三相交流电电流、电压、频率转换器的设计

三相交流电电流、电压、频率转换器的设计

在三相交流电路中，往往需要检测三相相电流、线电流和频率的变化，监控线路电压的波动，控制升温、降温、振动大小等，另外，还需要经常了解三相负载的本身工作正常与否，从而做到实时调整。文章设计了一种实用的电压/电流（V/I）、电流/电流（I/I）和频率/电流（F/I）转换器，将传感器测量的电压、电流和频率信号转换为电流信号以适应远距离检测的需要，实验结果表明三种转换电路均能满足设计指标。

标签：三相交流电；变送器；标准电流输出

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

工业上对于三相交流电的测试一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上，两者之间可能相距数十至数百米，测试结果若以电压等形式传输，会出现信号减弱、失真等现象，从而导致测试结果的不准确。若以电流形式传输则不会有衰减，适宜于远距离传输。两线制变送的突出优点是现场变送器和控制室的仪表之间的联系仅仅使用两根导线，这两根导线既是供给变送器工作的电源线，又是信号输出线。传输信号的下限为4mA，不与机械零点重合，不但可充分利用晶体管电路的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。传输信号的上限为20mA，比0～10mA输出方式大一倍，有利于提高信号输送效力和信号的分辨能力。

根据需求设计了一种转换器，可以实现将不同传感器采集的三相交流电的不同物理参数转换为4～20mA的标准变送输出，并且保证转换精度≤2%，以便于后续的测试工作。转换的物理参数包括利用基于DVL系列传感器的信号处理模块采集的三相交流电的电压信号，利用基于DHR系列传感器的信号处理模块所采集的三相交流电的电流信号以及利用光耦传感器和PIC18F97J60单片机接口电路将采集的频率信号转换成的计数脉冲信号[1]。

文章所设计的电路是可以实现0～2.5V电压、0～125mA以及0～1KHz转

化为4～20mA标准变送输出，系统结构框图如图1所示。

1 转换器的电路设计

V/I 转换器是一种可以实现将输入的电压信号转换为电流信号输出的电路。图2是两线制V/I变换电路的基本原理图，转换电路由OP1、Q1、R1、R2、Rs 构成。若A点由于某种原因高于0V，则运放OP1输出升高，Re两端电压升高，通过Re的电流变大。相当于整体耗电变大，通过采样电阻Rs的电流也变大，B 点电压变低（负更多）。结果是通过R2将A点电压拉下来。反之，若A点因某种原因低于0V，也会被负反馈升高到0V。以上是负反馈过程，负反馈的结果是运放OP1虚短，A点电压=0V。

电路正常工作需要2个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流要供给调理电路以及变送器。其次要求运放器件能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受0V输入，并能正常工作。单电源供电时，输入端从-0.3V～1.5V 范围内都能正常工作。R5和U1构成基准源，产生2.5V稳定的基准电压。

1.1 电压/电流转换电路设计

利用莱姆电子的DVL系列传感器所采集的三相交流电的0～2.5V直流电压信号，输入转换电路实现4～20mA的交流电输出。电压/电流[2]的转换即是将电压信号转换为随输入电压变化的电流信号，在一定的负载变化范围内要求输出电流能够保持稳定（不随负载变化）具有这一特性的V/I转换原理图如图3所示，下面是对设计电路的介绍。

图3所示仿真电路中主要是由五个LT1078IN8运算放大器、一个BSS79B 三极管以及其他辅助元件构成。电路中U3A运放电路实质上是一个检波电路，其输出端接入一个二极管实现对输入信号的检波作用，当输入信号为正弦信号时，其输出信号相当于加了绝对值的正弦信号，不存在负半轴信号。第二个运算电路U4A是跟随器[3]，该电路作为缓冲级和隔离级，电压放大器U3A输出阻抗较高，后级输入阻抗比较小，信号会相当部分损耗在前级的输出电阻，电压跟随器进行缓冲，起到承上启下作用使电路性能得到进一步优化。假设从跟随电路输出端的电压值为Vin，则U2A运算放大器正向输入端信号为V1，该电路公式推导如下：

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）

将公式1、公式3带入公式4得公式5

Iout=■A （5）

由公式5可以看出，当输入的电压信号为0V时，则输出的电流信号为4mA，而当输入的电压信号为2.5V其电路输出电流为20mA。

该电路的仿真结果如图4所示。当转换电路输入的电压为零时，输出电流为4.073mA；当输入电压为2.5V，输出电流为19.575mA。由此可见，该电路通过仿真可以满足设计要求，即输入信号为0～2.5V电压信号，输出信号为4～20mA 的标准交流电信号。

（a）输入0V时的输出电流

1.2 电流/电流转换电路设计

利用莱姆电子DHR系列传感器所采集的三相交流电的0～125mA电流信号，输入转换电路转换成4～20mA的交流电输出。电流/电流[4]的转换功能通过图3所示的转换电路实现，让电压源并联电阻接入电路中从而模拟出电流源的电流输入，通过电路仿真以及实际电路的调试，可以实现输入电流为0～125mA，电路的输出信号为4～20mA的标准交流电信号。

1.3 频率/电流转换电路的设计

检测三相交流电的频率是否正常，利用光耦传感器[5]和单片机接口电路将三相交流电的频率信号转换成的计数脉冲信号，输入转换电路转换成4～20mA 的交流电。利用图3电路，输入电压是通过利用单片机接口电路将输入的频率信号转换成脉冲信号进行数模转换成电压信号作为电路输入信号，即实现了输入信号为0～1KHz的频率信号转化为0～2.5V的电压输入到所设计的转换电路中，最终实现电路的输出信号为4～20mA的标准交流电信号。

2 实验

对实际电路进行调试，在电路的输入端分别是电压、电流以及频率的情况下，观察输出端电流表示数并记录在表格中。

表1为图3电路的电压/电流实验结果，由表1可以看出，当输入交流电压信号在0～2.5V之间时可以实现输出电流为4～20mA的标准电流，其转换精度为1.89%。

表2为图3电路的电流/电流实验结果，根据试验结果来看，可以实现电流值0～125mA转化为4～20mA的标准电流输出，其转换精度为1.68%。

表3为图3电路的频率/电流实验结果，通过观察实验现象，利用单片机可以将0～1KHz的频率信号转化为0～2.5V的电压输入到电路中，最终实现4～