BS5U-G光纤型高隔离电力变送器的研制

    1　前言

    普通的电力变送仪表对输入输出隔离要求一般为3kV以下,但在许多特殊场合,如牵引机车、公共运输网络的电力配电系统中都存在高电压、大电流。在这种情况下人身安全尤为重要。这就对相关配套变送仪表的隔离提出更高的要求。BS5U-G(高隔离变送器)输入输出之间耐压可达15kV以上,完全解决了这个问题。其主要性能指标如下:

    (1)基本误差为0·5级。

    (2)输入基准值:直流±60mV、±90mV、±150mV,最大为±10V。

    (3)电压输出±5V,最大为±7·5V;电流输出±5mA、±20mA,最大为±25mA。

    (4)工作温度范围-20~+60℃。

    (5)绝缘强度:输入回路对输出回路为15kV,输出回路对电源为8kV。

    2　设计方案

    (1) BS5U-G光纤型高隔离电力变送器的功能原理框图如图1所示。

    由图1可见以光纤为界分为两部分:光纤发送及之前信号采样处理部分、光纤接收及之后变送处理输出部分。其中光纤部分采用日本东芝公司的模块，从图2可见整个光纤模块可分为发射模块、接收模块、光导纤维二部分。其工作原理是:光发送器发出的光，经光纤引导到调制区，被测数字电量通过敏感元件的作用，使光学性质发生变化而成为调制光,再经光纤送到光接收器,通过信号处理还原为电测信号。光纤由导光的玻璃纤维和包层组成,耐压强度可达4kV/cm。

    光纤发送及之前信号采样处理部分如下:模拟信号经低漂移、低噪声的运算放大器处理后,为了便于光纤传送,先必须将模拟量转化为数字量,为此设计中考虑采用AD652。AD652是一种高速、高精度同步V/F变换器,采用外接时钟驱动和电荷平衡转换技术,使其具有高分辨率、高稳定性和最佳转换时间。另外AD652也可作为F/V转换器使用。其工作原理如图3所示,工作波形如图4所示,输入电压和输出频率关系

    其中I_R、R_in、t₀为常数,所以f与模拟电压成正比。

    参数选择上AD652的积分电容C_int一般为0·02μF。如果常态干扰大于0·1V、时钟频率低于500kHz,可选择0·1μF的积分电容。集电极电阻可根据上升时间选择。低频(100Hz)用大电阻(几千欧姆),高频(1MHz)用小电阻,同时还要考虑到驱动电路的负载,例如带动两个标准TTL,则需要给出3·2mA的电流,如果低电平维持在0·4V,则可给出4·8mA的电流,因此选择(5-0·4)×10×10×10/4·8=960Ω。AD652外部时钟拟定2MHz,由4MHz晶振二分频后取得。之后把转化得到的与电压信号成正比的数字量送到光纤发送模块。

    光纤接收及之后变送处理部分如下:光纤接收模块接收到来自发送模块的数字信号再由AD652转化还原为模拟量,经过滤波,送运放处理,最后输出。