样电路中靠近N线的电阻的电压分别为A2、B2、C2，则其值分别为：

A2＝A1*mK/(n*mK)＝A1/n

B2＝B1*mK/(n*mK)＝B1/n

C2＝C1*mK/(n*mK)＝C1/n

根据放大器接成模拟减法器的形式，所述的三相电流采样信号Ia、Ib、Ic分别如下：

Ia＝Va-A2＝Va-A1/n＝A/n-(A-r*IA)/n＝rIA/n

Ib＝Vb-B2＝Vb-B1/n＝B/n-(B-r*IB)/n＝rIB/n

Ic＝Vc-C2＝Vc-C1/n＝C/n-(C-0.1*IA)/n＝rIC/n。

本发明的上述电流采样方法，其所述的n优选25，m优选4K，r优选0.1欧，所述的：

Va＝A*4K/(25*4K)＝A*4/100＝0.025A

Vb＝B*4K/(25*4K)＝B*4/100＝0.025B

Vc＝C*4K/(25*4K)＝C*4/100＝0.025C

A1＝A-0.1*IA

B1＝B-0.1*IB

C1＝C-0.1*IC

A2＝A1*4K/(25*4K)＝A1*4/100＝0.025A1

B2＝B1*4K/(25*4K)＝B1*4/100＝0.025B1

C2＝C1*4K/(25*4K)＝C1*4/100＝0.025C1

Ia＝Va-A2＝Va-A1*4/100＝A*4/100-(A-0.1*IA)*4/100＝0.1*IA*4/100＝0.0025IA

Ib＝Vb-B2＝Vb-B1*4/100＝B*4/100-(B-0.1*IB)*4/100＝0.1*IB*4/100＝0.0025IB

Ic＝Vc-C2＝Vc-C1*4/100＝C*4/100-(C-0.1*IA)*4/100＝0.1*IC*4/100＝0.0025IC，由公式也可以看出使用非常简单方便清晰。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明的采样电路和采样方法都非常简单方便，成本低，由于选用同一个厂家的同系列同型号多个电阻串联，因为电阻的温度系数基本一致，随着温度的上升或下降，电阻的比值保持不变，所以采样的分压信号也不会随着温度变化而变化，非常可靠；这种检测方法的优点不仅结构简单，精度和稳定性高，线性度不小于0.2％，响应时间在也不大于1US，而且成本相当低，对于10A以下的小功率APF有着广阔的前景。

附图说明

图1为一般现有技术的电压、电流采样电路结构示意图

图2为本发明的电压、电流采样电路结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作说明：

如图2所示，本发明的三相四线电路的电压采样电路，是将25个同型号的电阻串联后一端并接到A相，另一端接到N线上，用25个同型号的电阻串联后分别并联到B相和C相上，另一端接到N线上，电阻的大小均为4K。

电压采样方法如下：

以A相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Va；

以B相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vb；

以C相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vc；

根据串联同型号电阻的个数和电压，计算得出采样电压信号Va、Vb和Vc。

所述的样电压信号如下：

Va＝A*4K/(25*4K)＝A*4/100＝0.025A

Vb＝B*4K/(25*4K)＝B*4/100＝0.025B

Vc＝C*4K/(25*4K)＝C*4/100＝0.025C，由公式也可以看出使用非常简单方便清晰。

本发明的三相四线电路的电流采样电路，其包括上述的电压采样电路，然后在三相电压采样信号点下端各串接0.1欧/20W的电阻，再按照电压采样电路，分别把25个同型号的电阻串联后一端并接到A、B、C三相线上0.1欧电阻的下端，另一端一起连接到N线上，电阻的大小均为4K，再在靠近N线的电阻上端各连接一个LM124四运算精密运算放大器。

本发明的上述三相四线电路的电流采样电路的电流采样方法，主要包括以下步骤：

以A相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Va；

以B相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vb；

以C相上的接点为参考点，在靠近N线的电阻上进行电压采样，得到电压信号Vc；

根据串联同型号电阻的个数和电压，计算得出采样电压信号Va、Vb和Vc；

以A相上的接点为参考点，在LM124四运算精密运算放大器上进行电流采样，得到电流信号Ia；

以B相上的接点为参考点，在LM124四运算精密运算放大器上进行电流采样，得到电流信号Ib；

以C相上的接点为参考点，在LM124四运算精密运算放大器上进行电流采样，得到电流信号Ic。

本发明的上述电流采样方法中：

三相电压分别为A、B、C，则

Va＝A*4K/(25*4K)＝A*4/100＝0.025A

Vb＝B*4K/(25*4K)＝B*4/100＝0.025B

Vc＝C*4K/(25*4K)＝C*4/100＝0.025C

在三相电压采样信号下端串接0.1欧/20W的电阻，三相电流为IA、IB、IC，市电电压被电阻分压后，三相电压分别为：

A1＝A-0.1*IA

B1＝B-0.1*IB

C1＝C-0.1*IC

靠近N线的电阻电压，分别为A2、B2、C2，其值分别为：

A2＝A1*4K/(25*4K)＝A1*4/100＝0.025A1

B2＝B1*4K/(25*4K)＝B1*4/100＝0.025B1

C2＝C1*4K/(25*4K)＝C1*4/100＝0.025C1

将放大器接成模拟减法器的形式，如图2所示，表示很清楚，用上面计算的三相采样电压信号Va、Vb、Vc分别与A2、B2、C2作减法运算，很容易得到三相电流采样信号Ia、Ib、Ic：

Ia＝Va-A2＝Va-A1*4/100＝A*4/100-(A-0.1*IA)*4/100＝0.1*IA*4/100＝0.0025IA

Ib＝Vb-B2＝Vb-B1*4/100＝B*4/100-(B-0.1*IB)*4/100＝0.1*IB*4/100＝0.0025IB

Ic＝Vc-C2＝Vc-C1*4/100＝C*4/100-(C-0.1*IA)*4/100＝0.1*IC*4/100＝0.0025IC

上式显示，经过分压和减法器的采样后，采样电流信号为一个常数乘以实际电流。电压信号比较弱，后续可以经过放大器放大得到自己满意的一个电压范围。

本实例的精度和稳定性非常高，线性度不小于0.2％，响应时间在也不大于1US，而且成本相当低，对于10A以下的小功率APF有着广阔的前景。