全文摘要
一种交流电压直流分量检测电路，属于逆变器领域，包括依次电连接的低通滤波电路、电压跟随电路和信号调理及放大电路；低通滤波电路用于对交流电压信号中直流偏置电压进行提取；电压跟随电路用于直流偏置电压的信号阻抗匹配及隔离调理；信号调理及放大电路用于直流偏置电压的信号调理及放大。从电压幅值较大的交流量中提取出幅值较小的直流偏置，利用运算放大器的电压跟随功能，对直流偏置信号进行处理，可有效改善信号进入运算放大器前的阻抗匹配性，等效于对进入跟随器的输入、输出信号进行隔离处理，可有效抑制共模干扰，当逆变器系统由较大的共模骚扰发生时仍然可精准检测直流偏置，为逆变器系统直流分量的抑制提供了必要的条件。
主设计要求
1.一种交流电压直流分量检测电路，其特征在于：包括依次电连接的低通滤波电路、电压跟随电路和信号调理及放大电路；所述低通滤波电路用于对交流电压信号中直流偏置电压进行提取；所述电压跟随电路用于直流偏置电压的信号阻抗匹配及隔离调理；所述信号调理及放大电路用于直流偏置电压的信号调理及放大。
设计方案
1.一种交流电压直流分量检测电路，其特征在于：包括依次电连接的低通滤波电路、电压跟随电路和信号调理及放大电路；所述低通滤波电路用于对交流电压信号中直流偏置电压进行提取；所述电压跟随电路用于直流偏置电压的信号阻抗匹配及隔离调理；所述信号调理及放大电路用于直流偏置电压的信号调理及放大。
2.根据权利要求1所述交流电压直流分量检测电路，其特征在于：所述低通滤波电路包括依次电连接的低通滤波器Ⅰ和低通滤波器Ⅱ；所述低通滤波器Ⅰ包括并联设置的电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>；所述电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>的输出端之间设置有电容C1<\/sub>；所述低通滤波器Ⅱ包括电阻R3<\/sub>、电阻R4<\/sub>、电阻R5<\/sub>和电阻R6<\/sub>；所述电阻R3<\/sub>与电阻R5<\/sub>依次相连接；所述电阻R4<\/sub>与电阻R6<\/sub>依次相连接；所述电阻R3<\/sub>与电阻R4<\/sub>的输出端之间设置有电容C2<\/sub>；所述电阻R1<\/sub>与电阻R3<\/sub>依次相连接；所述电阻R2<\/sub>与电阻R4<\/sub>依次相连接。
3.根据权利要求2所述交流电压直流分量检测电路，其特征在于：所述电压跟随电路包括电阻R7<\/sub>、电阻R8<\/sub>、电阻R9<\/sub>、电阻R10<\/sub>、电容C3<\/sub>、电容C4<\/sub>、运算放大器U1<\/sub>和运算放大器U2<\/sub>；所述电阻R7<\/sub>的输入端与前述电阻R5<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R7<\/sub>的输出端与运算放大器U1<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R9<\/sub>的一端与电阻R7<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；所述电容C3<\/sub>与电阻R9<\/sub>并联设置；所述电阻R8<\/sub>的输入端与前述电阻R6<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R8<\/sub>的输出端与运算放大器U2<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R10<\/sub>的一端与电阻R8<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；所述电容C4<\/sub>与电阻R10<\/sub>并联设置；所述运算放大器U1<\/sub>的反相输入端与输出端相连接；所述运算放大器U2<\/sub>的反相输入端与输出端相连接。
4.根据权利要求3所述交流电压直流分量检测电路，其特征在于：所述信号调理及放大电路包括电阻R11<\/sub>、电阻R12<\/sub>、电阻R13<\/sub>、电阻R14<\/sub>、电阻R15<\/sub>、电容C5<\/sub>、电容C6<\/sub>和运算放大器U3<\/sub>；所述电阻R11<\/sub>的输入端与前述运算放大器U1<\/sub>的输端相连接；所述电阻R11<\/sub>的输出端与运算放大器U3<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R13<\/sub>的一端与电阻R11<\/sub>的输出端相连接，另一端接标准偏置电压；所述电阻R12<\/sub>的输入端与前述运算放大器U2<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R12<\/sub>的输出端与运算放大器U3<\/sub>的反相输入端相连接；所述电阻R14<\/sub>的一端与电阻R12<\/sub>的输出端相连接，另一端与运算放大器U3<\/sub>的输出端相连接；所述电容C5<\/sub>与电阻R14<\/sub>并联设置；所述电阻R15<\/sub>的输入端与运算放大器U3<\/sub>的输出端相连接；所述电容C6<\/sub>的一端与电阻R15<\/sub>的输出端相连接，另一端接地。
5.根据权利要求2或4所述交流电压直流分量检测电路，其特征在于：所述电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>的输出端之间设置有齐纳二极管；所述齐纳二极管与电容C1<\/sub>并联设置。
6.根据权利要求5所述交流电压直流分量检测电路，其特征在于：齐纳二极管包括串联的齐纳二极管D1<\/sub>和齐纳二极管D2<\/sub>；所述齐纳二极管D1<\/sub>和齐纳二极管D2<\/sub>采用共阳极的连接方式设置。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于逆变器领域，尤其涉及一种交流电压直流分量检测电路。
背景技术
逆变器类产品交流输出电压，由于器件、控制等误差，总会含有相当成分的直流量。国家相关标准要求逆变器输出电压直流偏置要求在±100mV以内，现有逆变器产品有关直流分量的抑制，由于受直流分量的检测精度的限制，抑制效果不理想，尤其是逆变器系统在共模干扰较显著的拓扑结构中，直流分量检测电路由于抗共模干扰的能力较弱，精度更加难以保证。
在现有逆变器产品中，直流分量的采集采用传统的方式，即交流电压信号首先经过采用电阻衰减后，进入低通滤波器进行滤波处理，提取出交流信号中的直流偏置，再经运算放大器比例放大后送入DSP或微处理器的A\/D口。该方案缺点是低通滤波器处理后输出的信号，在送入运算放大器处理时易受到逆变器系统共模干扰。DSP等微处理的A\/D口电压较低，在信号采集、调理等环节易受到外界干扰。逆变器是一个进行功率变换的系统，其内部每时每刻都有可能发生较大的di\/dt、du\/dt，因此逆变器系统是一个电磁干扰较为复杂、严重的系统。当系统中开关器件高频工作时，就会有较大的共模骚扰信号产生。传统的直流分量检测电路未考虑共模干扰发生时信号采集的精度，因此直流分量检测及处理就会受到严重的影响。
发明内容
本实用新型旨在解决上述问题，提供一种可精准采集逆变器类产品交流输出电压的直流偏置电压的交流电压直流分量检测电路。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，包括依次电连接的低通滤波电路、电压跟随电路和信号调理及放大电路；所述低通滤波电路用于对交流电压信号中直流偏置电压进行提取；所述电压跟随电路用于直流偏置电压的信号阻抗匹配及隔离调理；所述信号调理及放大电路用于直流偏置电压的信号调理及放大。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，所述低通滤波电路包括依次电连接的低通滤波器Ⅰ和低通滤波器Ⅱ；所述低通滤波器Ⅰ包括并联设置的电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>；所述电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>的输出端之间设置有电容C1<\/sub>；所述低通滤波器Ⅱ包括电阻R3<\/sub>、电阻R4<\/sub>、电阻R5<\/sub>和电阻R6<\/sub>；所述电阻R3<\/sub>与电阻R5<\/sub>依次相连接；所述电阻R4<\/sub>与电阻R6<\/sub>依次相连接；所述电阻R3<\/sub>与电阻R4<\/sub>的输出端之间设置有电容C2<\/sub>；所述电阻R1<\/sub>与电阻R3<\/sub>依次相连接；所述电阻R2<\/sub>与电阻R4<\/sub>依次相连接。电阻R1<\/sub>、电阻R2<\/sub>与电容C1<\/sub>组成对称的低通滤波器Ⅰ，电阻R3<\/sub>、电阻R4<\/sub>与电容C2<\/sub>组成对称的低通滤波器Ⅱ，电阻R5<\/sub>、电阻R6<\/sub>配合后级电路起到对直流偏置电压衰减及阻抗匹配的作用。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，所述电压跟随电路包括电阻R7<\/sub>、电阻R8<\/sub>、电阻R9<\/sub>、电阻R10<\/sub>、电容C3<\/sub>、电容C4<\/sub>、运算放大器U1<\/sub>和运算放大器U2<\/sub>；所述电阻R7<\/sub>的输入端与前述电阻R5<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R7<\/sub>的输出端与运算放大器U1<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R9<\/sub>的一端与电阻R7<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；所述电容C3<\/sub>与电阻R9<\/sub>并联设置；所述电阻R8<\/sub>的输入端与前述电阻R6<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R8<\/sub>的输出端与运算放大器U2<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R10<\/sub>的一端与电阻R8<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；所述电容C4<\/sub>与电阻R10<\/sub>并联设置；所述运算放大器U1<\/sub>的反相输入端与输出端相连接；所述运算放大器U2<\/sub>的反相输入端与输出端相连接。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，所述信号调理及放大电路包括电阻R11<\/sub>、电阻R12<\/sub>、电阻R13<\/sub>、电阻R14<\/sub>、电阻R15<\/sub>、电容C5<\/sub>、电容C6<\/sub>和运算放大器U3<\/sub>；所述电阻R11<\/sub>的输入端与前述运算放大器U1<\/sub>的输端相连接；所述电阻R11<\/sub>的输出端与运算放大器U3<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R13<\/sub>的一端与电阻R11<\/sub>的输出端相连接，另一端接标准偏置电压；所述电阻R12<\/sub>的输入端与前述运算放大器U2<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R12<\/sub>的输出端与运算放大器U3<\/sub>的反相输入端相连接；所述电阻R14<\/sub>的一端与电阻R12<\/sub>的输出端相连接，另一端与运算放大器U3<\/sub>的输出端相连接；所述电容C5<\/sub>与电阻R14<\/sub>并联设置；所述电阻R15<\/sub>的输入端与运算放大器U3<\/sub>的输出端相连接；所述电容C6<\/sub>的一端与电阻R15<\/sub>的输出端相连接，另一端接地。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，所述电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>的输出端之间设置有齐纳二极管；所述齐纳二极管与电容C1<\/sub>并联设置。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，齐纳二极管包括串联的齐纳二极管D1<\/sub>和齐纳二极管D2<\/sub>；所述齐纳二极管D1<\/sub>和齐纳二极管D2<\/sub>采用共阳极的连接方式设置，即齐纳二极管D1<\/sub>的阳极与齐纳二极管D2<\/sub>的阳极相连接，齐纳二极管D1<\/sub>和齐纳二极管D2<\/sub>的阴极分别与电容C1<\/sub>的两端相连接；当直流偏置电压为正时，即L端输入电压高于N端输入电压，D2<\/sub>正向导通，为保护进入电压跟随器的电压不至于过高，D1<\/sub>起到钳位该电压的作用；当直流偏置电压为负时，即L端输入电压低于N端输入电压，D1<\/sub>正向导通，D2<\/sub>对此偏置电压进行钳位。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，可精准采集逆变器类产品交流输出电压的直流偏置电压，交流电压直流分量检测电路根据共模干扰源发生的机理，从根本上消除或者尽可能减小共模干扰，从电压幅值较大的交流量中提取出幅值较小的直流偏置，利用运算放大器的电压跟随功能，对直流偏置信号进行处理，可有效改善信号进入运算放大器前的阻抗匹配性，其本质等效于对进入跟随器的输入、输出信号进行隔离处理，可有效抑制共模干扰，当逆变器系统由较大的共模骚扰发生时仍然可精准检测直流偏置，为逆变器系统直流分量的抑制提供了必要的条件。
附图说明
图1为本实用新型所述交流电压直流分量检测电路结构示意图；
图2为实施例所述未设置电压跟随电路的交流电压直流分量检测电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型所述交流电压直流分量检测电路进行详细说明。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，包括依次电连接的低通滤波电路、电压跟随电路和信号调理及放大电路；所述低通滤波电路用于对交流电压信号中直流偏置电压进行提取；所述电压跟随电路用于直流偏置电压的信号阻抗匹配及隔离调理；所述信号调理及放大电路用于直流偏置电压的信号调理及放大。本实用新型所述的交流电压直流分量检测电路可应用于逆变器类产品的输出直流偏置信号检测中，比如UPS、光伏逆变器等产品的检测电路中。
本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，如图1所示，所述低通滤波电路包括依次电连接的低通滤波器Ⅰ和低通滤波器Ⅱ；所述低通滤波器Ⅰ包括并联设置的电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>；所述电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>的输出端之间设置有电容C1<\/sub>；所述低通滤波器Ⅱ包括电阻R3<\/sub>、电阻R4<\/sub>、电阻R5<\/sub>和电阻R6<\/sub>；所述电阻R3<\/sub>与电阻R5<\/sub>依次相连接；所述电阻R4<\/sub>与电阻R6<\/sub>依次相连接；所述电阻R3<\/sub>与电阻R4<\/sub>的输出端之间设置有电容C2<\/sub>；所述电阻R1<\/sub>与电阻R3<\/sub>依次相连接；所述电阻R2<\/sub>与电阻R4<\/sub>依次相连接。所述电阻R1<\/sub>和电阻R2<\/sub>的输出端之间设置有齐纳二极管；所述齐纳二极管与电容C1<\/sub>并联设置。齐纳二极管包括串联的齐纳二极管D1<\/sub>和齐纳二极管D2<\/sub>。
交流电压信号经过两组对称的电阻进行衰减后，送入低通滤波器输入端口，对交流电压信号的直流分量进行初次提取，选择适当的滤波器截止频率，防止由于滤波器而对直流信号产生衰减。
低通滤波器Ⅰ中电阻R1<\/sub>、电阻R2<\/sub>起到两个作用：一方面将交流输出的高压信号衰减为低压信号，另一方面，与电容C1<\/sub>构成RC的低通滤波器，滤除高频的成分。齐纳二极管D1<\/sub>、D2<\/sub>的作用为：当在逆变器交流输出停电或开机瞬间，还未形成交变信号时，此刻直流分量非常大，对滤波后信号进行钳位，防止电压过高损坏后级元件。
低通滤波器Ⅱ中电阻R3<\/sub>、电阻R4<\/sub>的作用是对低通滤波器Ⅰ的信号进行二次滤波调理，将高频的成分再次衰减，提取出直流成分。电阻R5<\/sub>、电阻R6<\/sub>配合后级电路起到对直流成分衰减及阻抗匹配的作用。
所述电压跟随电路包括电阻R7<\/sub>、电阻R8<\/sub>、电阻R9<\/sub>、电阻R10<\/sub>、电容C3<\/sub>、电容C4<\/sub>、运算放大器U1<\/sub>和运算放大器U2<\/sub>；所述电阻R7<\/sub>的输入端与前述电阻R5<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R7<\/sub>的输出端与运算放大器U1<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R9<\/sub>的一端与电阻R7<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；所述电容C3<\/sub>与电阻R9<\/sub>并联设置；所述电阻R8<\/sub>的输入端与前述电阻R6<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R8<\/sub>的输出端与运算放大器U2<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R10<\/sub>的一端与电阻R8<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；所述电容C4<\/sub>与电阻R10<\/sub>并联设置；所述运算放大器U1<\/sub>的反相输入端与输出端相连接；所述运算放大器U2<\/sub>的反相输入端与输出端相连接。
通过电压跟随电路的高输入阻抗与低输出阻抗的特性，相当于将前级低通滤波处理过的直流偏置信号进行放大，使该信号具有一定的强度，从而可对干扰源具有一定的抵抗能力，确保信号在进行后级处理前不发生由于干扰等原因引起的畸变。
另外，电压跟随电路高输入阻抗与低输出阻抗的特性，对电压幅值较小、信号较弱的直流配置分量也可起到隔离的作用，即电压跟随器的输入端与输出端起到隔离的作用，对于前级造成的干扰也可进行有效的隔离。
电压跟随电路中，电阻R7<\/sub>、电阻R9<\/sub>与电阻R8<\/sub>、电阻R10<\/sub>两个对称的电阻网络的作用是对进入电压跟随电路的运算放大器的信号进行衰减及阻抗匹配，两个电阻网络连接方式相同，可有效提取正偏的直流信号与负片的直流信号。同时，电容C3<\/sub>、C4<\/sub>可对进入电压跟随器的信号进行必要的滤波。两个输入端口与运算放大器U1<\/sub>、U2<\/sub>的正极连接，运算放大器的负极与输出连接，形成标准的电压跟随器，而且这种两个输入端口分别进入两个电压跟随器的对称的形式，可有效抑制系统的强的电磁干扰。由运算放大器构成的电压跟随器，其输入阻抗很非常大，而输出阻抗非常小，在信号调理的效果上相当于隔离的作用。
所述信号调理及放大电路包括电阻R11<\/sub>、电阻R12<\/sub>、电阻R13<\/sub>、电阻R14<\/sub>、电阻R15<\/sub>、电容C5<\/sub>、电容C6<\/sub>和运算放大器U3<\/sub>；所述电阻R11<\/sub>的输入端与前述运算放大器U1<\/sub>的输端相连接；所述电阻R11<\/sub>的输出端与运算放大器U3<\/sub>的同相输入端相连接；所述电阻R13<\/sub>的一端与电阻R11<\/sub>的输出端相连接，另一端接标准偏置电压；所述电阻R12<\/sub>的输入端与前述运算放大器U2<\/sub>的输出端相连接；所述电阻R12<\/sub>的输出端与运算放大器U3<\/sub>的反相输入端相连接；所述电阻R14<\/sub>的一端与电阻R12<\/sub>的输出端相连接，另一端与运算放大器U3<\/sub>的输出端相连接；所述电容C5<\/sub>与电阻R14<\/sub>并联设置；所述电阻R15<\/sub>的输入端与运算放大器U3<\/sub>的输出端相连接；所述电容C6<\/sub>的一端与电阻R15<\/sub>的输出端相连接，另一端接地；电阻R15<\/sub>的输出端外接控制器的A\/D端口。
信号调理及放大电路对电压跟随电路调理过的信号运用差分放大电路进行放大处理，该电路也可有效防止共模干扰，确保信号在进入控制器的A\/D端口前不失真。直流偏置信号调理及放大电路中，电阻R11<\/sub>、电阻R13<\/sub>将该可能为正值或负值的偏置信号，利用1.65V标准偏置电压上拉，变为DSP或某控制器A\/D后可识别的0到3.3V的信号。电阻R12<\/sub>、电阻R14<\/sub>与运算放大器U3<\/sub>配合，对直流偏置信号进行比例放大处理，电容C5<\/sub>在比例放大的同时，对调理电路增加积分环节，从而减小误差，增加电路的采集精度。电阻R15<\/sub>与电容C6<\/sub>构成低通滤波器，对调理电路的输出信号在进入控制器的A\/D口前进行低通滤波，消除线路中的高频噪声。
在本实施例UPS的交流输出中，采用本实用新型所述检测电路可精准采集交流信号中的直流偏置电压，并将该直流偏置电压引入控制系统的算法中进行处理，对对称的逆变器系统进行反方向的偏置控制，可以从根本上消除交流信号的直流偏置，防止由于该直流偏置而引起的诸多问题。
本实施例中，针对10kW的UPS系统，分别采用如图1所示的本实用新型所述交流电压直流分量检测电路与如图2所示的未设置电压跟随电路的交流电压直流分量检测电路进行检测。在两种不同电路中，分两种处理：第一，将UPS系统的安全地可靠连接至配电系统的安全地即PE，众所周知，可靠接地可为电磁干扰信号提供较为直接的回流路径，从而减小系统电磁干扰；第二，将UPS系统的接地点悬空，即不与配电系统的PE相接，相对第一种处理，在此种工况下系统电磁干扰几乎没有回流路径，电磁干扰信号会对系统的各类模拟、数字信号有一定的干扰，该干扰要远严重于第一种可靠接地的处理。以上两种接地的处理方法配合两种不同的直流偏置采集电路，其UPS内部软件抑制措施不变，即所测试结果均由直流分量采集电路的精度引起。实际测试交流输出直流分量数据如表1所示。
表1
从上表测试结果可见，采样图1所示的采集电路,即本实用新型所述交流电压直流分量检测电路，无论UPS系统可靠接地与否，通过UPS内部抑制措施，对直流分量抑制的效果良好，满足±100mV以内的相关标准要求。采用图2的传统采集电路，在UPS系统可靠接地的情况下虽能满足标准要求，但还是逊色与图1电路，而在UPS系统不接地的情况下，抑制效果不能满足要求，比采用图1电路的效果有明显的差异。由此，本实用新型所述交流电压直流分量检测电路在强电磁干扰下对于交流输出的直流分量的采集精度有明显的优势，在对交流信号进行衰减、低通滤波处理后，进入运算放大器进行信号放大前，通过电压跟随器的处理。电压跟随器的优点是输入阻抗较大，输出阻抗较小，因此，对于滤波处理后的信号起到阻抗匹配的作用。另外，高的输入阻抗与低的输出阻抗对于输入、输出信号来讲相当于隔离，从而起到抑制共模干扰的效果。经过逆变器试验样机的测试，在高强度的共模干扰下也可精准获取直流偏置电压。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920046004.1
申请日:2019-01-11
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:87(西安)
授权编号:CN209690401U
授权时间:20191126
主分类号:G01R19/25
专利分类号:G01R19/25;G01R19/22;G01R1/30;G01R1/18;G01R15/16
范畴分类:31F;
申请人:西安铁路职业技术学院
第一申请人:西安铁路职业技术学院
申请人地址:710000 陕西省西安市国际港务区港务大道396号
发明人:王博;郝湘路;张省伟;周磊;樊晓霞
第一发明人:王博
当前权利人:西安铁路职业技术学院
代理人:康凯
代理机构:61220
代理机构编号:西安亿诺专利代理有限公司 61220
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
标签：低通滤波器论文; 运算放大器论文; 交流电压论文; 直流分量论文; 偏置电压论文; 直流偏置论文; 偏置电路论文; 信号调理电路论文; 信号放大器论文; 直流电压论文; 电容电阻论文; 逆变器论文; 共模干扰论文; 阻抗匹配论文;