三相交流電電流、電壓、頻率轉換器的設計

摘 要：在三相交流電路中，往往需要檢測三相相電流、線電流和頻率的變化，監控線路電壓的波動，控制升溫、降溫、振動大小等，另外，還需要經常了解三相負載的本身工作正常與否，從而做到實時調整。文章設計了一種實用的電壓/電流（V/I）、電流/電流（I/I）和頻率/電流（F/I）轉換器，將傳感器測量的電壓、電流和頻率信號轉換為電流信號以適應遠距離檢測的需要，實驗結果表明三種轉換電路均能滿足設計指標。

關鍵詞：三相交流電；變送器；標準電流輸出

Abstract：In the three-phase alternating current，it is always necessary to detect the changes of three phase current linear current and frequency、monitor the volatility of line voltage and controll the temperature rise and fall、the speed of evaporation and the scale of vibrating etc.On the other hand ，we should constantly know that whether the three phase load itself is working normally ，so that we can modulate it timely.Having designed a kind of V/I 、I/I 、F/I converters，we can cater to the need of distant detection.The experimentation has improved ，the three transfer circuits all content to the indexes of design.

Key words：the three-phase alternating current； transmitter； the output of standardized current

引言

工業上對于三相交流電的測試一般在現場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上，兩者之間可能相距數十至數百米，測試結果若以電壓等形式傳輸，會出現信號減弱、失真等現象，從而導致測試結果的不準確。若以電流形式傳輸則不會有衰減，適宜于遠距離傳輸。兩線制變送的突出優點是現場變送器和控制室的儀表之間的聯系僅僅使用兩根導線，這兩根導線既是供給變送器工作的電源線，又是信號輸出線。傳輸信號的下限為4mA，不與機械零點重合，不但可充分利用晶體管電路的線性段，而且容易識別斷電、斷線等故障。傳輸信號的上限為20mA，比0～10mA輸出方式大一倍，有利于提高信號輸送效力和信號的分辨能力。

根據需求設計了一種轉換器，可以實現將不同傳感器采集的三相交流電的不同物理參數轉換為4～20mA的標準變送輸出，并且保證轉換精度≤2%，以便于后續的測試工作。轉換的物理參數包括利用基于DVL系列傳感器的信號處理模塊采集的三相交流電的電壓信號，利用基于DHR系列傳感器的信號處理模塊所采集的三相交流電的電流信號以及利用光耦傳感器和PIC18F97J60單片機接口電路將采集的頻率信號轉換成的計數脈沖信號[1]。

文章所設計的電路是可以實現0～2.5V電壓、0～125mA以及0～1KHz轉化為4～20mA標準變送輸出，系統結構框圖如圖1所示。

1 轉換器的電路設計

V/I 轉換器是一種可以實現將輸入的電壓信號轉換為電流信號輸出的電路。圖2是兩線制V/I變換電路的基本原理圖，轉換電路由OP1、Q1、R1、R2、Rs構成。若A點由于某種原因高于0V，則運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大。相當于整體耗電變大，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點電壓變低（負更多）。結果是通過R2將A點電壓拉下來。反之，若A點因某種原因低于0V，也會被負反饋升高到0V。以上是負反饋過程，負反饋的結果是運放OP1虛短，A點電壓=0V。

電路正常工作需要2個條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流要供給調理電路以及變送器。其次要求運放器件能夠單電源工作，即在沒有負電源情況下，輸入端仍能夠接受0V輸入，并能正常工作。單電源供電時，輸入端從-0.3V～1.5V范圍內都能正常工作。R5和U1構成基準源，產生2.5V穩定的基準電壓。

1.1 電壓/電流轉換電路設計

利用萊姆電子的DVL系列傳感器所采集的三相交流電的0～2.5V直流電壓信號，輸入轉換電路實現4～20mA的交流電輸出。電壓/電流[2]的轉換即是將電壓信號轉換為隨輸入電壓變化的電流信號，在一定的負載變化范圍內要求輸出電流能夠保持穩定（不隨負載變化）具有這一特性的V/I轉換原理圖如圖3所示，下面是對設計電路的介紹。

圖3所示仿真電路中主要是由五個LT1078IN8運算放大器、一個BSS79B三極管以及其他輔助元件構成。電路中U3A運放電路實質上是一個檢波電路，其輸出端接入一個二極管實現對輸入信號的檢波作用，當輸入信號為正弦信號時，其輸出信號相當于加了絕對值的正弦信號，不存在負半軸信號。第二個運算電路U4A是跟隨器[3]，該電路作為緩沖級和隔離級，電壓放大器U3A輸出阻抗較高，后級輸入阻抗比較小，信號會相當部分損耗在前級的輸出電阻，電壓跟隨器進行緩沖，起到承上啟下作用使電路性能得到進一步優化。假設從跟隨電路輸出端的電壓值為Vin，則U2A運算放大器正向輸入端信號為V1，該電路公式推導如下：

V1=■V （1）

■=■ （2）

V5-V6=Iout*R13（3）

由公式2得公式4

V2-V3=V3-V5=V3-2V3-Iout*R13 （4）

將公式1、公式3帶入公式4得公式5

Iout=■A （5）

由公式5可以看出，當輸入的電壓信號為0V時，則輸出的電流信號為4mA，而當輸入的電壓信號為2.5V其電路輸出電流為20mA。

該電路的仿真結果如圖4所示。當轉換電路輸入的電壓為零時，輸出電流為4.073mA；當輸入電壓為2.5V，輸出電流為19.575mA。由此可見，該電路通過仿真可以滿足設計要求，即輸入信號為0～2.5V電壓信號，輸出信號為4～20mA的標準交流電信號。

（a）輸入0V時的輸出電流

1.2 電流/電流轉換電路設計

利用萊姆電子DHR系列傳感器所采集的三相交流電的0～125mA電流信號，輸入轉換電路轉換成4～20mA的交流電輸出。電流/電流[4]的轉換功能通過圖3所示的轉換電路實現，讓電壓源并聯電阻接入電路中從而模擬出電流源的電流輸入，通過電路仿真以及實際電路的調試，可以實現輸入電流為0～125mA，電路的輸出信號為4～20mA的標準交流電信號。

1.3 頻率/電流轉換電路的設計

檢測三相交流電的頻率是否正常，利用光耦傳感器[5]和單片機接口電路將三相交流電的頻率信號轉換成的計數脈沖信號，輸入轉換電路轉換成4～20mA的交流電。利用圖3電路，輸入電壓是通過利用單片機接口電路將輸入的頻率信號轉換成脈沖信號進行數模轉換成電壓信號作為電路輸入信號，即實現了輸入信號為0～1KHz的頻率信號轉化為0～2.5V的電壓輸入到所設計的轉換電路中，最終實現電路的輸出信號為4～20mA的標準交流電信號。

2 實驗

對實際電路進行調試，在電路的輸入端分別是電壓、電流以及頻率的情況下，觀察輸出端電流表示數并記錄在表格中。

表1為圖3電路的電壓/電流實驗結果，由表1可以看出，當輸入交流電壓信號在0～2.5V之間時可以實現輸出電流為4～20mA的標準電流，其轉換精度為1.89%。

表2為圖3電路的電流/電流實驗結果，根據試驗結果來看，可以實現電流值0～125mA轉化為4～20mA的標準電流輸出，其轉換精度為1.68%。

表3為圖3電路的頻率/電流實驗結果，通過觀察實驗現象，利用單片機可以將0～1KHz的頻率信號轉化為0～2.5V的電壓輸入到電路中，最終實現4～20mA的交流電信號輸出，其轉換精度為1.2%。

3 結束語

隨著電力系統的快速發展，電網容量不斷增加，結構日趨復雜，電力部門對電網運行的穩定和供電品質要求也越來越高。因此，電力系統中需要實時采集電參量，以便實現電網的遠程監控和調度的自動化。而電力參數如電壓、電流和頻率等數據采集和變送又是實現自動化的重要環節。文章設計了一種實用的電壓/電流（V/I）、電流/電流（I/I）和頻率/電流（F/I）轉換器，實現三相交流電的電壓、電流和三相頻率等電參數的4-20mA的標準變送輸出，以便于后續的傳輸及測試。

參考文獻

[1]廖紅梅.傳感器中的電壓/電流、電壓/頻率變換的實現[J].煤炭工程，2003（9）：46-47.

[2]蔡錦福.運算放大器原理與應用[M].北京：科學出版社，2005.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].高等教育出版社，2006.

[4]楊振江.新穎實用電子設計與制作[M].西安電子科大出版社，2000.

[5]陳兆仁.電子技術基礎實驗研究與設計[M].北京：電子工業出版社，2000.

作者簡介：王元祖（1993，4-），男，河南開封，本科，大三本科在讀儀器科學與光電工程學院，光信息科學與技術專業，合肥工業大學屯溪路校區本科生宿舍樓10號南樓505，合肥工業大學211級別。

朱懷謙（1985，4-），男，漢族，安徽宿州人，本科，助教，研究方向：高校思想政治教育與文化傳播。