專利名稱：鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電流功率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型與鐵路信號微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)電參數(shù)檢測裝置有關(guān)。
技術(shù)背景
鐵路一次次提速，鐵路干線上道岔采用了國際先進(jìn)技術(shù)的電動轉(zhuǎn)轍 機(jī)。鐵路信號微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)采集道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的電源電參數(shù)和其它信號， 以監(jiān)控道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)，確保鐵路安全運(yùn)行。
傳統(tǒng)的檢測道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電參數(shù)的裝置不能適應(yīng)鐵路強(qiáng)電磁干擾環(huán) 境，而且需要三只電流真有效值傳感器和一只功率傳感器。不僅成本高， 還增加了現(xiàn)場布線施工的工作量，降低了系統(tǒng)的可靠性。，若傳感器出 現(xiàn)故障需要更換傳感器，必須經(jīng)過復(fù)雜的流程，降低了效率，維護(hù)代價 咼昂
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高，安 裝和維護(hù)方便的鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電流功率傳感器。 本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的-
本實(shí)用新型鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電流功率傳感器，將轉(zhuǎn)轍機(jī)供電電源的 三相交流電壓^、比、R和三相交流電流(J'a、 A、 經(jīng)電磁隔離測 頭1輸出弱電信號到電能采集器2，電能采集器2將弱電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)
字信號輸入單片機(jī)3，單片機(jī)3將數(shù)據(jù)信號解算為三相電源總有功功率
數(shù)據(jù)信號并將所有的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成調(diào)寬脈沖信號輸入脈沖電流轉(zhuǎn)換 模塊4轉(zhuǎn)換為直流信號輸出，電源電路5分別與電能采集器2、單片機(jī)
3和脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊4連接。
電磁隔離測頭1由電壓互感器Trl、Tr2、Tr3和電流互感器Tr4—A、 Tr4—B、 Tr4一C組成，三個電壓互感器初級線圈分別與三相交流電壓 Va、 Vb、 Vc連接，三個電流互感器的初級線圈分別流過三相交流電流 ia、 ib、 ic，電能采集器2由三個集成塊U1、 U2、 U3組成，電壓互感 器Trl、 Tr2、 Tr3和電流互感器Tr4一A、 Tr4—B、 Tr4—C的次級線圈
分別與集成塊U1、 U2、 U3連接，單片機(jī)3為集成塊U4，集成塊U1、 U2、 U3與集成塊U4連接，脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊4為集成塊U7，集成塊U4與 集成塊U7連接。
電源電路5有+12V輔助電源經(jīng)DC—DC隔離電源U8變換為+3. 3V電 源為集成塊U1、 U2、 U3、 U4提供工作電源，+12V輔助電源經(jīng)運(yùn)算放大 器U6A、 U6B和穩(wěn)壓二極管N6產(chǎn)生集成塊Ul、 U2、 U3、 U4基準(zhǔn)參考電 壓VREF和集成塊U7的工作電源+5VAl。
集成塊U4與集成塊U5連接。
集成塊Ul、 U2、 U3為PWR1C，集成塊U4為MCU，集成塊U7為M5809。 電磁隔離測頭1的電壓互感器、電能采集器2、單片機(jī)3和脈沖電 流轉(zhuǎn)換模塊4位于殼體6內(nèi)，殼體6底部有安裝導(dǎo)軌7，兩側(cè)有JK1接 線端子8、和JK2接線端子9，接線端子8與穿線座IO相鄰，交流電源 ia、 ib、 ic信號輸入線穿過穿線座10的孔，交流電壓信號輸入線與接 線端子8連接，接線端子9為輸出信號端子。電壓互感器為3只微型電 壓互感器位于殼體6內(nèi)，電流互感器為3只微型電流互感器組合成分體 結(jié)構(gòu)的電流互感器Tr4，電流互感器Tr4位于殼體6上穿線座10內(nèi)，接 線端子8、 9為帶鎖定螺釘?shù)牟灏问浇泳€端子。
鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電流功率傳感器主要由電磁隔離測頭1、電能采集 器2、單片機(jī)3、脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊4和電源電路5組成。其中電磁隔 離測頭1感應(yīng)轉(zhuǎn)轍機(jī)供電交流電源高電壓和大電流并轉(zhuǎn)換為弱電信號。 電能采集器2將電壓電流信號數(shù)字化處理，內(nèi)置的乘法器將電流和電壓 相乘，得到有功功率尸(t)。單片機(jī)3高速通訊接收電能采集器2轉(zhuǎn)換 的電流數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)，快速處理并計(jì)算出三相電流有效值和電源總有 功功率。脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊4分別將表示電流有效值和電源總有功功率 的PWM (脈寬調(diào)制)信號變換為4mA 20mA直流電流輸出。本實(shí)用新型 在鐵路強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中具有高精度、高隔離、低功耗、低漂移、溫度 范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本實(shí)用新型采用帶鎖定螺釘?shù)牟灏问蕉?子接線，分體式電流測頭和卡裝式機(jī)械結(jié)構(gòu)，安裝維護(hù)方便。主要用于 鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，也可適用其它工業(yè)控制監(jiān)測等系統(tǒng)。


圖1為本實(shí)用新型的電路框圖。 圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本實(shí)用新型的端子定義圖。 圖4為本實(shí)用新型的電路原理圖。 圖5為電源電路圖之一。 圖6為電源電路圖之二。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型由電磁隔離測頭l，電能采集器2、單片機(jī)3、脈沖電流 轉(zhuǎn)換模塊4和電源電路5組成。除電磁隔離測頭的電流互感器Tr4夕卜， 都裝于殼體6內(nèi)。殼體6上有帶鎖定螺釘?shù)牟灏问浇泳€端子8、 9和卡 裝式安裝導(dǎo)軌7。
電路工作原理如下
轉(zhuǎn)轍機(jī)供電電源的三相交流電壓和三相電流經(jīng)電磁隔離測頭1轉(zhuǎn)換 成弱電信號。電磁隔離測頭l由微型電壓互感器Trl、 Tr2、 Tr3和微型 電流互感器Tr4-A、 Tr4-B、 Tr4-C構(gòu)成。微型電壓互感器Trl、 Tr2、 Tr3 將0 500V交流電壓w、 vb、 vc轉(zhuǎn)換為弱電信號fe、比、汰，并從微 型電壓互感器副邊繞組3、 4腳輸出。微型電流互感器Tr4-A、 Tr4-B、 Tr4-C將0 30A交流電流j'a、 ib、 jfc轉(zhuǎn)換為弱電信號/a、 ib、 /c從其 副邊繞組3、 4腳輸出。3只微型電流互感器Tr4-A、 Tr4-B、 Tr4-C組合 構(gòu)成組合電流互感器Tr4。組合電流互感器Tr4采用分體式結(jié)構(gòu)，方便 現(xiàn)場布線和安裝。
電磁隔離測頭1隔離轉(zhuǎn)換輸出的A相、B相、C相3相交流弱電信 號分別輸入U1、 U2、 U3電能采集器2。其中微型電壓互感器Trl副邊繞 組3、 4腳的A相交流電壓信號仏輸入U1的9、 14腳，微型電流互感 器Tr4-A副邊繞組3、 4腳的A相交流電流信號/a輸入Ul的16、 15腳； Tr2副邊繞組3、 4腳的B相交流電壓信號tt)輸入U2的9、 14腳，Tr4-B 副邊繞組3、 4腳的B相交流電流信號7b輸入U2的16、 15腳；Tr3副 邊繞組3、 4腳的C相交流電壓信號〃c輸入U3的9、 14腳，Tr4-C副邊 繞組3、 4腳的C相交流電流信號/c輸入U3的16、 15腳。Ul、 U2、 U3 電能采集PWRIC內(nèi)部的兩個ADC將電壓電流信號數(shù)字化處理，內(nèi)置的乘 法器將電流和電壓相乘，得到有功功率尸(t)。 Ul電能采集PWRIC實(shí)時 處理得出A相電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)和有功功率數(shù)據(jù)。U2電能采集PWRIC 實(shí)時處理得出B相電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)和有功功率數(shù)據(jù)。U3電能采集 PWRIC實(shí)時處理得出C相電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)和有功功率數(shù)據(jù)。
U4單片機(jī)MCU的SDI (U4-54腳)和Ul、 U2、 U3電能采集器2的
SD0 (U1-6腳、U2-6腳、U3-6腳)接口， U4單片機(jī)MCU的SD0 (U4-53 腳)和Ul、 U2、 U3電能采集器2的SDI (U1-23腳、U2-23腳、U3-23 腳)接口， U4單片機(jī)MCU的SCK1 (U4-47腳)和Ul、 U2、 U3電能采集 器2的SCLK (U1-5腳、U2-5腳、U3-5腳)接口，高速實(shí)時循環(huán)通訊采 集U1、 U2、 U3電能采集器處理后的A相、B相、C相電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù) 據(jù)和有功功率數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)U4單片機(jī)MCU解算得到A相、B相、C 相3相電源總有功功率尸(t)。
U4單片機(jī)MCU同時還將A相、B相、C相電流j'a、 /b、 ic數(shù)據(jù)分別 轉(zhuǎn)換成調(diào)寬脈沖信號(P麗)PWM1、 P麗2、 PWM3;總有功功率戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成調(diào)寬脈沖信號(PWM) PWM4。 U4單片機(jī)MCU將A相、B相、C相三相 電流P麗信號從接口 U4-33腳(P麗l)、 U4-34腳(P麗2)、 U4-1腳(P麗3) 輸出。總有功功率戶(t)調(diào)寬脈沖信號P麗4從接口 U4-31腳輸出。所 有P麗信號都輸入到U7脈電流轉(zhuǎn)換模塊M5809。
U5是上電啟動和復(fù)位IC，確保U4單片機(jī)正確啟動復(fù)位。
P麗信號輸入到U7脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊M5809轉(zhuǎn)換成4 20mA直流電 流。該模塊內(nèi)含4路PWM—4 20mA轉(zhuǎn)換電路，精度高，功耗小，單電 源+12V工作。由U4轉(zhuǎn)換的3相電流2'a、 /b、 7'c數(shù)據(jù)PWM信號分別輸入 到U7-2腳(PWM1)、 U7-3腳(PWM2)、 U7-4腳(PWM3)。 U4轉(zhuǎn)換3相總 有功功率尸(t)數(shù)據(jù)的P麗4信號輸入U7-5腳。
U7將A、 B、 C相電流ia、 /b、 j'c、和總有功功率尸(t)的P麗信 號轉(zhuǎn)換為4 20mA直流信號Iia、 Iib、 Iic、 Ip，分別從U7-12腳(Iia)、 U7-16 (Iib)、 U7-17腳(Iic)、 U7-11腳(Ip)接口輸出。
輔助電源
鐵路微機(jī)信號監(jiān)測系統(tǒng)提供+12V輔助電源+E。 DC—DC隔離電源U8 將+12V電源變換產(chǎn)生+3.3V電源VDD3.3,提供U1、 U2、 U3電能采集器 和U4單片機(jī)MCU的工作電源。+12V輔助電源+E還經(jīng)運(yùn)算放大器U6A， U6B以及基準(zhǔn)穩(wěn)壓器件N6處理產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)參考電壓VREF和數(shù)字 邏輯器件工作電源+5VAl。
本實(shí)用新型輸入輸出接線端子定義如下
接線端子8的1腳交流電壓化接線輸入，3腳交流電壓vb接線輸 入，5腳交流電壓m接線輸入。
交流電流ia、 ib、 ic輸入線穿過穿線座10的孔心輸入。 接線端子9的1腳為輔助電源+E輸入正端，2腳為輔助電源地GND;
接線端子9的3腳Ip是有功功率對應(yīng)的直流電流輸出端，4腳是 Iia對應(yīng)的直流電流輸出端，5腳是Iib電流對應(yīng)的直流電流輸出端，6 腳是lie電流對應(yīng)的直流電流輸出端。
權(quán)利要求1、鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電流功率傳感器，其特征在于轉(zhuǎn)轍機(jī)供電電源的三相交流電壓(Va、Vb、Vc)和三相交流電流(ia、ib、ic)經(jīng)電磁隔離測頭(1)輸出弱電信號到電能采集器(2)，電能采集器(2)將弱電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)(3)，單片機(jī)(3)將數(shù)據(jù)信號解算為三相電源總有功功率數(shù)據(jù)信號并將所有的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成調(diào)寬脈沖信號輸入脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊(4)轉(zhuǎn)換為直流信號輸出，電源電路(5)分別與電能采集器(2)、單片機(jī)(3)和脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊(4)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于電磁隔離測頭(1) 由電壓互感器(Trl、 Tr2、 Tr3)和電流互感器(Tr4—A、 Tr4一B、 Tr4 一C)組成，三個電壓互感器初級線圈分別與三相交流電壓(Va、 Vb、 Vc)連接，三個電流互感器的初級線圈分別流過三相交流電流(ia、 ib、 ic)，電能采集器(2)由三個集成塊(Ul、 U2、 U3)組成，電壓互感器(Trl、 Tr2、 Tr3)和電流互感器(Tr4一A、 Tr4—B、 Tr4一C)的次級 線分別與集成塊(Ul、 U2、 U3)連接，單片機(jī)(3)為集成塊(U4)，集 成塊(Ul、 U2、 U3)與集成塊(U4)連接，脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊(4)為 集成塊(U7)，集成塊(U4)與集成塊(U7)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于電源電路(5)有+12V 輔助電源經(jīng)DC—DC隔離電源(U8)變換為+3. 3V電源為集成塊(Ul、 U2、 U3、 U4)提供工作電源，+12V輔助電源經(jīng)運(yùn)算放大器(U6A、 U6B)和穩(wěn) 壓二極管N6產(chǎn)生集成塊(U4)基準(zhǔn)參考電壓VREF和集成塊(U7)的工 作電源+5VAl。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于集成塊(U4)與集 成塊(U5)連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的傳感器，其特征在于集成塊(U1、 U2、 U3)為PWR1C，集成塊(U4)為MCU，集成塊(U7)為M5809。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于電磁隔離測頭(1) 的電壓互感器、電能采集器(2)、單片機(jī)(3)和脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊(4) 位于殼體(6)內(nèi)，殼體(6)底部有安裝導(dǎo)軌(7)，兩側(cè)有接線端子(8、 9)，接線端子(8)與穿線座(10)相鄰，交流電源電流(ia、 A、 A) 輸入線穿過穿線座(10)的孔，交流電源電壓(W、 Vb、 「c)輸入線與接線端子(8)連接，接線端子(9)為輸出信號端子，電壓互感器為3 只微型電壓互感器位于殼體(6)內(nèi)，電流互感器為3只微型電流互感 器組合成分體結(jié)構(gòu)的電流互感器Tr4,電流互感器Tr4位于殼體(6)上 穿線座(10)內(nèi)，接線端子(8、 9)為帶鎖定螺釘?shù)牟灏问浇泳€端子。
專利摘要本實(shí)用新型為鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電流功率傳感器，解決已有電流功率傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差，維護(hù)代價高的問題。轉(zhuǎn)轍機(jī)供電電源的三相交流電壓(Va、Vb、Vc)和三相交流電流(ia、ib、ic)經(jīng)電磁隔離測頭(1)輸出弱電信號到電能采集器(2)，電能采集器(2)將弱電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)(3)，單片機(jī)(3)將數(shù)據(jù)信號解算為三相電源總有功功率數(shù)據(jù)信號并將所有的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成調(diào)寬脈沖信號輸入脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊(4)轉(zhuǎn)換為直流信號輸出，電源電路(5)分別與電能采集器(2)、單片機(jī)(3)和脈沖電流轉(zhuǎn)換模塊(4)連接。
文檔編號B61L5/00GK201201614SQ200820063150
公開日2009年3月4日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者任夢林, 唐小平, 景小軍, 楊春宇, 王旭明, 陶瑞昌 申請人:綿陽市維博電子有限責(zé)任公司