用于電力系統(tǒng)的一種安全可靠的可調電流輸出方法

張楠楨，吳勝華，許天驕

（南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210000）

在工業(yè)應用中，變送器測量的各種非電物理量，如溫度、壓力、流量、濕度等都需要遠距離傳輸到中控室。電流信號在傳輸線路上抗干擾能力強，也不會在傳輸線路上產生電壓降，因此電流信號成為工業(yè)現(xiàn)場主流的信號傳輸方式。在控制系統(tǒng)中，輸出信號不僅需要有較高的精度，更重要的是穩(wěn)定性和可靠性。

本文提出了一種獲得可流源[1]輸出的方法，不僅能夠輸出高精度的電流信號，而且能夠快速檢測電流信號的回路狀態(tài)，在遇到特殊情況時可以控制輸出的通斷，滿足穩(wěn)定可靠的要求。

1 可調恒流源輸出設計

1.1 電流轉換電路設計

可調恒流源的產生通過一個DAC提供可變的電壓，通過電壓跟隨的原理利用運放的特性將電壓信號轉換成電流信號[2]。

在圖1的電路中，R1和R2是串聯(lián)的關系，流經兩者的電流值相等，所以只要使兩者的阻值也相等，根據運放的特性，那么Ro兩端的電勢差就等于Vout。因此，負載上的輸出電流：

圖1 電流轉換設計電路Fig.1 Current conversion design circuit

對于確定的Ro，輸出的電流值和Vout成線性的關系，與負載的阻值無關，由此可以實現(xiàn)電流信號的恒流輸出。

在電壓轉換電流的過程中，由于負載本身有一定的輸入電阻，與繞線電阻的阻值并聯(lián)后總阻值會發(fā)生變化。而負載電阻本身變化較大，會使電路帶負載能力下降，所以采用電壓跟隨器可以有效地消除負載效應，增強電路的適應范圍。上述電路采用了兩級電壓跟隨器，主要是為了使負載接地，避免兩端浮空。在工業(yè)應用上，電流輸出與輸入的接地點不同時，會導致兩側對地電壓不同，產生一定的電勢差，從而使輸出的電流與輸入的電流有較大的差別，所以使負載接地是十分必要的?？紤]到大多數常用的運算放大器輸出電流并不大，所以在設計電路時，用三極管可以進行擴流輸出[3,4]。這樣流過負載的電流不再由運放直接提供，而是由三極管將運放輸出放大后的電流來提供，可以提高整個電路的帶負載能力，擴大電路的適用范圍。

1.2 恒流輸出的精度分析

上述設計電路在理想狀態(tài)下可以實現(xiàn)恒流輸出，而實際的電路會受到元器件精度的影響。為了提高輸出電流的精度和穩(wěn)定性，根據上述設計電路可知：負載電流IL的精度主要受Vout以及Ro精度的影響。Vout輸出電壓通過DAC的基準電壓Vref來校準，可以實現(xiàn)較高的精度，Ro則需要選擇精度較高的電阻。此外，根據電壓跟隨的原理，R1 = R2時，Ro兩端的電勢差就等于Vout，所以R1與R2最好也選用高精度的電阻，使兩者的阻值盡量一致，以保證兩者分壓相同。

根據上述設計電路的分析，選擇合適的基準電壓和高精度采樣電阻可以實現(xiàn)可調的高精度電流輸出信號[5]。在工業(yè)應用上，4mA～20mA電流信號的使用范圍比較普遍，而在電路設計中，5V基準電壓也比較容易獲得，所以根據IL= Vout / Ro可知，當基準電壓為5V，選擇250Ω高精度電阻輸出時，使輸出的Vout為5V，此時負載上的電流為20mA；使輸出的Vout為1V，此時負載上的電流為4mA。輸出電壓與負載電流為成線性的關系，可以實現(xiàn)4mA～20mA高精度電流信號的輸出。

根據上述設計的電路進行測試，得到了圖2的數據。從圖中可以看出，實際測量的輸出電壓和負載電流的線性關系很好，實際的絕對誤差也非常小，精度全部在千分之一以上，表明了此設計能夠實現(xiàn)高精度的要求。

圖2 輸出電壓Vout和負載電流IL的變化關系Fig.2 The relationship between the output voltage Vout and the load current IL

1.3 恒流輸出的瞬態(tài)響應分析

上述設計將輸出電壓通過運算放大器、三極管等多個元器件轉換成電流輸出，電流輸出信號在電力系統(tǒng)的實際使用中，通常涉及到很多調節(jié)環(huán)節(jié)，所以在這個過程中，電流對電壓的動態(tài)響應速度也非常重要，決定著動態(tài)調節(jié)的質量。

從圖3中可以看出，當電壓信號輸出時，電流信號響應的非?？欤c電壓信號幾乎同時響應，沒有響應延遲的情況出現(xiàn)。當電壓信號消失時，電流信號響應有一點滯后于電壓信號，約10ms后，電流處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢婋娏餍盘栐谙陆笛氐膭討B(tài)響應不如上升沿響應得快。

圖3 負載電流IL對輸出電壓Vout的動態(tài)響應Fig.3 Dynamic response of load current IL to output voltage Vout

電路設計中電容起到了濾波的作用，可以有效增強電路的抗干擾能力，但是與此同時，電容也有充放電的作用。當電壓信號輸出時，電路中的電壓主要利用運算放大器的原理，使采樣電阻兩端得到了5V的電壓，電容在這個過程中充電，但是沒有影響到采樣電阻兩端的電勢差，所以電流響應的速度非?？?。當電壓輸出信號消失時，電流應該迅速消失，但是由于電容充放電的作用，電容會在極短的時間給電路供電，電流信號出現(xiàn)幾毫秒內逐漸消失的現(xiàn)象。

2 可靠性設計

電流輸出信號在工業(yè)領域上運用非常廣泛，而且極其重要，尤其是在電力系統(tǒng)行業(yè)，電流輸出信號經常用于傳輸機組負荷、調門開度、電機頻率等重要信號，這些信號一旦出現(xiàn)較大偏差或者丟失，對于發(fā)電機組來說會造成非停等事故，所以保證信號的可靠穩(wěn)定非常重要。

2.1 斷線檢測設計

在電力系統(tǒng)中，機組負荷、調門開度等模擬信號幾乎時刻保持著輸出的狀態(tài)，一旦信號丟失，會導致調門快速關閉，協(xié)調控制錯誤響應等現(xiàn)象的發(fā)生，極大地影響機組的運行。如果運行人員沒有及時發(fā)現(xiàn)問題的來源，持續(xù)一段時間會導致機組非停等事故。所以電流信號的中斷需要及時反饋給上位，以減少對機組安全運行的影響。為了增強電流輸出電路的可靠性[6]，如圖4所示，在負載和地之間接入斷線檢測電路，以檢測電流回路是否通暢。

圖4 可靠性設計示意圖Fig.4 Schematic diagram of reliability design

斷線檢測電路采取了過零比較的方式檢測電流是否存在。比較器的一端連接在負載和地之間，負載到地之間的線阻等效為一個較小的電阻，使得比較器這一端（負載-地端）對地存在著一個比較小的非零電勢。比較器的另一端接在兩個串聯(lián)電阻之間，在這一端（電阻端）通常電阻R1>>R2，使得電阻端的對地電勢差略大于負載-地端。當電流輸出回路處于正常的導通狀態(tài)時，比較器電阻端的電壓略高于負載-地端的電壓，比較器輸出一個高電平信號；當電流輸出回路處于斷路狀態(tài)時，回路中沒有電流，比較器電阻端的電壓勢必會低于負載-地端的電壓，比較器輸出的電平信號由高變?yōu)榈汀Ｉ衔豢梢酝ㄟ^電平信號的變位來判斷電流輸出回路的通斷，由此實現(xiàn)斷線檢測的功能，及時反映出電流信號的狀態(tài)。

2.2 控制開關設計

在電力系統(tǒng)中，電流輸出信號控制著調門開度、機組負荷等重要的調節(jié)信號，信號的準確性非常重要，偏差過大會導致超調、過調等現(xiàn)象的出現(xiàn)，影響機組的穩(wěn)定性和經濟性，嚴重時還會導致機組非停。所以，當電流輸出信號出現(xiàn)異常時，先斷開電流回路以避免錯誤的指令輸出，比較安全。

在電流轉換輸出電路和外界的負載之間加入一個控制開關，開關可以采用光耦去控制，光耦發(fā)射器的一端拉高至5V，另一端與控制器（DPU）的控制端相連。正常狀態(tài)下，控制端處于低電平，使光耦導通，電流輸出回路處于通路狀態(tài)；當處于某些異常狀態(tài)時，控制端的電壓被拉高，光耦不再導通，從而使控制開關斷開，電流輸出回路也處于斷路狀態(tài)。

電流輸出的異常狀態(tài)存在著多種情況，在不同狀態(tài)下，電流是否要繼續(xù)保持輸出要視具體情況而定。在出現(xiàn)斷電后恢復或者人為拔插的時候，在重現(xiàn)上電之后，如果控制器未檢測到電流輸出電路的異常，那么斷開電流輸出信號是沒有必要的行為，不僅會增加系統(tǒng)恢復的時間和步驟，降低時效性和快速響應能力，也會產生輸出從無到有的一個擾動，所以這種情況下不需要斷開控制開關。

當電路與控制器發(fā)生通訊中斷時，上位下達的模擬量指令無法再傳遞給電流輸出電路，此時如果切斷電流信號的輸出，可能會對協(xié)調控制系統(tǒng)產生比較大的擾動，不利于機組穩(wěn)定運行，所以采用保持當前電流輸出的方式更為合理。上位則可以通過通訊報警來發(fā)現(xiàn)當前的問題，保持對電流輸出這個小系統(tǒng)的相對無擾。

在通訊故障問題被發(fā)現(xiàn)后，對電流輸出以及其相對應的通訊模件進行檢查或者更換時，勢必會出現(xiàn)斷電重啟的操作，斷電后電路中的電流信號也會消失。這一系列操作都是在滿足更換條件下進行的，不會對機組產生干擾。在更換了新的模件，重新上電之后，如果電路沒有恢復到正常的狀態(tài)，此時電路中產生的電流很有可能并不是上位指令產生的，所以不適合將此時的電流信號輸出出去。這時控制開關將中斷電流的輸出信號，提示上位問題尚未解決。

3 結語

一種安全可靠的可調電流輸出在控制和測量領域極其重要。依據本文的這種方法，通過改變采樣電阻的阻值使得輸出電流不局限于4mA～20mA，而且利用斷線檢測和控制開關實現(xiàn)了對電流輸出安全可靠的控制，及時提示線路斷線，阻止異常狀態(tài)下電流的輸出，對于恒流源的發(fā)展具有相當現(xiàn)實的意義。