工业电源测量浅谈

引言

目前，工业市场呈现出更高电能利用率的趋势，这就要求不断改进对电源系统的监控。对电源的适当管理与分配对工业领域的节能与总体电源利用情况非常重要。在制定决策和确保适当保护输电网与最终用户时，准确、实时的测量尤为重要。

图1示出了必须测量三相涌流时的典型高压电力传输系统。对所生成的极高电压必须进行隔离和衰减，以便与低电压测量及相应控制系统的输入容量相匹配。通过电源变压器进行第一级高电压隔离。例如，来自发电站的220 kV电压可转换成只有220V的较低电平。由于这一电压对于当前的模数转换器(ADC)还是太大，因此需要进一步进行三相隔离。下一步是将220V的电压转换成可测量的±10V信号，以提供必需的控制与保护电路。负载电流测量也需要相同的隔离、测量、控制与保护；通过高压变压器可以重复上述操作，以降低电压。

尽管输入频率相对较低，但每次测量的时序非常重要，这一配置使我们必须对多个通道同时进行测量。本文将详细介绍在这些测量中适当启用信号调节与数据转换的几种方法。

利用高压组件进行测量

电压与电流测量较常见的解决方案之一就是使用高压组件。来自变压器或变流器的信号经滤波后可通过运算放大器加以缓冲，变压器与运算放大器之间的必须有一个电阻、电容(RC)滤波器，用以限制电压尖峰与输入电流，图2示出了采用这一配置的典型应用电路。

R1与C1可滤除变压器可能产生的电压尖峰。输入电阻器R1还有助于限制瞬态输入电流并保护运算放大器的高阻抗、非反相输入引脚。经R2与C2再次滤波可将运算放大器与电荷注入器件暂时隔离。电荷注入器件通常与当前的逐次逼近寄存器(SAR)架构ADC关联。通过这种方法，可以对变压器（通常为20 Vpp或±10 Vpp）的输出电压进行缓冲并将其传递给ADC输入端。

不过，这款简单的电路也存在一些缺点。首先必须使用三个电源才能让这个电路正常工作（这也是最大的缺点）：运算放大器与ADC的模拟部分分别需要一个±12 V的电源，处理器接口需要一个5 V电源。这三个电源必须专门用于电路的模拟测量部分，不能从用于数字处理或中继驱动器的任何有噪声的辅助电源派生。同时，这些要求使得电路板布局变得极为复杂，并且不可避免地增加了多层印刷电路板(PCB)的设计成本。第二个问题在于有限的组件数量：只有少数几家制造商能够提供具有±10 V输入电压的ADC。