AMethodforLinearizationofOpticallyInsulatedVoltageTransducers翻译讲解.docx

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光隔离电压传感器的线性化方法

摘要：

——以小电压系统监测的来看，因为对新的高质量电能的需求在电网中扩散开来，测量传感器必须有越来越大的带宽和精确度。

种类繁多的基于不同运作原则的电压传感器被做出来了。

特别是那些基于电隔离和光隔离并具有数字通信的传感器似乎能提供精确干扰监测的合适特征。

不管怎样它们也常常有着高昂的成本，所以严重的限制了它们的发展扩散。

模拟信号的光隔离传感器能提供一切需求的特征值，然而它是通过非线性设备获得的。

因此在本文中提出了一个低成本的电力系统用模拟信号通信的线性光隔离电压传感器的思想。

这个思想是用来完成一个设计，仿真，实现被呈现的电压传感器原型。

实验得出的特征显示，尽管成本低，该传感器有非常好的精确度，带宽和线性度。

关键词：

——传感器，电压测量，电力系统测量，电能质量，频率响应，线性化。

1.介绍

随着电网中的电力电子的发展和更新换代，传导干扰越来越多的影响着电力网络的振幅和频率。

作为一个测量电能和电能质量的仪器，必须满足公共分配系统的电能质量国际标准。

这个国家标准致力于扩展被测量干扰的带宽上限，因为以工业工厂兼容性的角度来看传导干扰必须被明确在增大的频率范围。

因此商业仪表必须面临在增大的频率范围内监测能量的质量这一问题。

并且总所周知的事电能质量监测链的第一环就是电压和电流传感器。

另一个监测仪器必须保证的的重要事情是电隔离，以保证操作者的安全。

因良好的电绝缘性从而在实用点安装最多的典型电压电流测量传感器通常工作在狭窄的50-400Hz频率。

很显然这些限制使它们在分析高频谐波和低频简谐波成分时十分没用。

基于各种各样运作原理的其他种类的电压传感器也被开发出来了。

特别是，有一些通过在传感器的输入和输出端用光传导链的手段来实现电隔离，它们都是使用光传导来传递数字信号的信息。

有些被引用的文章提出了有高精确度和带宽的电压传感器是如何实现的。

同时它们也以不低的成本为特点。

当然作者也提出了如何做出低成本光隔离电压传感器的方法，在那些文章中，输入端的信号被转变为数字信号然后通过光传导到输出端。

在本文中则使用了另一种方法：

输入端信号被转变为成正比的光信号然后通过光传导传递模拟信号。

总之，因为电/光能转换是非线性的，所以描述了一个低成本的光传导线性化的方法。

使用这种新的办法能观察到有明显的性能改进。

此外做出来的原型机解决了测量传感器的带宽限制和误差这两个问题，并能同时保证低成本和绝缘特性。

在第二部分介绍了光隔离的线性化，在第三部分描述了这个电压传感器是如何设计的。

第四部分展现了PSpice环境下的仿真。

最后在第五部分做了这个电压传感器原型机的实验性试验，以在为特定目的而做的自动化测量站环境下评估它的表现。

2.线性化方法

众所周知，一个光信号发射器有非线性的电/光能转换特性。

在能量系统应用程序中这个事实是绝对的，光传导意味着只能以数字信号频道实现电隔离。

事实上无论串行还是并行的数字信号传递都是由一系列有序脉冲组成，每个脉冲只与高低电平有关，即使该频道的传播波形产生了一个失真，信息还是能保留下来。

光传导频道最重要的一个参数就是与频率带宽成反比的响应时间，即响应时间越小，频带越宽，所以频道的波特率越高。

相反的，在模拟光传导频道，因为信号是与传播的波形有关，失真必须确保尽可能的最小。

这篇文章的基础理论来自控制系统理论，如果非线性系统工作在线性部分的工作点周围并插入在闭环反馈控制系统，它就能被看做一个线性系统。

问题中的案例，这个非线性系统就是光信号发射器（OT），如果它与光信号接收器（OR）配对，输入和输出电流的关系就是非线性的，因为输入电流与传递的光信号是非线性的。

这种情况的一个简化的框图为图1

图1——开环光传导框图

总之如果在闭环反馈系统中另一个OR与第一个配对（图2），它的角色就十分关键，它接受传导的光信号然后输出电流，修饰OT的电流使之能与所有输出和输入电流有线性的关系。

重中之重是这两个OR之间的匹配，匹配的越好，线性化的效果就越好。

图2——闭环光传导框图

因此要实现一个线性模拟光传导，需要用上一个OT和两个相匹配的OR，他们都有低廉的成本，大概1€1个。

OT的特点：

输入电流在0-30mA，最大反向电压9V，-3dB频率带宽9MHz。

为了表征OT/OR1和OT/OR2的开环电流-电流转化曲线，必须做一个自动测量站。

它由PXI平台，3个6½位数和10nA的分辨率的数字万用表，1个可编程的直流电源，由它们做了很多实验。

首先，以OT电流15mA作为参考电流计算了这两组的输入输出电流的比率，分别是222.38和222.48，然后使OT中的电流在10μA~30mA之间变化。

它们的值为15mA时的比率的变化，图3.b是3.a的放大。

可以看出在低输出电流时变化非常大，输入电流低于1mA时变化小于5%。

此外，分析曲线的形状可以明白输入输出电流时非线性的。

图3

图4描述了两个OR电流随OT电流的变化。

图4b是4a的放大。

两个电流的差别在低电流时大概有20%。

超过1mA时差别小于0.7%，在15mA时在0.05%以下。

图4

在下一节中会解释OT在15mA时会极化所以作为特征，两个匹配的OR之间的差别十分的小。

多亏了这样的匹配，下一节将表现两个OR和OT在闭环系统（图2）将有一个线性模拟信号关系。

3.以线性思想设计传感器

为了设计测量电能质量的传感器一定是起源于分析国际标准。

由分析明白精确的不确定度由计算精确度在±0.1%的电源电压的均方根得来。

此外，在分析有低频传导干扰的工业工厂的兼容性的文章中，确定了电压成分必须限制在9kHz。

不能忽视的是因电力电子学和开关器件的进步，这个限制一直随着年代在增加。

根据【2】还有一个要求：

电压传感器必须调整来防止感应饱和产生的测量误差。

这要求传感器的饱和曲线的拐点是系统额定电压的200%。

所有这些注意事项导致以下的设计说明：

电压传感器要有±0.1%的精确度至少到9kHz，满量程至少有两倍的系统额定电压。

RVT依照精确度，频带宽度，输入满量程这三个要求设计而来。

RVT的核心是光隔离部分。

它由光学耦合的1个OT1个OR组成。

RVT的框图在图5。

图5

输入电压（VIN）连接在第一模块，是一个由电阻和电容组成的带一个可动阻抗适配器的补偿高阻抗电压隔离器。

它分隔和收集输入电压来使其与连续阶段相匹配。

整个RVT的输入最大值是±1200V：

这个值大概是根据之前描述的满量程的相间低电压水平的峰值的两倍。

输入电压被一个值为240的因素K分隔：

在输入分隔端电压等级在±5V之间。

这个隔离端是为了获得输入与输出电压之间的电隔离，由1个OT，2个OR和两个有源适配器A1，A2组成。

1个补偿加在输入电压，并马上由A1转变为电流：

这是一个有高极点频率的跨导放大器从而减小噪声。

在A1的输出端的电流送往OT，再转变为光信号。

然后光信号传到OR1再重新转变为电流。

尽管如此，如在2节中所述，OT传导光信号与输入电压是非线性的关系。

所以使用了另一个与OR1匹配的光信号接收器OR2。

它接受来自OT的光信号转换为电流，并由A2转换为电压；这是一个由高极点频率的互阻放大器来降低噪声。

A2的输出是用来做OT传播的光信号的反馈：

使用这样的方法可以使隔离端的输入电压和输出电压线性化。

OR1的输出电流送往A3，一个由高极点频率的互阻放大器来降低噪声。

另一个活跃的组成成分在传感器的输出：

它是用来调节输出电压的增益和补偿。

补偿电压和可变增益分别由电压调节器和电阻调节器获得。

另一个重要的组成部分是电路中电子器件的电源；为了保存由OT，OR1，OR2实现的隔离，需要两个独立的电源。

它们是由两个能保证隔离5000VRMSDC/DC转换器来实现的。

整体来看，传感器输入电压范围±1200V，输出电压范围±5V，隔离5000VRMS。

它是只由低成本的组件构成。

4.传感器的仿真

该RVT在PSpice环境下进行了仿真。

仿真是用来辅助RVT的设计。

真正的电子模型被用来模拟RVT。

如之前所说，RVT被认为在直流9kHz频率范围内至少需要±0.1%的精确度。

一个重要的设计限制是OT的最大电流为30mA，最大反向电压9V。

另一个设计参数是最小电流：

如在第二节所述，选1mA，RVT能运作在光隔离端的最大线性度。

因此必须选择符合这些约束和目标的电阻和电容。

我们进行了时域和频域的仿真，报告其中一部分结果。

图6,7展现了最大输入电压下的仿真结果，此时输出电压乘以比率240.可以看出两波形是几乎重叠的。

图7显示了OT的电流：

它的最低电流是1mA，峰值是29mA。

它没有什么实际意义因为工作在一个不寻常的场合，所以额定电压是大概±325V或±565V，取决于测量信号是相电压还是线电压。

如果输入电压是相电压，OT的电流范围则为11~19mA，若是线电压，OT电流则是8~22mA。

在图8是频域仿真：

这展现了乘以比率240的输出电压和在最大值±1200V的输入电压。

很清楚的是在低频100kHz减小大概0.2%。

9kHz减小幅度小于0.01%。

从仿真可以看出RVT有比【2】中的更好的表现。

图6

图7

图8

5.传感器的特征

在RVT被仿真之后，做出了一个原型机。

第一个版本在一个面包板上做出来为了证明真实运行也像仿真一样，然后做出了PCB。

为了测量原型机的特征建立了一个自动测量站。

然后进行了一些试验性测试。

在以下的副章节简述了AMS和实验性试验。

5.1自动测量站

AMS的框图在图9。

这分在两个部分：

一个控制部分和一个电源部分。

控制部分建立在包括一个控制器，一个函数发生器（FG）和一个数据接收器（DAQ）的PXI平台上。

FG模拟信号输出6bit，±12V输出，100MHz最大发生频率和256MB的记忆空间。

DAQ有8个14bits的同步模拟输入，±10V输入电压和每个频道2.5KHz最大同时采样率。

图9

电源部分由一个功率放大器（PA）和一个电梯自耦变压器（EAT）。

被使用的功率放大器是Kepco15-20M，输出电压、电流峰值±15V，±20A；作为电压放大器，它的单位增益频率带宽DC-300KHz。

电梯自耦变压器KepcoATB15-200有以下特征：

输入电压峰值±15V，输出电压峰值±360V，输出功率200W。

此外AMS包含一个精确度0.01%的电阻分离器作为参考传感器。

凭借FG，产生了±12V的期望波形；PA用作前置放大器来供给足够的功率驱动EAT。

EAT输出电压波形峰峰值±360V。

EAT输出由RT,RVT转换，他们的输出由DAQ以生成信号的整数倍频率的采样频率同时采样。

测量软件在一个C程序环境LabWindows/CVI做出，测量仪器由国际仪器分配。

第一个测试用来检验AMS的控制部分。

生成10V峰值频率在10-100000Hz的正弦曲线。

图10表现了AMS的比率误差和相位差，公式1,2的评估在下一个部分做解释。

幅度和相位的最大差异比之前低了，分别是15p.p.m.和1mrad。

图10

5.2比率误差和相位差

RVT的第一组测试为了表征它的比率误差和相位差。

生成一个正弦波：

幅值保持230V恒定，频率50Hz，对数间隔选10-100000Hz。

每个测试重复10次。

每一个测试都测量比率误差和相位差，分别在1,2.19提供了它们的定义，为了记录基频以外的频率点。

（1）中，

和

分别是RVT和RT的额定比率；

和

分别是r.m.s.RVT和RT在输入电压频率为Fk的输出电压。

（2）中

和

是RVT和RT输出的基础成分的相角。

图11表现了RVT在精确范围的比率误差。

这个范围是由

获得，

是评估10个反复试验的标准误差。

能看出直到±0.07%间距在9kHz精确范围，±0.1%间距在100kHz精确范围比2要好。

与图11相似，图12展现了RVT精确范围内的相位差。

能够看出相位差大概是-40mrad在9kHz及其以下，在100kHz是-300mrad。

从第一组RVT测试结果看出，表现是好于【2】的。

图11

图12

5.3线性和失真测试

第二组测试为了表征RVT的线性和失真。

在第一个测试，已验证了静态线性。

在RVT的隔离端输入级加上±5V幅值1Hz的斜坡电压，满量程是±5V，因此不包括输入级。

RVT的输出的线性设备生效了，在图13以百分比的形式表现了RVT输入的均方根误差（RMSE）。

可以看出RMSE是0.06%。

在第二个测试，证实了动态线性。

生成一个正线波形：

选择了在23-230V范围的10个幅值和两个频率50Hz、10kHz。

在所有的测试中，传感器的输出r.m.s.被计算并相乘；所以产生了线性效应。

图14.a和图14.b一百分比的形式表现了线性设备的RMSE，RVT的输入规范化为230V分别在50Hz和10kHz。

最大RMSE是0.003%在F.S范围。

图13

图14

在第三第四组测试证实了RVT的失真。

生成一个正弦波：

在第三次，幅值保持在230V频率在30-100000Hz变化；在第四次，幅值在23-230V变化，频率选择两个，50Hz和10kHz。

在所有的测试都评估了RVT输出的总谐波失真（THD）：

在第三组中测出了一百个成分，第四组中测出了一千个成分。

图15表现了频率的THD；图16.a和16.b表现了RVT输入幅值标准化为230V。

最大THD是0.08%；无论如何，在典型的运行环境下，工频50Hz和幅值230V，它的值在0.04%以下。

图15

图16

5.4在失真运行环境下的测试

在这最后一组测试评估了RVT在失真运行环境下的表现。

在第一组测试中使用了一个从IEEE标准中选取的非线性失真电压波形。

基础频率是50Hz，r.m.s.基础成分是230V。

相对的谐振成分振幅和相角在表1详细的写出了。

第二第三组测试，使用了取自【21】的波形，特别是，第二个测试是为了确认RVT在低于工频情况下的效果：

因此使用了表现间谐波电压波形。

基础频率50Hz，r.m.s.基础成分230V。

两间谐波成分加入了基础部分：

它们频率分别是5,25Hz，振幅5%基础波，0相位。

第三个测试为了确认RVT在高于工频电压下的表现。

因此使用了表现了高阶谐振的电压波形。

基础频率50Hz，r.m.s.基础成分230V。

在基础波中加入了五个谐波成分：

它们的参数在表2。

图表1

图表2

表17.a,18.a,19.a表现了以上测试的RVT输入和输出，输入取最大振幅，输出乘以额定比率。

图17.b,18.b19.b表现了以上三图中曲线的不同之处。

以上测试中b中描述的r.m.s.误差曲线分别是a中描述的曲线的0.20%，0.22%，1.2%。

值得注意的是这些参数包含了rvt的比率误差和相位差的效果。

图17

图18

图19

从这几组测试中的第一个测试可清晰的看出RVT在典型的电力系统中有非常优异的表现。

不管怎样，即使在极端情况下，很严重的畸形波形，也能从测试3中看出它有很好的表现。

6.总结

在这篇文章中提出了线性光隔离电压传感器。

它实现了电压传感器在电力系统运用中表现优异。

这个思想在设计和执行中以低成本光学隔离电压传感器被运用。

原型的尺寸规格是8x8x4cm3，它的花费是30€。

展现了几个测试来表征传感器的运行：

比率误差，相位差和THD分别低于0.1%,300mrad,100kKz情况下的0.08%；非线性误差低于0.06%。

此外，还进行了在扭曲环境下的运行测试：

即使在极端环境下，严重的扭曲波形，传感器仍有优秀表现。

传感器的成品的优异表现和低廉成本实现了线性化的思想。