一种交流稳压电源及其控制装置

技术领域

本发明涉及交流稳压电源技术领域，具体涉及一种交流稳压电源及其控制装置。

背景技术

交流稳压电源，是从三相交流电网获取电压并将输出稳定电压的设备。如图1和图2所示，其中，A、B、C分别为交流稳压电源的三相输入端，a、b、c分别为交流稳压电源的三相输出端，NN示意零线或地线；交流稳压电源的三相输入端和三相输出端分别至连接三相变压器的一次侧两端，三相变压器的二次侧包括基础线圈和可变线圈，通过控制装置将可变线圈的分压作为电机的控制信号，该电机的转动用于改变三相变压器二次侧可变线圈的分压，这是一个反馈控制系统。由于电网电压及交流稳压电源所输出电压的频率为50Hz的高频，一个微控制器的数据输出速率最低为几十兆，由此可见，交流稳压电源输出电压的采集频率必须大于或等于50Hz才能够达到控制稳压的目的。

为此，现有技术往往采用含有运算放大器的模拟电路，结合微控制器的方式对交流线电压电压进行采集，例如专利CN106707006A公开了一种精密交流电压采样装置，其图2所示出的精密交流电压采样模块中包括多个运算放大器。

然而，发明人发现，现有方式的稳定性较差，且微控制器的程序较为复杂，容易出错。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种交流稳压电源及其控制装置，以解决现有方式的稳定性较差，且微控制器的程序较为复杂，容易出错的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种交流稳压电源的控制装置，包括：高速计量芯片，其具有至少一组差分信号输入端；所述高速为50Hz以上；第一采集电路，设有至少一路，每路第一采集电路的输入侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧两相火线所对应的电压端，输出侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的一组差分信号输入端；微控制器，其输入端连接所述高速计量芯片的输出端，其输出端用于连接电机的控制信号输入端，所述电机用于控制交流稳压电源的三相可调变压器。

可选地，所述第一采集电路包括：第一电压互感器，其一次侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和B相火线所对应的电压端，二次侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的第一组差分信号输入端；第二电压互感器，其一次侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧B相和C相火线所对应的电压端，二次侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的第二组差分信号输入端；第三电压互感器，其一次侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和C相火线所对应的电压端，二次侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的第三差分信号输入端。

可选地，所述第一采集电路包括：第一降压电阻和第二降压电阻，其一端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和B相火线所对应的电压端，另一端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的第一组差分信号输入端；第三降压电阻和第四降压电阻，其一端分别用于连接交流稳压电源输出侧B相和C相火线所对应的电压端，另一端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的第二组差分信号输入端；第五降压电阻和第六降压电阻，其一端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和C相火线所对应的电压端，另一端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述高速计量芯片的第三组差分信号输入端。

可选地，所述高速计量芯片为CS5464或CS5460。

可选地，每路线电压采集电路的输入侧的两端连接至交流稳压电源输出端。

可选地，每个分压电阻两端并联有滤波电容。

可选地，所述高速计量芯片每组差分信号输入端的两个端口之间设置有滤波电容。

可选地，所述控制装置还包括：第二计量芯片，其具有三组差分信号输入端；第二采集电路，设有三路，每路线电压采集电路的输入侧的两端分别用于连接交流稳压电源输入侧的两相火线，输出侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述第二计量芯片的一组差分信号输入端；所述第二计量芯片的输出端连接所述微控制器的输入端。

可选地，所述第二计量芯片为RN8209。

可选地，所述控制装置还包括：第三计量芯片，其具有六组差分信号输入端，其中三组用于输入电压信号，另外三组用于输入电流信号；第三采集电路，设有三路，每路相电压采集电路的输入侧的一端用于连接交流稳压电源输出侧一相火线所对应的电压端，输出侧的一端经一个分压电阻接地，分压电阻的所分电压输入所述第三计量芯片的一个差分信号输入端；与所述差分信号输入端对应的另一个差分信号输入端经分压电阻接地；所述交流稳压电源输出侧的零线接地；第四采集电路，设有三路，每路相电流采集电路的输入侧通过电流互感器获取一相电流，输出侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述第三计量芯片的一组差分信号输入端；所述第三计量芯片的输出端连接所述微控制器的输入端。

可选地，所述第三计量芯片为RN7302。

可选地，所述第三计量芯片与所述微控制器之间通过三极管连接；其中，所述三极管的第一端连接所述第三计量芯片的工作电压，第二端连接所述微控制器的工作电压；所述三极管的第二端和第三端分别连接至所述第三计量芯片和所述微控制器的引脚。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种交流稳压电源，包括：三相可调变压器，其每相一次侧的一端连接电网，另一端作为交流稳压电源的输出；每相二次侧包括基础线圈和可变线圈；电机，所述电机旋转使得所述二次侧的可变线圈分压改变；控制装置，包括第一方面或者其任意可选实施方式所述的交流稳压电源的控制装置，其输出端连接所述电机的控制电路。

可选地，所述可调变压器二次侧每相基础线圈的两端并联设置有第一接触器；其二次侧每相可变线圈的固定连接端中一端零线连接，另一端与所述交流稳压电源的输出端连接，并且，所述另一端与所述交流稳压电源的输出端之间设置有第二接触器，所述第一接触器和所述第二接触器为互锁结构。

可选地，所述交流稳压电源设置有三相双投式接触器；当其投至一侧接触点时，所述交流稳压电源的输出端与所述三相可调变压器的一次侧电连接；当其投至另一侧接触点时，所述交流稳压电源的输出端与所述三相可调变压器的一次侧断开电连接而连接至所述交流稳压电源的输入端；所述第三采集电路及第四采集电路的输入端设置于所述三相双投式接触器与所述交流稳压电源的输出端之间。

本发明实施例所提供的交流稳压电源及其控制装置，采用高速计量芯片结合微控制器进行线电压的采集，由于高速计量芯片的工作性能较为稳定，且数据输出速率在50Hz以上，因此该测量电路的电压采集速率也较高，便于实现交流稳压电源的快速稳定控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1和图2分别出了本发明实施例所提供的一种交流稳压电源的两种结构示意图；

图3示出了CS5464的常规应用电路图；

图4示出了根据本发明实施例的交流稳压电源的控制装置的电路结构图；

图5示出了根据本发明实施例的另一种交流稳压电源的控制装置的电路结构图；

图6分别出了本实用新型实施例所提供的另一种交流稳压电源的两种结构示意图；

图7示出了RN8209的常规应用电路图；

图8示出了根据本实用新型实施例的第二采集电路的电路结构图；

图9示出了RN7302的常规应用电路图；

图10示出了根据本实用新型实施例的第三采集电路的电路结构图；

图11示出了根据本实用新型实施例的第四采集电路的电路结构图；

图12示出了根据本实用新型实施例的微控制器与第二计量芯片、第三计量芯片连接的电路结构图；

图13示出了微控制器与第三计量芯片之间通过三极管连接的电路结构图；

图14示出了根据本发明实施例的一种电机及交流稳压电源的的控制电路图；

图15示出了单相电机的接线图；

图16示出了根据本发明实施例的微控制器的一种控制逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种交流稳压电源的控制装置，包括高速计量芯片、第一采集电路和微控制器，其中高速计量芯片具有至少一组差分信号输入端，且本文中的高速是指高速计量芯片输出信号(例如本实施例中输出至微控制器MCU的信号)的频率50Hz以上。

本实施例中的微控制器可以为单片机，也可以为其他本领域技术人员知晓的微控制器，例如STM32嵌入式处理器。微控制器的输入端连接高速计量芯片的输出端，微控制器的输出端用于连接电机的控制信号输入端，该电机用于控制交流稳压电源的三相可调变压器。

本实施例中的高速计量芯片采用CS5464，这是一款集成的功率计量芯片，数据输出速率可调，常用于电表中计算瞬时的电流和电压，以及有功功率、无功功率等电表参数。由于其价格较贵，通常不会仅用于测量瞬时的电流和电压，也不会应用于交流稳压电源中。并且，CS5464的常规使用方式如图3所示，其具有一路电压输入端(引脚9和10)，两路电流输入端(引脚19和20，引脚15和16)，其与两相火线的连接方式如图3所示，这三组差分信号输入端中的一组最初被设计用于输入电压信号，另外两组最初被设计用于输入电流信号，用于输入电压和电流的端口在硬件设计上有所不同。在本实施例中，CS5464的三组差分信号输入端均用于输入电压信号，由于微控制器属于可编程器件，在编程时只需将CS5464所输出的信号适当变换即可达到将输出信号均转换为同级别电压信号的目的。在本实施例已给出内容的启示下，本领域技术人员是能够知道具体编程方法的。

需要指出的是，本申请中的高速计量芯片还可以采用CS5460，或者随着技术的发展在此基础上形成的新的芯片型号，以及其他输出信号速率在50Hz以上的其他类型计量芯片。

本实施例中的第一采集电路中，具有输入侧和输出侧，其每一侧有两个连接端，输入侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧两相火线所对应的电压端，输出侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入高速计量芯片的一组差分信号输入端。本申请中两相火线之间的线电压可以为380V。

具体地，可以如图4所示，第一电压互感器PT1的一次侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和B相火线所对应的电压端，二次侧的两端分别经一个分压电阻R2和R4接地，两个分压电阻R2和R4的所分电压输入高速计量芯片CS5464的第一组差分信号输入端V1+和V1-；第二电压互感器PT2的一次侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧B相和C相火线所对应的电压端，二次侧的两端分别经一个分压电阻R9和R14接地，两个分压电阻R9和R14的所分电压输入高速计量芯片CS5464的第二组差分信号输入端V2+和V2-；第三电压互感器PT3的一次侧的两端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和C相火线所对应的电压端，二次侧的两端分别经一个分压电阻R16和R18接地，两个分压电阻R16和R18的所分电压输入高速计量芯片CS5464的第三差分信号输入端V3+和V3-。该实施例中的第一电压互感器PT1、第二电压互感器PT2和第三电压互感器PT3可以是独立的电压互感器，也可以是三相电压互感器中的三路通道。

图4所示实施例中的第一采集电路采用电压互感器起到信号隔离的作用，能够提高工作电路及信号处理的稳定性。

本实施所提供的交流稳压电源的控制装置，采用高速计量芯片结合微控制器进行线电压的采集，由于高速计量芯片的工作性能较为稳定，且数据输出速率在50Hz以上，因此该测量电路的电压采集速率也较高，便于实现交流稳压电源的快速稳定控制。

除了图4所示的第一采集电路的连接方式之外，还可以采用降压电阻的方式，具体地，可以如图5所示，第一降压电阻R1和第二降压电阻R3，其一端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和B相火线所对应的电压端，另一端分别经一个分压电阻R2和R4接地，两个分压电阻R2和R4的所分电压输入高速计量芯片CS5464的第一组差分信号输入端V1+和V1-；第三降压电阻R6和第四降压电阻R13，其一端分别用于连接交流稳压电源输出侧B相和C相火线所对应的电压端，另一端分别经一个分压电阻R9和R14接地，两个分压电阻R9和R14的所分电压输入高速计量芯片CS5464的第二组差分信号输入端V2+和V2-；第五降压电阻R15和第六降压电阻R17，其一端分别用于连接交流稳压电源输出侧A相和C相火线所对应的电压端，另一端分别经一个分压电阻R16和R18接地，两个分压电阻R16和R18的所分电压输入高速计量芯片CS5464的第三组差分信号输入端V3+和V3-。

在图4所示的实施中，每路线电压采集电路的输入侧的两端连接至交流稳压电源输出端，即图1或图2中的a、b、c端，其中a端为A相火线所对应的电压端，b端为B相火线所对应的电压端，c端为C相火线所对应的电压端。本申请中某一相火线所对应的电压端是指该相火线经电阻、电容或电压互感器之后的一个连接端；是相对于另一个连接端而言，与该相火线在电路连接上更近或者对应的连接端。

在图4或图5所示的第一采集电路中，每个分压电阻两端并联有滤波电容，且高速计量芯片CS5464的每组差分信号输入端的两个端口之间也设置有滤波电容。

需要说明的是，第一采集电路可以设置三路，用于三相变压器的统调；也可以只设置一路，用于三相变压器的分调。

作为本实施例的一种可选实施方式，本发明实施例所提供的交流稳压电源的控制装置还包括第二计量芯片和第二采集电路。第二计量芯片具有三组差分信号输入端。

本实施例中的第二计量芯片采用RN8209，其常规使用方式如图7所示，其具有三路电压输入端(V1P和V1N，V2P和V2N，V3P和V3N)，最初设计用来测量单相交流电参数。需要指出的是，本申请中的计量芯片还可以采用随着技术的发展在此基础上形成的新的芯片型号，以及其他类型计量芯片。

本实施例中的第二采集电路中，设有三路线电压采集电路，每路输入侧的两端分别用于连接交流稳压电源输入侧的两相火线，输出侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入计量芯片的一组差分信号输入端。本申请中两相火线之间的线电压可以为380V。

具体地，可以如图8所示，第一降压电阻R4、R5和第二降压电阻R10、R14，其一端分别用于连接交流稳压电源输入侧的A相和B相火线，另一端分别经一个分压电阻R44和R45接地，两个分压电阻R44和R45的所分电压输入计量芯片RN8209的第一组差分信号输入端VIAP和VIAN；第三降压电阻R15、R24和第四降压电阻R25、R38，其一端分别用于连接交流稳压电源输入侧的B相和C相火线，另一端分别经一个分压电阻R51和R53接地，两个分压电阻R51和R53的所分电压输入计量芯片RN8209的第二组差分信号输入端VIBP和VIBN；第五降压电阻R46、R52和第六降压电阻R58、R59，其一端分别用于连接交流稳压电源输入侧的A相和C相火线，另一端分别经一个分压电阻R56和R57接地，两个分压电阻R56和R57的所分电压输入计量芯片RN8209的第三组差分信号输入端VICP和VICN。

在图8所示的实施中，第一降压电阻可以为一个电阻，也可以为串联在电路中的相邻的几个电阻。

本发明实施例所提供的第二采集电路的输入端设置在交流稳压电源输入侧的火线位置，能够较为准确得测量出交流稳压电源输入侧的电流及电压等电学参数，使得技术人员在验收与维护时无需另行携带测量设备，即可知晓交流稳压电源的输入电压和输出电压具体为多少，从而能够获得交流稳压电源设备的稳压效果与能耗，工作较为便捷。

作为本实施例的一种可选实施方式，本发明实施例所提供的交流稳压电源的控制装置还包括第三计量芯片、第三采集电路和第四采集电路。第三计量芯片具有六组差分信号输入端，其中三组用于输入电压信号，另外三组用于输入电流信号。

本实施例中的第三计量芯片采用RN7302，其常规使用方式如图9所示，其具有三路电压输入端(VAP和VAN，VBP和VBN，VCP和VCN)和三路电流输入端(IAP和IAN，IBP和IBN，ICP和ICN)。需要指出的是，本申请中的计量芯片还可以采用随着技术的发展在此基础上形成的新的芯片型号，以及其他类型计量芯片。

第三采集电路，如图10所示，设有三路相电压采集电路，每路输入侧的一端用于连接交流稳压电源输出侧一相火线所对应的电压端，输出侧的一端经一个分压电阻接地，分压电阻的所分电压输入所述第三计量芯片的一个差分信号输入端；与所述差分信号输入端对应的另一个差分信号输入端经分压电阻接地；所述交流稳压电源输出侧的零线接地；

结合图10，图6和图12，以A相为例，图10中A相电压采集电路的VA端连接至图6中交流稳压电源的a输出端，A相采集电路输出侧的VAP端经分压电阻R7接地，分压电阻R7的所分电压输入RN7302的一个差分信号输入端VAP(即RN7302的9脚)，与该差分信号输入端(即RN7302的9脚)对应的另一个差分信号输入端(即RN7302的10脚)VAN经分压电阻R9接地。交流稳压电源输出侧的零线VN接地。

第四采集电路，如图11所示，设有三路相电流采集电路，每路输入侧通过电流互感器获取一相电流，输出侧的两端分别经一个分压电阻接地，两个分压电阻的所分电压输入所述第三计量芯片的一组差分信号输入端；

结合图11，图6和图12，以A相为例，图11中A相电流采集电路的输入侧通过电流互感器CT1获取A相电流(图6中未示出电流互感器的连接方式)，输出侧的两端分别经一个分压电阻R8和R11接地，两个分压电阻的所分电压输入RN7302的一组差分信号输入端IAP和IAN(即RN7302的1脚和2脚)。

需要指出的是，图11中的CT指示电流互感器设备，CT1、CT2、CT3为三相电流互感器的三个通道。当然CT1、CT2、CT3也可以是独立的三个电流互感器。

如图12所示，微控制器MCU的输入端连接第二计量芯片RN8209以及第三计量芯片RN7302的输出端。

需要注意的是，当计量芯片与微控制器的工作电压不同时，二者的引脚不能直接连接，必须进行电平转换。例如，在本实施中，RN7302的工作电压为3.3V，而微控制器的工作电压通常为5V，可以通过三极管进行电平转换。其中，第三计量芯片与微控制器之间通过三极管连接；三极管的第一端连接第三计量芯片的工作电压，第二端连接微控制器的工作电压；三极管的第二端和第三端分别连接至第三计量芯片和微控制器的引脚。

具体地，结合图12和图13，以三极管Q1为例，其基极连接3.3V，集电极连接5V，MCU连接至三极管Q1的集电极，RN7302连接至三极管Q1的发射极。当然，当三极管类型不同时，连接方式可能会有所不同。

本实施例所提供的三相线电压测量装置还可以包括LCD显示屏及其显示驱动，其中显示驱动的输入端与微控制器的输出端连接，输出端连接LCD显示屏，用于显示交流稳压电源输入侧的电压值、输出侧的电压及电流值。

本发明实施例还提供一种交流稳压电源，包括三相可调变压器、电机和控制装置。其中，三相可调变压器的每相一次侧的一端连接电网(图1和图2中的A、B和C指示电网的三相火线)，另一端作为交流稳压电源的输出(图1和图2中的a、b和c指示与A、B和C对应地交流稳压电源的输出端)；每相二次侧包括基础线圈和可变线圈，电机旋转使得二次侧的可变线圈分压改变。控制装置，包括上述任一交流稳压电源的控制装置，其输出端连接电机的控制电路。

例如，图14示出了电机的控制电路，其中公共端1用于连接火线以便为电机提供电能；电机可以采用图15所示的单相电机(其他类型的电机接线方式可以根据本申请公开的内容稍作调整)，其中4端口用于连接零线，2端口与图14中的公共端1连接，1端口和3端口分别与图14中的降压端、升压端连接。当交流稳压电源输出电压达到所允许的上限值时，或者当其他原因需要交流稳压电源输出电压降低时，微控制器控制继电器SJ1使得降压端、公共端1所形成的回路得电，从而控制电机顺时针转以带动可变线圈分压改变；当交流稳压电源输出电压达到所允许的下限值时，或者当其他原因需要交流稳压电源输出电压升高时，微控制器控制继电器SJ2使得升压端、公共端1所形成的回路得电，从而控制电机逆时针转以带动可变线圈分压改变。可选地，也可以采用可控硅替代继电器。

可选地，如图1所示，可调变压器二次侧每相基础线圈的两端并联设置有第一接触器KM1；其二次侧每相可变线圈的固定连接端中一端零线连接，另一端与交流稳压电源的输出端连接，并且，另一端与交流稳压电源的输出端之间设置有第二接触器KM2，第一接触器和第二接触器为互锁结构。当KM2闭合时，KM1端开，能够通过可调变压器调整交流稳压电源的输出电压；当KM1闭合时，无法通过可调变压器调整交流稳压电源的输出，此时KM2断开即切掉变压器二次侧的影响。

可选地，可以通过图14所示的电路控制KM1和KM2。当需要采用交流稳压电源稳压输出时，微控制器通过继电器控制SJ3(即KM2)闭合；当交流稳压电源出现故障时，微控制器通过继电器控制SJ4(即KM1)闭合以切断变压器二次侧的影响。

可选地，如图6所示，交流稳压电源设置有三相双投式接触器。当其投至一侧接触点时，交流稳压电源的输出端与三相可调变压器的一次侧电连接，即当用电设备连接至交流稳压电源的输出侧时，可以通过可调变压器获得稳定电压。当其投至另一侧接触点时，交流稳压电源的输出端与三相可调变压器的一次侧断开电连接而连接至交流稳压电源的输入端，即当用电设备连接至交流稳压电源的输出侧时，用电设备直接连接至交流稳压电源的输入端，即用电设备直接连接至电网，无法通过可调变压器获得稳定电压。

图16示出了根据本发明实施例的微控制器的一种控制逻辑流程图，其中，“切断交流稳压电源输出”可以是切断变压器二次侧的影响，也可以是输出端与三相可调变压器的一次侧断开电连接而连接至交流稳压电源的输入端，可以根据具体情形调整。

本发明实施例所提供的交流稳压电源，通过第二计量芯片和第二采集电路获取交流稳压电源输入侧的电压，通过第三计量芯片、第三采集电路、第四采集电路获取交流稳压电源输出侧的电压、电流，当第三采集电路、第四采集电路的输入端设置于三相双投式接触器与交流稳压电源的输出端之间时，该测量装置可以通过第二计量芯片获取用电设备直接连接电网时的电网电压，并且可以通过第三计量芯片获取用电设备采用可调变压器获得稳定电压时交流稳压电源的输出电压及输出电流，由此可见，无论是正常情况还是异常情况，该测量装置均能够获取用电参数，使得工作较为便捷。

本申请附图只给出了关键电路的连接方式，为实现系统功能所需要的外围电路(例如时钟电路等)请参考芯片技术手册，也可以参考已有知识，本申请对此不做改进及限定。关键电路中器件的具体型号(例如电阻值、电容值等)是本领域技术人员根据实际情况所需用的电压能够计算得到的，本申请不做限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。