專利名稱：隔離電壓和/或電流測量的電路裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與對向電氣設備供電具有一根去導線和一根回導線的輸電線路進行隔離電壓和/或電流測量的電路裝置有關。
隔離測量輸電線路上具有不同脈沖高度的二進制電信號的電路裝置業(yè)已提出，例如，可參見EP 0,398,456B1或惠普的意見書“高線性模擬光耦合器”(“High-Linearity Analog Optocouplers”，1993，pages 1to 16)。
在集中供電的電網(wǎng)中，通?？梢栽诮K端站測量供電電壓和供電電流。這在以前是用接在供電電位上的簡單的模擬式指針型儀表進行的。
然而，由于采用操作員終端，因此需要以數(shù)字方式處理這兩種測量值。這將遇到電隔離方面的問題，因為輸電線路上的電位可能要比地電位高出2KV，而在去導線與回導線之間的電壓和電流的測量值分別會在0V至300V左右和OA至70mA左右的范圍內(nèi)。
進行隔離測量的一種可能途徑是使用模數(shù)變換器(ADC)；將ADC接到輸電線路電位上，通過光耦合接口取出電位接近地電位的輸出。然而，這種方法需要一個接在輸電線路電位上的獨立電源。輸電線路上的供電電流不能利用，因為在斷路期間沒有電流過，而且在與輸電線路并行的通路中只可以消耗非常小的電流。另一個問題是要用光耦合器得到相當好的線性、與溫度無關的測量結果必需配置一些很為復雜的補償電路才能實現(xiàn)。此外，如果構成ADC電路所必需的有源器件，如晶體管，在浮動電位情況下使用的話，就會有所謂閉鎖超載(latch-up)問題，只要供電電壓上升到高于或下降到低于額定值即使并不多，也可能使這些有源器件燒毀。
CH 676,393 AS揭示了一種將模擬測量電壓變換成隔離的數(shù)字信號的電路裝置，通過由一個發(fā)光二極管(LED)和一個接在輸電線路電位上的光敏晶體管構成的光電耦合器件將所測得的電壓以接近地電位的方式耦合出來。電壓測量本身是通過一個電容器和一個控制對這個電容器充放電的電路來實現(xiàn)的。然而，這樣的電容器體積一定是相當大的。而且，由于放電曲線是一個指數(shù)函數(shù)，因此對測量精度有影響。
前面所引的EP 0,398,456 B1揭示了一種隔離測量具有不同脈沖高度的二進制電信號的電路裝置，這種電路裝置包括一個光耦合器，它與一個電子電路模塊串聯(lián)地接到輸電線路的去、回導線上。這種電路裝置在工作時不需要時鐘脈沖，但是有著這樣一個缺點由于光耦合器是高度非線性的，因此測量模擬信號并不合適。這種電路裝置也需要一個高電位的恒流源對光耦合器供電，從而也有上面所提到的閉鎖過載問題。
前面所引的惠普的意見書提出了采用一對光耦合器的電路裝置，由于兩個光耦合器各自只傳送模擬信號，因此通過比較這兩個光耦合器所提供的兩個信號可以得到接近地電位的模擬測量值。然而這又有一些新的問題，因為這兩個光耦合器的老化率總不會那么一致的。
本發(fā)明的目的是采用盡可能簡單的措施來改善上述類型的電路裝置，使得必需處于輸電線路電位的有源器件盡可能少(特別是不需要模數(shù)變換器，也沒有用電源)，而且使得測量的電壓和電流值與輸電線路的電壓和電流盡量成線性關系。
按照本發(fā)明，這個目的對于電壓測量情況是通過將一個變壓器、一個第一光控定時開關件和一個第一電阻串聯(lián)成一個分流支路接在去導線和回導線之間來實現(xiàn)的。
對于電流測量情況，本發(fā)明的目的是通過將一個第二電阻串接入去導線或回導線、再用由一個變壓器和一個第二光控定時開關件串聯(lián)的支路與這個第二電阻并聯(lián)來實現(xiàn)的。
本發(fā)明所提出的電路裝置由于用相應的光控定時開關件使電壓脈沖化從而解決了以上問題。與高壓側(cè)光耦合的接地時鐘產(chǎn)生器的時鐘頻率通常是1kHz左右。在變壓器的次級，因此可以得到一個與相應測量信號成正比的交變電壓，這個交變電壓能以一個經(jīng)隔離的電壓取出，例如，可以處于地電位。這只要在變壓器的初級和次級之間采取適當隔離就可以了。
在本發(fā)明的電路裝置中不需要模數(shù)變換器，也不需要接在輸電線路電位上的電源。因此，由于高壓側(cè)只有最少的有源器件，從而除了其他一些優(yōu)點外還顯著地減少了閉鎖過載的危險。最后，由于不是用一個網(wǎng)絡而只是用一個電阻來進行電壓測量，因此負載也比現(xiàn)有技術的小。
在本發(fā)明所提出的電路裝置的優(yōu)選實施例中，可以同時進行隔離電壓測量和隔離電流測量。
在這種復合電路裝置的優(yōu)選實施例中，同一個變壓器既可用于電壓測量又可用于電流測量。這樣，就可以節(jié)約一個昂貴的高壓隔離變壓器。
為了能取出滿足測量要求的直流信號，在本發(fā)明的另一個實施例中變壓器次級還配置了一個整流裝置。
在這個實施例的改進結構中，整流裝置包括至少一個二極管，在最簡單的情況下，是用一個二極管接在變壓器次級的兩個輸出端之間。
在以上這些實施例的一個值得推薦的改進型中，在變壓器初級配置一個恒流源，以使整流電路特性線性化。
這樣，可以為測量開放更大的動態(tài)范圍。在現(xiàn)有技術中，從去導線和回導線之間的電壓取下進行測量的電壓范圍是50V至350V之間，而在變壓器初級用了一個恒流源后，從次級得到的電壓值可在20V至350V之間變化。
在本發(fā)明所提出的用來進行隔離電壓和電流測量的復合電路裝置的一個特別值得推薦的實施例中，用一個開關來代替與第二電阻并聯(lián)的第二光控定時開關件，這個開關可以將第一光控定時開關件的不與變壓器連接的那一端連接到第一電阻的朝向變壓器的、接在第一開關位置的那一端上，或者連接到第二電阻的不與變壓器連接的、接在第二開關位置的那一端上。這樣就節(jié)約了一個光控定時開關件。
在這個實施例的一個改進型中，在第三開關位置，開關將第一光控定時開關的不與變壓器連接的那一端與第一電阻的朝向變壓器的那一端和第二電阻的不與變壓器連接的那一端都斷開。因此，如果不需要進行電壓和電流的測量，開關就可以打到這第三開關位置，使電路處于靜止狀態(tài)，去導線和回導線之間不存在任何連接，從而不會有漏電流流過。
在這些優(yōu)選實施例中，本發(fā)明所提出的電路裝置中的光控定時開關件都是用光MOS繼電器，特別是光電驅(qū)動的MOSFET來實現(xiàn)的。后一種器件包括一個受工作在頻率為1kHz左右的接地時鐘驅(qū)動的發(fā)光二極管(LED)，通過一個內(nèi)裝光電池定時通斷一個MOS晶體管。
本發(fā)明的其他優(yōu)點可以從以下說明和附圖中看出。按照本發(fā)明，上面提到的那些功能和下面提出的這些功能可以單獨應用，也可以以任何方式組合起來應用。這些實施例并不意味著本發(fā)明就局限于所示的具體情況，這里所作的說明只是示范性的。
下面將結合附圖通過一些實施例對本發(fā)明進行較為詳細的說明，在這些附圖中

圖1為本發(fā)明所提出的進行隔離電壓測量的電路裝置的一個簡單實施例的方框圖；圖2示出了進行隔離電流測量的一個簡單實施例；圖3示出了進行復合的隔離電壓和電流測量的一個實施例；圖4示出了只用一個光控定時開關件和一個開關的進行復合的隔離電壓和電流測量的一個實施例；以及圖5是在變壓器初級加有一個使整流器特性線性化的恒流源的進行復合的隔離電壓和電流測量的一個實施例的電路圖。
圖1所示是本發(fā)明所提出的對具有一根去導線(標為“+”)和一根回導線(標為“-”)的輸電線路進行隔離電壓測量的電路裝置的方框圖。接在去導線和回導線之間的分流支路含有串聯(lián)連接的變壓器T、第一光控定時開關件OS1和阻值可選為200kΩ左右的第一電阻R1。
作為度量去導線和回導線之間電位差U的電阻R1兩端的電壓由定時開關件OS1通斷。定時開關件OS1最好是一個光MOS繼電器，特別是一個光電驅(qū)動的MOSFET。它包括一個受時鐘頻率fU例如為1kHz左右的接地時鐘產(chǎn)生器(未示出)驅(qū)動的發(fā)光二極管(LED)。這個也是處于地電位的LED向一個光電池發(fā)送定時光信號，從而使接在輸電線路電位上的MOS晶體管按相應頻率通斷。結果，在變壓器T的次級感應出與受測量(即去導線和回導線之間的電位差U)成正比的交變電壓。
為了能取出一個DC(可能是脈動的)信號，在變壓器T次級配有一個整流裝置D。在最簡單的情況下，如圖1所示，這個整流裝置就有一個二極管，接在變壓器T的次級的二個輸出端之間。
在圖2所示的進行隔離電流測量的特別簡單的實施例中，標為“+”的去導線中串接了一個大約為100Ω的第二電阻R2。與電阻R2并聯(lián)連接的是串聯(lián)的變壓器T和第二光控定時開關件OS2。變壓器T也像圖1所示那樣在次級接有一個整流裝置D，而第二光控定時開關件OS2的工作情況與參照圖1說明的開關件OS1的相同，以時鐘頻率fI通斷。流過電阻R2的供電電流通過通斷電阻R2兩端的電壓降進行測量。
圖3示出了本發(fā)明所提出的既可以用于隔離電壓測量又可以用于隔離電流測量的電路裝置的復合實施例。所用器件與圖1和2的相應，但電壓測量和電流測量用的是同一個帶有相應整流裝置D的變壓器T。在所示這個實施例中，示出了在地電位與輸電線路平均電位之間可能存在大約為2KV的電位差。
圖4示出了本發(fā)明所提出的進行隔離電壓和電流測量的復合電路裝置的另一個改進的實施例。在這個實施例中，代替圖3中與第二電阻并聯(lián)的第二光控定時開關件OS2用了一個開關S。開關S可以將第一開關件OS1的不與變壓器連接的那一端連接到第一電阻R1的朝向變壓器的、接在第一開關位置的那一端上，或者連接到第一電阻R2的不與變壓器連接的、接在第二開關位置的那一端上。在第三開關位置，如圖4所示，開關S將兩個電阻R1、R2與開關件OS1的不與變壓器連接的那一端斷開。在這個位置，既不進行電壓測量也不進行電流測量，所以去導線和回導線之間沒有旁路電流。
圖5示出了本發(fā)明所提出的在變壓器初級加了一個使在變壓器次級的整流裝置D的特性線性化的恒流源K的進行復合的隔離電壓和電流測量的電路裝置的實施例。
在圖5中，給出了所示各電子器件的具體數(shù)值。當然，這些數(shù)值在其他實施例中可以根據(jù)需要加以改變。
在圖5所示的電路裝置中，流過電阻R2的供電電流也是通過通斷相應的電壓降進行測量的。電阻R1還用來將開關電流限制為額定電流I的1/50(供電電流的紋波)。供電電壓U通過與電阻R1串聯(lián)的電阻R3通斷。由于供電電流的脈動，平均來說，通斷的電流在1mA量級。
通斷電壓的隔離由變壓器T提供，變壓器T的次級接有一個由電容器C1和C2。肖特基二極管V1和V2以及一個電阻組成的倍壓整流器。
由于電壓測量的指示范圍(20V至350V)大于電流測量的指示范圍(30mA至70mA)，因此整流二極管的門限電壓將會在這個指示范圍內(nèi)引起非線性。恒流源K就是用來解次這個問題的。隨著供電電壓的下降，通斷電流的部分保持不變，從而補償了二極管的特性。因此可測得的電壓可以精確到大約在20V以內(nèi)。
權利要求
1.一種對向電氣設備供電的具有一條去導線和一條回導線的輸電線路進行隔離電壓測量的電路裝置，其特征是所述裝置包括一個接在去導線(+)和回導線(-)之間的分流支路，所述分流支路包括串聯(lián)連接的一個變壓器(T)、一個第一光控定時開關件(OS1)和一個第一電阻(R1)。
2.一種對向電氣設備供電的具有一條去導線和一條回導線的輸電線路進行隔離電流測量的電路裝置，其特征是所述裝置包括一個串接在去導線(+)或回導線(-)中的第二電阻(R2)和與第二電阻(R2)并聯(lián)的串聯(lián)連接的一個變壓器(T)和一個第二光控定時開關件(OS2)。
3.一種如在權利要求1和2中所提出的電路裝置，其特征是對于電壓測量和對于電流測量配置的是同一個變壓器(T)。
4.一種如在以上權利要求的任一權利要求中所提出的電路裝置，其特征是其中所述變壓器(T)的次級配有一個整流裝置(D)。
5.一種如在權利要求4中所提出的電路裝置，其特征是其中所述整流裝置(D)包括至少一個二極管，特別是一個接在所述變壓器(T)的次級的兩個輸出端之間的二極管。
6.一種如在權利要求4或5中所提出的電路裝置，其特征是其中所述變壓器(T)的初級配有一個恒流源(K)，用來使接在所述變壓器(T)的次級的整流裝置(D’)的特性線性化。
7.一種如在權利要求3至6的任一權利要求中所提出的電路裝置，其特征是其中所述與第二電阻(R2)并聯(lián)的第二光控定時開關件(OS2)由一個開關(S)代替，所述開關(S)可將第一光控定時開關件(OS1)的不與變壓器(T)連接的那一端連接到第一電阻(R1)的朝向變壓器(T)、接在第一開關位置的那一端上，或者連接到第二電阻(R2)的不與變壓器連接的、接在第二開關位置的那一端上。
8.一種如在權利要求7中所提出的電路裝置，其特征是其中所述開關(S)當打在第三開關位置時就將第一光控定時開關件(OS1)的不與變壓器(T)連接的那一端與第一電阻(R1)的朝向變壓器(T)的那一端和第二電阻(R2)的不與變壓器(T)連接的那一端都斷開。
9.一種如在權利要求3中和在權利要求5至8的任一權利要求中所提出的電路裝置，其特征是其中所述第一光控定時開關件(OS1)和/或第二光控定時開關件(OS2)各都是光MOS繼電器，特別是光電驅(qū)動的MOSFET。
全文摘要
本發(fā)明所提出的對輸電線路進行隔離電壓和/或電流測量的電路裝置包括接在去導線(+)和回導線(－)之間的串聯(lián)連接的一個變壓器(T)、一個第一光控定時開關件(OS1)和一個第一電阻(R1),和、或包括串接在去導線(+)或回導線(－)中的一個第二電阻(R2)和與第二電阻(R2)并聯(lián)的串聯(lián)連接的一個變壓器(T)和一個第二光控定時開關件(OS2)。因此,可以采用簡單措施和少數(shù)有源器件,就能取得與輸電線路的電壓和電流成線性的測量電壓和電流值。
文檔編號G01R15/18GK1184938SQ97123020
公開日1998年6月17日 申請日期1997年11月27日 優(yōu)先權日1996年11月28日
發(fā)明者沃諾·莫赫 申請人:阿爾卡塔爾-阿爾斯托姆通用電氣公司