專利名稱：一種功角測量裝置輸入信號濾波整形電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統實時動態(tài)監(jiān)測領域，更具體地涉及一種功角測量裝置輸入信 號濾波整形電路。
背景技術：
發(fā)電機是電力系統最主要的部件之一，而功角是發(fā)電機內部能量轉換的一個重要 參數，同時也是發(fā)電機穩(wěn)定工作的一個重要標志量。功角指發(fā)電機的內電勢與機端電壓之 間的夾角，目前最優(yōu)化的功角測量方法是直接測量法，這種方法直接測量發(fā)電機轉子的空 間位置，再利用機端電壓測量出發(fā)電機的功角。在直接測量法中鍵相信號和機端電壓信號 是必不可少的，這兩個信號的質量對功角測量精度至關重要，而決定這兩個信號質量的則 是功角測量裝置中對這兩個信號進行處理的前端模擬電路。傳統的功角測量裝置前端模擬 電路較為簡單，對輸入信號的隔離和波形整形等操作不夠完善，從而影響了測量精度。中國專利申請01278161. 4公開了一種同步發(fā)電機、電動機功角測量裝置，由齒、 傳感器、隔離放大電路、采樣保持與A/D轉換器、數字信號處理器、顯示器、鍵盤和通訊接口 組成，齒安裝在同步電機的旋轉部分，傳感器安裝在同步電機的靜止部分，當齒隨電機轉子 旋轉時，在傳感器中產生齒脈沖Up，通過放大整形、A/D轉換、數字采樣和信號處理，比較齒 脈沖與電機端電壓Ug和系統電壓化的相位差，實現同步電機功角的實時測量，可應用于同 步電機的運行監(jiān)控和故障錄波。上述發(fā)明中針對輸入的鍵相信號和機端電壓信號并沒有設計相應硬件電路進行 有效處理，導致輸入到數字采樣和信號處理模塊中的信號可能出現毛刺或振鈴等缺陷，影 響測量精度。本發(fā)明相對于上述專利的優(yōu)點是對輸入的鍵相信號和機端電壓信號進行了 精確的濾波整形處理后產生優(yōu)質的鍵相脈沖和機端電壓脈沖，再送入中央處理模塊進行運 算處理，從而有效提高裝置的功角測量精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術的不足，提供了一種功角測量裝置輸入信號濾波整形電路。 本發(fā)明通過完善的濾波電路對輸入的鍵相信號和機端電壓信號濾波，利用光電耦合器抑制 系統噪聲并最終經過合適的遲滯型電壓比較器產生高精度的方波鍵相脈沖和機端電壓脈 沖。本發(fā)明通過以下技術方案實現本發(fā)明包括鍵相信號處理電路和機端電壓信號處理電路。其中，鍵相信號處理電路包括鍵相信號濾波電路和鍵相信號整形電路，中間通過 光電耦合器隔離。1)鍵相信號濾波電路包括兩個運算放大器(Ul和U2)、兩個二極管(Dl和D2)、五 個電阻(R1、R2、R3、R4、R5)、一個電感(Li)和一個電容(Cl)。其中，第一電阻的一端接輸 入鍵相信號，第一電阻的另一端、第二電阻的一端、第一電感的一端分別兩兩相連，第一電感的一端、第一二極管的負端、第一運算放大器的正向輸入端分別兩兩相連，第二電阻的另 一端、第一二極管的正端接+24V電源對應的地，第一運算放大器的反向輸入端、第一運算 放大器的輸出端、第三電阻的一端分別兩兩相連，第三電阻的另一端、第二二極管的負端、 第四電阻的一端、第二運算放大器的正向輸入端分別兩兩相連，第二二極管的正端、第四電 阻的另一端、第一電容的一端、第二運算放大器的反向輸入端分別兩兩相連，第一電容的另 一端接+24V電源對應的地，第二運算放大器的輸出端與第五電阻的一端相連，第五電阻的 另一端與第一光電耦合器(U； )的1腳相連。2)第一光電耦合器(U3)對前后電路進行隔離。第一光電耦合器的1腳與鍵相信 號濾波電路輸出信號相連，2腳與前端+24V電路的地相連，4腳與數字地相連，5腳與后端鍵 相信號整形電路相連。3)鍵相信號整形電路包括一個電壓比較器(U4)、六個電阻(R6、R7、R8、R9、R10、 Rll)、兩個電容(C2、C3)。第六電阻的一端、第一電壓比較器的反向輸入端、第一光電耦合 器的5腳兩兩相連，第一電壓比較器的正向輸入端、第十電阻的一端、第十一電阻的一端兩 兩相連，第八電阻的一端、第九電阻的一端、第十電阻的另一端、第二電容的一端兩兩相連， 第一電壓比較器的輸出端、第七電阻的一端、第十一電阻的另一端兩兩相連，第六電阻的另 一端、第七電阻的另一端、第三電容的一端、第八電阻的另一端接+3. 3V電源，第三電容的 另一端、第九電阻的另一端、第二電容的另一端接數字地。機端電壓信號處理電路包括機端電壓變壓電路、濾波放大電路、光電耦合器和機 端電壓整形電路。1)機端電壓變壓電路包括兩個電感(L2和L3)、一個電壓互感器(PTl)。其中， 第二電感的一端和第三電感的一端分別接機端電壓的兩路輸入，互感器的2腳與第二電感 的另一端相連，互感器的3腳與第三電感的另一端相連，互感器的1腳接交流電地線，互感 器的4腳和6腳為輸出信號與后端的濾波、放大電路連接。2)機端電壓濾波、放大電路包括一個運算放大器(TO)、三個電容(C4、C5和C6)、 四個電阻(R12、R13、R14和R15)、一個電感(L4)、一個二極管(D3)。其中，第四電容的一 端、第四電感的一端與電壓互感器的正輸出端相連，第四電感的另一端、第三二極管的負 端、第五電容的一端、第十二電阻的一端兩兩相連，電壓互感器的負輸出端、第四電容的另 一端、第三二極管的正端、第五電容的另一端、第六電容的一端、第十四電阻的一端接模擬 地，第十二電阻的另一端與第五運算放大器的正輸入端相連，第五運算放大器的負輸入端、 第十四電阻的另一端、第十三電阻的一端兩兩相連，第十三電阻的另一端、第十五電阻的一 端、第五運算放大器的輸出端兩兩相連，第十五電阻的另一端與后面的光電耦合器相連，第 六電容的另一端接+5V電源。3)第二光電耦合器(U6)對前后電路進行隔離。第二光電耦合器的1腳與濾波、放 大電路輸出信號相連，2腳與模擬地相連，5腳與機端電壓整形電路相連，4腳接數字地。4)機端電壓整形電路包括一個電壓比較器(U7)、四個電阻(R16、R17、R18、R19)、 一個電容(C7)、一個電位器(VRl)。其中，R16的一端、第二電壓比較器的反向輸入端、第 二光電耦合器的5腳兩兩相連，第二電壓比較器的正向輸入端、第十八電阻的一端、第十九 電阻的一端兩兩相連，第十八電阻的另一端與第一電位器的二腳相連，第一電位器的一腳 和三腳分別接+3. 3V電源和數字地，第二電壓比較器的輸出端、第十七電阻的一端、第十九電阻的另一端兩兩相連，第七電容的一端、第十六電阻的另一端、第十七電阻的另一端連 +3. 3V電源，第七電容的另一端接數字地。本發(fā)明根據差動放大、信號隔離、遲滯型電壓比較器和濾波原理，實現發(fā)電機鍵相 信號和機端電壓信號的濾波和整形操作，該發(fā)明電路結構完整、易于調試、通過信號隔離有 效降低系統噪聲、利用遲滯型電壓比較器產生非常標準的方波脈沖，從而有效提高功角測 量裝置的測量精度。本發(fā)明的有益效果是1、完善的濾波電路。本發(fā)明通過完善的濾波電路在信號光電隔離之前就有效的削 除了鍵相信號和機端電壓的負電壓信號，并去掉信號的直流偏置，為后續(xù)波形整形做好準 備。2、有效的信號隔離策略。本發(fā)明兩個信號處理電路均采用了光電耦合器進行隔 離，光電耦合器開關時間快、響應時間短，而且具有很好的抗干擾性能和隔離性能，能夠有 效抑制接地回路噪聲，使輸入端和輸出端在電氣上完全隔離。3、合適的波形整形電路。本發(fā)明最終需要產生標準的方波脈沖，針對鍵相信號和 機端電壓信號分別采用了適合的遲滯型電壓比較器對光電耦合器隔離后的脈沖信號進行 整形，達到很好的效果。


下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明鍵相信號處理電路原理圖。圖2是本發(fā)明機端電壓信號處理電路原理圖。圖3示出了鍵相信號整形電路的輸入信號。圖4示出了鍵相信號整形電路的輸出信號。
具體實施例方式本發(fā)明主要是提供一種功角測量裝置中針對輸入信號的濾波整形電路。測量功角 時有兩個信號是必須的鍵相信號和機端電壓信號。這兩個信號進入功角測量裝置首先要 經過前端模擬電路，附圖1為鍵相信號電路，由鍵相信號濾波電路、光耦合器和鍵相信號整 形電路組成。其中，鍵相信號濾波電路包括電壓跟隨電路和去直流偏置電路；鍵相信號整 形電路是一個遲滯形電壓比較器。鍵相信號濾波電路對鍵相信號進行濾波，保留信號的正 電壓部分并削除負電壓部分，濾波后的信號進入光電耦合器進行信號隔離，隔離后的信號 經過整形電路后產生所需的標準方波鍵相脈沖。附圖2為機端電壓電路，由機端電壓變壓 電路、濾波放大電路、光電耦合器以及整形電路組成。其中，變壓電路由一個電壓互感器構 成；濾波、放大電路包括低通濾波電路和差動放大電路；整形電路是一個遲滯型電壓比較 器。機端電壓信號首先經過電壓互感器進行降壓之后進入濾波電路，濾波電路削除信號的 負電壓部分保留正電壓部分，經過放大電路放大后的信號進入光電耦合器進行信號隔離， 信號隔離后通過遲滯型電壓比較器進行波形整形，最終產生標準的方波機端電壓脈沖。下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例本發(fā)明包括鍵相信號處理電路(附圖1)和機端電壓信號處理電路(附圖 2)。其中，鍵相信號處理電路包括鍵相信號濾波電路1、光電耦合器2、鍵相信號整形電路 3 ；機端電壓處理電路包括機端電壓變壓電路4、濾波放大電路5、光電耦合器6、機端電壓 整形電路7。1)其中鍵相濾波電路1包括兩個運算放大器(Ul和U2)、兩個二極管(Dl和D2)、 五個電阻(RU R2、R3、R4、R5)、一個電感(Li)和一個電容(Cl)。鍵相信號PULSEl進入鍵 相信號濾波電路1后首先經過電阻(Rl和R2)和電感(Li)組成的低通濾波電路濾除高頻 噪聲，再利用二極管Dl的正向導通、反向截止特性削除鍵相信號波形中的負電壓部分。然 后信號進入由運算放大器(Ul)構成的電壓跟隨器，其作用是對信號隔離，使信號在保持電 壓不變的情況下提高驅動能力。經過電壓跟隨器后的信號分為兩路，一路直接進入差動運 算放大器(U2)正向輸入端，另一路通過電阻(R4)對電容Cl進行充電，由于二極管(D2)的 存在充電一段時間后電容Cl端的電壓會保持穩(wěn)定，這個電壓就是該信號的直流偏置電壓， 根據差動運算放大器輸出信號與正向、反向輸入信號的電壓關系，U2輸出信號的直流偏置 將被消除。2)光電耦合器(TO)對輸入端和輸出端的信號進行電氣隔離，光電耦合器是一種 “光-電-光”轉換的器件，光是傳輸媒介，輸入端和輸出端在電氣上是絕緣的。光電耦合器 具有很好的抗干擾性能和隔離性能，能夠有效抑制接地回路噪聲，而且開關速度快、響應時 間短，能夠很好的減少信號延遲。3)鍵相信號整形電路包括一個電壓比較器(U4)、六個電阻(R6、R7、R8、R9、R10、 Rll)、兩個電容(C2、C3)。經過光電耦合器隔離后的信號輸入到電壓比較器(U4)的反向輸 入端，電壓比較器(U4)的正向輸入端接入一個直流電壓作為參考，同時引入輸出端的反饋 信號，從而構造了一個非常合適的遲滯型電壓比較器。鍵相信號整形電路的輸入信號如附 圖3，輸出信號(如附圖4)則變?yōu)闃藴实姆讲ㄐ盘枺仙睾拖陆笛貢r間均不超過200ns。4)機端電壓變壓電路包括兩個電感(L2和L3)、一個電壓互感器(PTl)，電壓互 感器將輸入的機端電壓信號降壓后穩(wěn)定輸出在4V左右。5)濾波放大電路包括一個運算放大器(TO)、三個電容(C4、C5、C6)、一個電感 (L4)、一個二極管(D3)、四個電阻(R12、R13、R14、R15)。電壓互感器(PTl)的輸出信號首 先經過由C4、L4組成的濾波器，然后利用二極管(D!3)的正向導通、反向截止特性削除濾波 后信號的負電壓部分，再利用后面的運算放大器(U5)與電阻R13、R14、R15共同組成的放大 電路將信號強度放大三倍。6)光電耦合器(U6)對放大后的信號進行電氣隔離。7)機端電壓整形電路包括一個電壓比較器(U7)、四個電阻(R16、R17、R18、R19)、 一個電位器(VRl)、一個電容(C7)。光電耦合器(U6)隔離后的信號送入電壓比較器(U7) 的反向輸入端，通過電位器VRl調節(jié)R18 —端的電壓，與電壓比較器輸出端反饋回的信號共 同組成了正向輸入端的參考電壓，這就組成了適合于機端電壓信號的遲滯型電壓比較器， 整形電路的輸出信號將是機端電壓對應的標準方波脈沖，脈沖的上升沿和下降沿時間均不 超過200ns。本實例中的參數具體為第一運算放大器U1、第三運算放大器TO為LM258 ’第7二運算放大器U2為差動運算放大器INA148 ；第一電壓比較器U4、第二電壓比較器U7 為LM393 ；第一光電耦合器U3、第二光電耦合器TO為TIL117 ；第一電壓互感器PTl為 SPT504F4;第一電阻R1、第二電阻R2的阻值為300K歐姆；第三電阻R3、第七電阻R7、第九電 阻R9、第十二電阻R12、第十四電阻R14、第十七電阻R17的阻值為5. IK歐姆；第四電阻R4、 第i^一電阻R11、第十九電阻R19的阻值為200K歐姆；第五電阻R5、第六電阻R6、第十六電 阻R16的阻值為430歐姆；第八電阻R8的阻值為20K歐姆；第十電阻R10、第十八電阻R18 的阻值為I歐姆；第十三電阻R13的阻值為IOK歐姆；第十五電阻R15的阻值為IK ；第一電 位器VRl的阻值為4. 7K歐姆；第一電容Cl的容值為IOuF ；第二電容C2的容值為0. OluF ； 第三電容C3、第四電容C4、第六電容C6、第七電容C7的容值為0. IuF ；第五電容C5的容值 為2. 2uF ；第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3為1N4148。
此處已經根據特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領域的技術人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權利要求定義。
權利要求
1. 一種功角測量裝置輸入信號濾波整形電路，包括鍵相信號處理電路和機端電壓信號 處理電路，其特征在于能夠對輸入的鍵相信號和機端電壓信號進行有效的隔離和濾波整形 操作；所述鍵相信號處理電路包括鍵相信號濾波電路、光電耦合器和鍵相信號整形電路；1)鍵相信號濾波電路包括兩個運算放大器Ul和U2、兩個二極管Dl和D2、五個電阻 RU R2、R3、R4和R5、第一電感Ll和第一電容Cl ；其中，第一電阻Rl的一端接輸入鍵相信 號，第一電阻Rl的另一端、第二電阻R2的一端、第一電感Ll的一端分別兩兩相連，第一電 感Ll的一端、第一二極管Dl的負端、第一運算放大器Ul的正向輸入端分別兩兩相連，第二 電阻R2的另一端、第一二極管Dl的正端接+24V電源對應的地，第一運算放大器Ul的反向 輸入端、第一運算放大器的輸出端、第三電阻R3的一端分別兩兩相連，第三電阻R3的另一 端、第二二極管D2的負端、第四電阻R4的一端、第二運算放大器U2的正向輸入端分別兩兩 相連，第二二極管D2的正端、第四電阻R4的另一端、第一電容Cl的一端、第二運算放大器 U2的反向輸入端分別兩兩相連，第一電容Cl的另一端接+24V電源對應的地，第二運算放大 器U2的輸出端與第五電阻R5的一端相連，第五電阻R5的另一端與第一光電耦合器U3的 1腳相連，其中第一光電耦合器U3采用TIL117 ；2)第一光電耦合器U3對前后電路進行隔離，第一光電耦合器的1腳與鍵相信號濾波電 路輸出信號相連，2腳與前端+24V電路的地相連，4腳與數字地相連，5腳與后端鍵相信號整 形電路相連；3)所述鍵相信號整形電路包括第一電壓比較器U4、六個電阻R6、R7、R8、R9、RlO和 R11，兩個電容C2和C3，第六電阻R6的一端、第一電壓比較器U4的反向輸入端、第一光電耦 合器U3的5腳兩兩相連，第一電壓比較器U4的正向輸入端、第十電阻RlO的一端、第十一電 阻Rll的一端兩兩相連，第八電阻R8的一端、第九電阻R9的一端、第十電阻RlO的另一端、 第二電容C2的一端兩兩相連，第一電壓比較器U4的輸出端、第七電阻R7的一端、第十一電 阻Rll的另一端兩兩相連，第六電阻R6的另一端、第七電阻R7的另一端、第三電容C3的一 端、第八電阻R8的另一端接+3. 3V電源，第三電容C3的另一端、第九電阻R9的另一端、第 二電容C2的另一端接數字地；所述機端電壓信號處理電路包括機端電壓變壓電路、機端電壓濾波放大電路、光電耦 合器和機端電壓整形電路；1)機端電壓變壓電路包括兩個電感L2和L3，第一電壓互感器PTl，其中第一電壓互 感器PTl采用SPT504F4。第二電感L2的一端和第三電感L3的一端分別接機端電壓的兩 路輸入，第一電壓互感器PTl的2腳與第二電感的另一端相連，第一電壓互感器PTl的3腳 與第三電感L3的另一端相連，第一電壓互感器PTl的1腳接交流電地線，第一電壓互感器 PTl的4腳和6腳為輸出信號與后端的濾波、放大電路連接；2)機端電壓濾波放大電路包括第三運算放大器TO、三個電容C4、C5和C6、四個電阻 R12、R13、R14和R15、第四電感L4、第三二極管D3 ；其中，第四電容C4的一端、第四電感L4 的一端與電壓互感器的正輸出端相連，第四電感L4的另一端、第三二極管D3的負端、第五 電容C5的一端、第十二電阻R12的一端兩兩相連，第一電壓互感器PTl的負輸出端、第四電 容C4的另一端、第三二極管D3的正端、第五電容C5的另一端、第六電容C6的一端、第十四 電阻R14的一端接模擬地，第十二電阻R12的另一端與第三運算放大器TO的正輸入端相連，第三運算放大器U5的負輸入端、第十四電阻R14的另一端、第十三電阻R13的一端兩兩 相連，第十三電阻R13的另一端、第十五電阻R15的一端、第三運算放大器TO的輸出端兩兩 相連，第十五電阻R15的另一端與后面的光電耦合器相連，第六電容C6的另一端接+5V電源。3)第二光電耦合器U6對前后電路進行隔離，第二光電耦合器U6的1腳與濾波、放大電 路輸出信號相連，第二光電耦合器U6的2腳與模擬地相連，第二光電耦合器TO的5腳與機 端電壓整形電路相連，第二光電耦合器U6的4腳接數字地；4)所述機端電壓整形電路包括第二電壓比較器U7、四個電阻R16、R17、R18和R19、第 七電容C7和第一電位器VRl ；其中，第十六電阻R16的一端、第二電壓比較器U7的反向輸 入端、第二光電耦合器的U6的5腳兩兩相連，第二電壓比較器U7的正向輸入端、第十八電 阻R18的一端、第十九電阻R19的一端兩兩相連，第十八電阻R18的另一端與第一電位器的 二腳相連，第一電位器的一腳和三腳分別接+3. 3V電源和數字地，第二電壓比較器U7的輸 出端、第十七電阻R17的一端、第十九電阻R19的另一端兩兩相連，第七電容C7的一端、第 十六電阻R16的另一端、第十七電阻R17的另一端連+3. 3V電源，第七電容C7的另一端接 數字地。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種功角測量裝置輸入信號濾波整形電路。本發(fā)明通過完善的濾波電路對輸入的鍵相信號和機端電壓信號濾波，利用光電耦合器抑制系統噪聲并最終經過合適的遲滯型電壓比較器產生高精度的方波鍵相脈沖和機端電壓脈沖。
文檔編號H03K5/1252GK102055441SQ201010512390
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權日2010年10月12日
發(fā)明者呂大偉, 王俊永, 許勇 申請人:中國電力科學研究院, 中電普瑞科技有限公司