检查电源状态的工业电力线监控系统

电力线完整性已成为工业和医疗设备设计的重要方面。现在许多过程都依赖于对噪声和干扰敏感的传感器输入的实时监控。电瞬变很容易扰乱精密测量。如果这些条件没有得到补偿，不正确的读数会导致闭环控制环路出现像差或系统缺少重要的安全相关信号。

因此，某种形式的交流线路监控已成为一种形式。重要的附加传感器输入，以确保瞬态和其他电力线失真不会影响设备。电力线监测可用于确保其他高功率设备使用的电力转换器正常运行，不会向电网注入不需要的谐波或出现不平衡负载，从而可能中断电力输送。用户还可以使用这些数据来确定流程是否需要优化以通过跟踪整个工厂的电源使用热点来降低总体能耗。

大多数交流线路监控设计使用一个或多个模数转换器（ ADC）将电力线信号转换为数字格式，然后使用本地处理器应用数字信号处理，以获得有用的操作参数，例如峰值和平均功率输出，功率因数角度，谐波电压幅度和线路频率。

设计交流线路监控子系统的关键问题是确定哪种类型的测量很重要，因为这些将影响用于采样输入的ADC的选择，以及输入通道的数量。例如，用于确定谐波失真的三相监视器需要对总共四个相位的电压和电流进行采样，因此需要8个ADC输入通道。需要采样的第四阶段是中性线：如果主相不平衡，这将显示电流流动。

主要用于瞬态检测的AC线路监控器可以使用相对简单的ADC设计，并且连接到低端微控制器或硬件状态机，对输入信号中的尖峰作出反应。对于更高级的测量，例如谐波，ADC分辨率和精度更重要。

通常，用于电流测量的AC线路的连接是通过电流互感器或Rogowski线圈。电压互感器或电阻分压器网络可用于电压读数。电流互感器是一种相对低成本的测量选项，尽管它们可以提供小的相位失真，需要校正谐波失真的精确测量。电流互感器也容易受到附近磁场的影响 - 强磁场会导致磁芯饱和并使其无法传递准确的信号。

Rogowski线圈通过去除铁芯来避免铁芯饱和的问题，而有利于空芯，在有强大的外部磁场的情况下空芯不会饱和。 Rogowski线圈的另一个优点是它不需要直接接触导体 - 线圈只需缠绕导体。

Rogowski线圈电流传感器的输出与一阶导数成比例通过它的交流电流。结果，传感器的输出需要在它可以乘以初级电压之前进行积分，以提供功率读数。因此，Rogowski线圈不能直接替代电流互感器。信号调理电子设备需要提供集成功能。工程师可以选择是否使用模拟集成，通常基于运算放大器电路或数字集成。

Rogowski线圈更容易将AC线路监控改装为现有绝缘，因为它不需要断开电气连接。导体必须分开，以便电流传感器可以滑到它上面。但是，如果交流线路监控电路是正在安装的工业系统的一部分，则不应出现问题。

某些设备可以实现更直接的连接。对于更简单的交流线路监控，主要用于检测单相电源输入的瞬态，Silicon Labs的Si8900提供ADC和控制的组合以及高达5 kV的电流隔离，将电源监控电路与其余部分隔离开来系统。这种设计允许使用电阻将线电压降低到ADC的范围，运算放大器用作信号调理的差分放大器。由电源线供电的简单LDO通过串联电容连接，为器件供电。

图1：单相电路图使用Silicon Labs Si8900进行传感。

Si8900的ADC子系统基于一个10位，500 ksample/s逐次逼近型转换器，前面是一个三通道模拟输入多路复用器和一个带用户的串联增益放大器 - 1x或0.5x增益的可编程设置。 ADC具有内部参考，但如果设计人员更喜欢，它也可以使用外部参考。其他片上功能包括一个控制状态机，它使用UART，I 2 C或SPI串行端口监控主机控制器和前端之间的所有事务。

基于Si8900的前端可以在两种用户可选择的操作模式之一下运行。在需求模式下，外部主机控制器根据需要触发单个ADC转换。该器件还可以在突发模式下工作，其中ADC转换连续执行。系统主机处理器可以根据需要从一种模式切换到另一种模式，从而减少主机的干预。

德州仪器的ADS131E08可以连接到电流互感器或Rogowski线圈进行电流测量，或者连接到电阻分压器网络或变压器测量电压。该器件提供8个ADC通道，支持电流和电压的全四相测量。这些ADC基于sigma-delta设计，提供高达24位的分辨率，并且之前是可编程增益放大器和EMI滤波器。通过控制输出采样率，设计人员可以调整ADC的噪声性能。随着输出数据速率的降低，噪声也相应下降。例如，当使用器件的3 V电源和内部2.4 V基准电压时，将输出数据速率从64 ksample/s降低到1 ksample/s会将有效位数从12.27位增加到18位。/p>

图2：用于四相监控的八通道TI ADS131E08的框图。

通过SPI端口与信号处理主机微控制器或DSP进行通信。可以使用集成比较器和一组可编程触发点设置来执行输入过量程或欠量程检测。 ADS131E08具有灵活的每通道输入多路复用器，可独立连接到内部生成的信号，以进行温度和故障测试。利用集成比较器和数模转换器控制的触发电平，可以在器件内部实现故障检测。

Maxim Integrated的MAX11046设计用于快速响应不断变化的条件，还可以同时测量电流和电流。三相电压加中性至16位精度，250 ksample/s。结果通过高速20 MHz并行数据总线提供。

Microchip Technology的MCP3911为单相安装提供高精度选项，提供两个16位或24位sigma -delta ADC。 MCP3911能够连接各种电压和电流传感器，包括分流器，电流互感器，Rogowski线圈和霍尔效应传感器。该器件由两个可编程增益放大器，一个相位延迟补偿模块和数字偏移和增益误差校准寄存器提供支持。主机通信采用20 MHz SPI接口。

提供多路输入，在某些情况下还提供隔离功能，专为交流线路监控而设计的ADC，可轻松构建能够检查电源状态的工业系统并有效地应对不断变化的条件。