（测试计量技术及仪器专业论文）一种用于线路检测的大功率数字化恒流源设计.pdf

摘要 随着电力工业的发展，对输、配电网络中电器元件断路器可靠性的自动化检 测设备的技术水平要求越来越高。试验电源的稳定、精确是保证试品合格率的基 础。目前，国内外同行业已经设计出很多电器试验检测设备，用于检验电器产品 是否已达到国家或国际标准，但大都存在着电源屯流调节不准确、功率低、智能 化水平低等不同的缺陷，难以满足检测要求。制作直流、小电流、小功率的恒流 源的技术已经成熟，而交流、大电流、大功率、高稳定度的恒流源的研制尚处于 探索阶段。本文的目的就是以闭环控制系统理论为基础，采用嵌入式系统设计技 术，实现一种用于线路检测的大电流、大功率、高稳定度的数字化恒流源系统。 本文首先介绍了国内外电器可靠性测试设备技术的现状和发展趋势，试验恒 流源的发展状况，以及未来信息技术发展对大电流、大功率、高稳定度的数字化 恒流源的需求，结合现有的技术，确定了对“一种用于线路检测的大功率、可调 节的数字化恒流源设计”的研究内容应该集中在如何设计输出电流检测电路、调 节控制单元以及人机通信平台上。在确定了研究方向和内容后，主要做了以下几 个方面的工作： 1 设计制作一套由电流提升变压器与电动自耦变压器组成的2 0 0 0 v a 的大 电流发生器，通过控制电动机带动自耦变压器中心抽头变化，可使输出 电流从o a 3 5 0 a 无级调整。 2 设计制作了输出电流检测电路，该电路采用精密绝对值技术，完全克服 了通常二极管绝对值电路固有的测量死区，使电路小信号区域表现良好， 测量精度达到1 。 3 设计制作了数字化恒流源控制系统，该系统根据检测到的电流反馈信号， 主动控制直流电机带动调压变压器，改变电流提升变压器输入电压，从 而实现输出电流动态调整，实现电流恒流输出。 4 设计制作了键盘、显示设备及存储器等人机交互平台，使实验测试仪器 各项参数的设置和显示智能化。 关键词：恒流源：检测；单片机；数字化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y t h e r ei sag r o w i n gd e m a n df o rt h e l e v e lo f t e c h n i q u eo fa u t o m a t i cd e t e c t i o nd e v i c e sa p p l i e di nt h er e l i a b i l i t yd e t e c t i o no f e l e c t r o n i cc o m p o n e n t si nn e t w o r k so fe l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b n t i o n p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo fe x p e r i m e n t a lp o w e rs o u r c ei st h eg u a r a n t e eo ft h eq u a l i t yo f p r o d u c t s c u r r e n t l y ，m a n ye x p e r i m e n t a l e l e c t r o n i cd e t e c t i o nd e v i c e sh a v eb e e n d e v e l o p e db yo v e r s e ae n t e r p r i s e st ob ea p p l i e di nt h et e s t i n go fe l e c t r o n i cp r o d u c t si n o r d e rt om e e tt h en a t i o n a lo ri n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s h o w e v e r m o s to ft h e s ep r o d u c t s a r ed e f i c i e n ti np r e c i s i o n 1 e v e lo fo h t p u tp o w e ra n di n v o l v e m e n to fc o m p u t e r i z e d c o n t r o lt e c h n i q u e sa n dt h u su n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to fd e t e c t i o n t e c h n i q u e s o fp r o d u c i n gs m a l ld i r e c tc u r r e n t ，s m a l lo u t p u tc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs o u r c e sa r e m a t u r e ；i nc o n t r a s t ，r e s e a r c ho nd e v e l o p i n gh i g h l ys t a b l el a r g eo u t p u tc u r r e n ta n d p o w e rc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ei ss t i l lo n g o i n g t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g na h i 曲l ys t a b l ed i g i t a l i z e dc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs o u r c ew i t hh i 曲c u r r e n ta n dp o w e r o u t p u tb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e ma n dt e c h n i q u e so f e m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ew o r l d w i d ec o n t e m p o r a r yt e c h n i q u e so fd e t e c t i o n d e v i c e se n s u r i n ge l e c t r o n i cp r o d u c t sr e l i a b i l i t ya n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t ，p r e s e n t d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a lc o n s t a n tc u r r e n tt e c h n i q u e sa n dt h ed e m a n df o rh i g h l y s t a b l e ，d i g i t a l i z e dc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs o u r c ew i t hh i g hc u r r e n ta n dp o w e ro u t p u t d u et ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s u p o ns u m m a r i z i n gt h e c u r r e n tt e c h n i q u e s ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e dt h a t ”t h ed e s i g no fad i g i t a l i z e dc o n s t a n t c u r r e n tp o w e rs o u r c es y s t e mw i t hl a r g eo u t p u tp o w e ra p p l i e di nc i r c u i td e t e c t i o n ” s h o u l df o c u si t sr e s e a r c ho nh o wt od e s i g nt h ed e t e c t i o nc i r c u i to ft h eo u t p u tc u r r e n t ， a d j u s t m e n ta n dc o n t r o lm o d u l ea n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ep l a t f o r m a f t e rt h e d e t e r m i n a t i o no ft h ed i r e c t i o no fr e s e a r c h s e v e r n la s p e c t so fw o r k sl i s t e da sf o l l o w h a v eb e e nd o n e 1 d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dal a r g ec u r r e n tg e n e r a t o rr 2 0 0 0 v a ) c o n s i s t so f c u r r e n t - r i s et r a n s f o r m e ra n de l e c t r o d y n a m i ca u t o t r a n s f o r m e r ，w h i c h ，t h r o u g h c o n t r o l l i n gt h e e l e c t r i cm o t o r ，c a nv a r yt h e a d j u s t a b l ec o i le n do ft h e a u t o t r a n s f o r m e ra n dt h u sc a na d j u s tt h ec u r r e n to u t p u ts m o o t h l yf r o mo at o 3 5 0 a 2 d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dd e t e c t i o nc i r c u i to ft h eo u t p u tc u r r e n t t h ec i r c u i t a d o p t e dt h ep r e c i s i o na b s o l u t e v a l v et e c h n o l o g ya n dc o m p l e t e l yo v e r c a m e t h ei n t r i n s i cd e t e c t i o nb l i n dz o n eo fc o m m o nd i o d e a b s o l u t e v a l v ec i r c u i t ， a c h i e v e dg o o dp e r f o r m a n c ew h e nt h ec i r c u i ti sa tl o wl e v e ls i g n a la r e a t h e p r e c i s i o no f m e a s u r e m e n tr e a c h e dl 王d e s i g na n di m p l e m e n t e dad i g i t a lc o n s t a n tc u i t e n tc o n t r o ls y s t e m ，w h i c h a l t e r n a t e st h ei n p u tv o l t a g eo fc u r r e n t r i s et r a n s f o r m e rb yd e t e c t i n gt h ef e e d b a c ks i g n a lo fc u r r e n ta n dc o n t r o l l i n gt h ec o n s t a n tc u r r e n tm o t o rt od r i v et h e a u t o t r a n s f o r m e ra n dt h u sa c h i e v et h ed y n a m i ca d j u s t m e n to ft h e o u t p u t c u r r e n tf o rac o n s t a n tc u r r e n to u t p u t 4 d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h ea p p a r a t u so ft h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e p a n e ls u c ha st h ek e y b o a r d ，t h ed i s p l a yd e v i c ea n dt h e m e m o r y , w h i c h d i g i t a l i z e dt h es e t t i n ga n dd i s p l a yo fp a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t a ld e t e c t i o n a p a m t u s k e y w o r d s ：c o n s t a n ts o u r c e ；d e t e c t i o n ；m i c r o c o n t r o l l e r ；d i g i t a l i z a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：翻锄 伽6 年t 月 j 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：韵鼬日期：瑚占年7 f 月 1 日 导师签名：1 錾二荡魄油一咖p i 第一章绪论 1 1 项目背景及任务的提出 第一章绪论 随着电力工业的发展，电网的容量日益增大，电器元件在自动化设备中起到重要作 用。其中断路器是电力系统中最重要的控制和保护元件，对低压配电电路、电动机或其 他用电设备实行通断操作并起保护作用。无论电路线路处在什么状态，例如空载、负载 或短路故障，当要求断路器动作时，它都应能可靠地动作，或是关合，或是开断电路。 断路器能否及时有效地切断网路中的故障电流，就成为整个网络能否正常、安全运行的 关键。 断路器应用范围非常广泛“，可分为作为电源总开关和支路近电源断开关的配电 断路器、电动机保护用断路器、家用断路器、剩余电流( 漏电) 保护断路器、灭磁断路 器等。低压断路器广泛用于低压供电系统中，一般都有过流、短过载保护功能。保护功 能的实现过程为：检测元件实时监测电压、电流，如果超过预设的阀值，断路器的脱扣 器动作，触点分开，分段电流。断路器如果发生故障，就会导致供电系统发生故障而造 成停电事故，甚至会危及供电线路和用电设备的安全，它所造成的经济损失更为巨大。 与高压断路器所保护的设备，如发电机、变压器相比，单台断路器的价格要低得多。但 是因断路器故障造成的损失，如引起其它电力设备的损坏和电力系统的停电，则远远超 过断路器本身的价值。因此，开展低压电器的可靠性研究与应用工作具有重要的意义“。 产品的可靠性是指产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。针对 产品的可靠性进行的试验称为可靠性试验，它是检验产品能否在规定的实验条件下完成 正常工作的检测手段，可以作为判断产品可靠性高低的依据。随著各种系统的大型化， 系统中所用元件或设备的数量不断增多，元件的可靠性高低直接影响系统的可靠性高 低，因此对元件的可靠性试验是十分必要而具有重要意义的”“”“1 。 小型断路器的可靠性试验方法主要包括：( 1 ) 试验条件，即指明可靠性试验的技术 条件，包括试验环境条件、被测品的安装条件、试验电源条件、负载条件及试验激励条 件；( 2 ) 试品的准备，即指明试品如何从批产品中抽取；( 3 ) 试品的检测，即试品进 行试验所需要接受检测的项目及检测的方法，其内容可分为试验前的检测、试验过程中 的检测和试验后的检测三项以及( 4 ) 失效判据，即判定试品是否失效的依据。正确鉴 一种用于线路检测的大功率数字化恒流源良计 别低压电器产品的可靠性等级可以通过低压电器产品的可靠性试验和分析来进行，而可 靠性试验装置是进行可靠性试验的必要手段。检测小型断路器能否在瞬间发生超过额定 工作电流的情况下，在规定的时间内断开回路，即检测小型断路器的短路分断能力怎样， 就成为摆在我们面前必须解决的问题之一。小型断路器的保护特性是指它们的动作时间 t ( 从过载或短路开始至小型断路器的触头打开为止所需要的时间) 与它们通过电流i 的函数关系，即f = f ( 1 ) 。为了表示方便，小型断路器的保护特性常用r = f ( i i i 。) 来表 示，式中，。为小型短路器过电流脱扣器的额定电流。对于保护用的小型断路器应与被保 护的电气线路或者设备所允许的过载特性有良好的配合，要求在电路过载时起到保护作 用；而在电路发生短路故障时，为了减少短路电流所造成的危害，要求小型断路器能够 瞬时动作，切断电路。7 1 嘲咖 由此可见，对断路器产品各项技术参数，尤其是瞬时、长延时甚至短延时的脱扣特 性的出厂及运行过程中定期的检测是非常必要的。随着低压电器的迅速发展，越来越需 要采用先进的自动化检测设备来满足企业大规模的生产，从而有效地提高产品保护特性 的准确性、可靠性和稳定性。“”“ 在断路器可靠性试验设备中，试验电源的稳定、精确是保证试品合格率的基础。否 则，无论是在断路器出厂试验还是型式试验，都会因为测试电源的波动使校验后的产品 存在着合格品被判为不合格，而不合格品被判为合格的可能，严重影响产品的质量。因 此，有必要研制一种高稳定的、满足现代电器元件测试需求的恒流源系统1 3 3 “1 。 1 2 恒流源的现状及发展趋势 1 2 1 恒流源概述 恒流源作为稳定电源的一个分支，在近三四十年间得到了迅速的发展。构成恒流源 的核心器件已由早期的电真空结构的镇流管跨入到半导体集成电路阶段。其涉足的范围 也由传统的稳定电磁场、校正电流表等扩展至激光、超导、现代通信和传感技术等新兴 科技领域，并展示了广阔的应用前景。为什么恒流源会有如此迅速的发展呢? 那当然要 取决于它的功用。“ 在实际应用中1 1 7 m “，有许多用电设备要求供给的电流保持恒定。在用通常的充 电机充电时，随着蓄电池端电压的逐渐升高、充电电流相应减小，为保证正常充电，必 ， 第一章绪论 须随时提高充电机的输出电压。采用恒流充电，可以不必调整，即使从充电装置中加入 或移去部分蓄电池也不影响正常充电，从而使劳动强度减低，生产效率提高。 电流表的校验都用恒流源。校验时，将待校验的多个电流表串接于恒流源电路中， 调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值，检查各电流表指示是否正确。如有偏差， 可通过调整磁分路或进行冲、退磁，直至符合要求。n 9 m 0 1 在广泛应用的d d z 系列自动化仪表中m m 2 m ，为避免传输线阻抗对电压信号的影 响，其现场待输信号均以恒流源给定期提供的o - l o m a ( 适用于d d z - i i 系列仪表) 或 4 - 2 0 l a ( 适用于d d z i l l 系列仪表) 直流电流作为统一的标准号，便于对各种信号进行变 换和运算，并使电一气、模一数之间的转换均能统一规定，有利于与气动仪表、数字仪表 的配合使用。 目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件：如热敏、光敏、磁敏、 湿敏等传感器，常常采用恒流源供电“。这不仅因为许多敏感器件使用半导体材料制成 的。还因为这可避免连接传感器的导线电阻和接触电阻等的影响，等等。 恒流源尤其是在测试领域中的应用非常广泛e 2 5 1 2 6 。在半导体器件参数的测量常常用 到恒流源。例如，测量晶体管的反向击穿电压时，若预先将恒流源调至测试条件要求的 电流值，则对不同击穿电压的晶体管无须调整，就可有电表或图示仪直读击穿电压的数 值。不仅提高了测试效率，延长了仪器的使用寿命，且因限制了反向电流，不致损坏被 测晶体管。同样，半导体材料参数的测量也必须采用恒流源。还有如晶体管的热阻，二 极管的正向压降，热敏电阻的阻值，电阻器阻值的测量和分级、电缆电阻的测量乃至t t l 集成电路的扇出系数，输出低电平等参数的测量等等都使用恒流源。 其他，如电阻器阻值的测量和分级；电缆电阻的测量；线性扫描锯齿波的获得；有 线通信远供电源；电泳、电解、电镀等电化学加工装置电源；以及在电子显微镜、电子 束加工机、离子注入机等电子光学设备中聚焦线圈的供电电源等等也都应用恒流源。再 有，大容量的直流电动机和某些电阻炉，如果改用恒流源启动，不但可以省去许多启动 设备，而且提高了启动质量。 归纳起来“”。，恒流源的发展大致经历了三个阶段，这三个阶段分别是电真空器件恒 流源、晶体管恒流源和集成电路恒流源。 第一阶段，电真空器件恒流源阶段 世界上最早的恒流源，大约出现在2 0 世纪5 0 年代早期当时采用的电空器件是镇流管， 一种用于线路检测的大功率数字化恒流源设计 由于镇流管优稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳定电子管的灯丝电流 电子管通常不能单独作为恒流源器件，但可以用它来构成各种恒流电路 第二阶段，晶体管恒流源阶段 进入6 0 年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出各种类型性能优越的晶体管恒流 源，并在实际中获得了广泛的应用晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具 有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源用晶体管作调整元件的各种开 环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用但晶体管恒流源的电流稳定度一般 不会太高，且最大输出电流也不过几安培它适用于那些对稳定度要求不是太高的场合。 第三阶段，集成电路恒流源阶段 到了7 0 年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段长期 以来采用分立元件组装的各种恒流源现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少 量元件集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳 定性和可靠性在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。 1 2 2 恒流源现状 恒流源可分为直流恒流源和交流恒流源。目前对恒流源的研究在直流小功率方面较 多，因为直流恒流源电路相对简单，在实验室比较容易得到，并且精度高。但在断路器 的可靠性试验中，它不能反应断路器在实际电网中工作的工频变化。交流恒流源存在稳 流困难、大电流得到难度高的问题。并且要求用作校验台的稳流技术有下列要求”： ( 1 ) 很宽的调节范围，从几安到上万安不等； ( 2 ) 稳流精度应不低于2 ； ( 3 ) 不能对波形产生附加的畸变。 目前交流恒流源的稳流主要采取以下方法”“： 手动式的交流恒流调节设备。通常采用一个自耦调压器，在负载上安装一个数显 仪表，需要人工调节电压，以控制其输出电流。其缺点是冲击电流很大，易损坏测试仪， 且响应速度慢，其调节精度及其调节时间受人为因素影响极大，精确度不够。 对电网电压整流后，串接一个大电感，限制电流的变化，达到恒流的目的。电感 与等效负载电阻的时间常数远大于一个开关周期，所以相对于一个开关周期，我们可视 之为一个恒流源；如果在数十倍或者数百倍开关周期内考虑电感电流，电感的伏秒值不 平衡，电感电流就会波动，不能再把电感电流认为是恒流源。 4 第一章绪论 在升流变压器的原边串接若干电阻，用继电器控制串接入电路中电阻的组合开来 改变输入端电流的大小，从而改变输出电流的大小。该方法调解电流值速度快，但不能 实现无级调解。 电子线路与机械传动机构相结合实现自动调压稳流，缺点是结构复杂、笨熏，调 节时机械触点有火花。易磨损、故障率高。 具有反馈系统的可控硅调相电路来达到恒流目的。但该方法通过调整可控硅截止 角实现调压恒流，正弦波将严重畸变，不能满足波形精度要求。而且需要很大的散热器， 很难减小体积，降低重量。同时，可控硅过流过压能力较差，易损坏。 以铁磁元件为调整元件( 磁放大器) 的稳流线路。如图卜l 所示，它的不足之处 在于：因为磁惯性大，响应时间较长；磁系统会产生严重的畸变的线性工作区小，一般 情况下只能实现小范围定点稳流：磁系统会产生严重的波形畸变，功率因数低。 ，袅 富 一7 9 矾 i o 、 图卜1 ( a ) 以铁磁元件调整的恒流源外观图图卜1 ( b ) 电气原理图 采用电压分节网络，如图卜2 所示。使用一个多绕组变压器，反馈系统通过双向 可控硅在正弦电流过零点切换绕组调压，实现稳流。缺点在于稳流精度取决于绕组间的 最小变化，不能消除电网电压的畸变的影响。 ，一 广一 垃 。 图1 - 2 采用电压分节网络的恒流源变压器绕组示意图 一种用于线路检测的大功率数字化恒流源设计 采用模拟的功率放大器，其优点是波形的线性度好，稳定度高、失真度小、波形 平滑，但它的缺点是效率低下、发热量大、严重影响整机的工作。 另外还可以利用现代电力电子技术，制作出具有定精度的交流恒流源。电力电子 技术即采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，它是一门综合电 力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等多门学科的边缘交叉学 科。按组成来分，电力电子系统主要分为功率器件、主电路和控制三部分。随着m o s f e t 、 i g b t 、i g c t 等现代功率半导体器件向着高速大功率方向发展，它们被广泛应用在恒流电 流源中，但是由于m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等器件只能作为大功率开关元件，它们在恒流 源电路方面的发展主要表现为p w m 拓扑和软开关技术的使用，然而由于这些大功率半导 体器件都必须工作在非线性区，输出电流失真严重，因此它们只能应用在直流和对输出 电流没有失真要求的交流恒流源中。 综上所述各种稳流的方法都有不同的缺陷，在断路器可靠性试验设备中，试验电源 的稳定、精确是提高试验成功率的基础。其中，长延时热脱扣试验是每一台低压电器出 厂试验和型式试验的必做项目，实验的目的是考核产品的热效应；电流与热量是平方关 系，为保证温升试验的准确性，测试正弦电流必需稳定。根据国家标准g b l 4 0 4 8 2 - 9 4 要求，长延时热脱扣试验的电流误差不大于2 ，正弦波失真度小于5 。 1 2 3 恒流源的发展趋势展望 近年来，虽然国际、国内电测领域对该项目进行了大量的研究，但其发展进展缓慢， 新型、适用的作为标准器的恒流源设备尚未问世。以美国的f l u k e 公司为代表生产的系 列产品作为替代装置，虽然在一定时期和一定范围内对我国的电学计量发展起了一定的 作用。但经过数年的实践证明，这些标准器普遍存在量限低，测量精度差，量限设置不 符合我国量大面广的仪器种类，给使用带来了不便。此外，随着科技工业的发展，在电 力系统中使用的电气设备等的开发研制和大规模应用，以及农村电网改造的实施，为了 检验开关保护装置( 断路器( c i r c u i tb r e a k e r ) 、分离器( d i s c o n n e c t o r ) 、避雷器 等) 的性能。，以及其他如高压开关试验、电流互感器校准试验、互感器变流比试验、 电器产品载流能力等等，对交流、大功率的恒流源的需求与日俱增。现有的小电流、直 流的恒流源技术不能满足这一需求。 进入2 l 世纪，计算机技术的蓬勃发展带动了智能化产品的开发研制，电子电气产品 的智能化设计，让非专业人士也能够在最短的时间内学会操作使用，倍受消费者的欢迎， 6 第一章绪论 增大了市场的占有率。恒流源也必将经历智能化的发展历程。 随着电能消费的不断增加和能量利用形态的高功能化，大电流技术是一个在电能的 产生、传输、变换、控制方面正在迅速崛起的领域。除了在大电力输电、利用短路发电 机的大电流试验及检测、电化学的直流大电流技术之外，还包括了核聚变技术、强磁场 产生技术、磁能存储、电磁力应用等多个尖端技术领域。目前制作小电流、小功率、高 稳定度的恒流源技术已经成熟，而大电流、大功率、高稳定度的恒流源的研制尚处于探 索阶段。 因此，如何把数字技术和智能化技术用于制作大电流、大功率、高稳定度的恒流源 成为电源领域广受关注的热点。而具有数字技术智能化设计的恒流源产品也必将成为恒 流源的发展方向。 1 3 选题意义 如上所述，恒流源的应用领域非常广阔，其发展前景十分乐观。然而迄今为止，不 少应采用恒流源供电的场合，仍不适当地使用了稳压电源。因此设计和制造各种性能的 恒流源电路实为一项有意义的工作。 恒流源作为稳定电源的分支，在电光源、电化学、通信、测量技术、电子仪器等方 面有广泛用途，其作为一项技术在电源的研究领域中有很大的发展。在电器元件，如断 路器等的试验、检测应用中，不同型号的产品的额定参数及特性差别很大，经常需要根 据待测器件型号的不同，调整测量电路中的参数值，因此，如何将恒流源设计成可调整 控制、数字化、具有数据存储功能的智能化的系统，是本实验致力解决的问题。单片机 以其体积小、成本低的特点在智能化控制领域占有很重要的地位，尤其是对外部信息及 时捕捉，对物理量传感变换信号的处理，对控制对象能灵活实时的控制，等等，都突出 体现了单片机的强大控制功能。 小型断路器的可靠性是电器可靠性领域内的一个重要课题，由于小型断路器产量大、 应用范围广，其可靠性程度的高低直接影响了统一电气回路中其他用电设备的安全和运 行。在小型断路器通电后很短时间内或者在其通电期间内，线路中有可能会出现电流的 瞬问大的波动，此时，如果因为小型断路器抗干扰能力差而出现了脱扣器应该脱扣而没 有脱扣或者脱扣器不该脱扣而脱扣的现象，就会造成同一线路中其他用电设备不能正常 运行，这个损失有时候是非常巨大的，因此对断路器热脱扣瞬动实验设备的研制就显得 尤为重要。 7 一种用于线路检测的大功率数宁化恒流源设计 经文献检索和市场调查，发现目前全国生产低压电器的工厂，都没有生产恒流源长 延时热脱扣实验台产品。现有的恒流源是8 0 年代产品，技术落后，有必要采用更为先 进的技术生产新一代的长延时热脱扣试验台。低压电器种类多、规格多，生产实际需要 各种测试、校验断路器等低压电器的试验台，所以有较为广阔的市场。目前，交流大电 流、可调节的智能化恒流源的研制，尚处开发阶段，对于本课题项目研究的前景不可限 量。本论文就是根据电子测试领域的需要，以8 9 c 5 1 为核心，辅以信号检测电路、调整 控制电路、人机交互设备等，结合现有的技术，初步设计了一种用于线路检测的大功率 数字化恒流源系统。 1 5 本论文主要完成的工作 1 系统的分析了测试恒流源的发展过程和国内外目前的水平，比较了目前常用的 几种实现大电流恒流技术，在此基础上提出了一种实用于断路器在线检测的数 字化恒流源实现方案。 2 设计制作一套由电流提升变压器与电动自耦变压器组成的2 0 0 0 v a 的大电流发生 器，通过控制电动机带动自耦变压器中心抽头变化，可使输出电流从o a 3 5 0 a 无级调整。 3 设计制作了输出电流检测电路，该电路采用精密绝对值技术，完全克服了通常 二极管绝对值电路固有的测量死区，使电路小信号区域表现良好，测量精度达 到1 。 4 设计制作了数字化恒流源控制系统，该系统根据检测到的电流反馈信号，主动 控制直流电机带动调压变压器，改变电流提升变压器输入电压，从而实现输出 电流动态调整，实现电流恒流输出。 第二章大功率数字化恒遮婆鲍整蝰然 第二章大功率数字化恒流源的总体设计 2 1 系统实现的目标 本论文是根据断路器、热继电器等低压电器元件可靠性试验仪器对电源部分的具体 要求而提出的。低压电器元件试验台要求其电源信号为实际电网工频特性；由于不同型 号的断路器特性差别很大，对测试电流大小的要求也不同，本试验设计的恒流源为范围 可调节；为了使实验测试仪器各项参数的设置和显示智能化，设计了键盘、显示设备及 存储器。 主要的技术指标要求： ( 1 ) 输入电压：u , 。= 2 2 0 v 2 0 ( 2 ) 频率f = 5 0 l t z 5 ( 3 ) 输出电流o 3 0 0 a ，线性可调 ( 4 ) 最大输出功率p 。= 2 o k w ( 5 ) 负载为纯阻性 ( 6 ) 恒流精度1 ，电流波形失真度5 ，响应速度1 6 s ， ( 校验起始时允许2 s ) 。 ( 7 ) 各种参数通过输入端来控制，并有相应的显示功能。 2 2 系统总体设计 2 2 1 设计主要思路 本课题所研究的大功率交流恒流源属于断路器、热继电器等低压电器的长延时热脱 扣试验台的电源部分。测试时，给待测断路器通以其额定电流1 2 1 3 倍工频交流电流， 断路器触点温度不断上升，温升达到一定数值后，热脱扣机构动作，分断电流。对于某 个给定型号断路器测试，实验电流恒定( 大小与其额定电流有关) ；不同型号断路器所 需试验电流因其额定电流丽异。 在仔细分析了断路器可靠性试验仪器的工作原理和它在使用过程中对电源提出的具 体技术指标后，可以提出以下的大致电路总体设计方案，并以框图的方式表示，如下图 一种用于线路检测的大功率数字化恒漉源设计 2 1 所示。 负载电流互感器 图2 - 1 整体设计方案框图 整个系统的各个单元的设计是围绕着总体设计方案展开的，对其中重要的、对技术 指标实现有较大影响的单元，有必要进行方案的分析、对比筛选，以及深入的理论分析。 2 。2 2 系统工作原理及其功能模块划分 根据系统的整体设计思路，为实现这种可调节的、交流大电流的数字化恒流源线路 检测系统，首先需要有大电流发生器，同时需以c p t , j 作为智能控制中心，利用电流互感 器感知大电流回路电流，并将其转变成交流的小电流信号，经过精密整流电路转变成直 流的电压信号，由a o 转换器转换成单片机可以读取的信号，完成了对系统实时电流信 号的采集。单片机将采集到的实际电流信号与通过键盘设置的所需电流信号按一定的数 学关系迸行比较，通过电机驱动电路控制调压器转子的正反转，从而控制输出大电流回 路的交变电流的大小。l c d 显示器可以显示设定的系统参数等信息，如设定电流值、系 统实时电流值等等，实现本系统的智能化特点。 则该系统按功能可以划分为五个模块：大电流产生模块、输出电流检测模块、调节 控制电路模块、人机通信模块和数据存储模块。 1 大电流产生模块 大电流产生模块由升流变压器、自耦变压器和变压器调节电机构成。自耦变压器输 出电压通过升流变压器转变成相应的大电流，调节电机带动自耦变压器中心抽头变化从 而调节输出电压，从而调节输出电流。 l o 第二章大功率数字化恒流源的总体设计 2 输出电流检测模块 输出电路检测模块由升流变压器、交流互感器、精密整流电路和a d 转换器组成。 交流互感器感应输出电路中的大电流信号转变为小功率的交变电流信号，经精密整流电 路转成直流的电压信号，送入a d 转换器中转换成单片机可以读取的数字信号。 3 调节控制电路模块 调节控制模块由电动调压器和电机驱动电路组成。通过软件设计，单片机将采集到 的线路中的实际电流值与设置的所需的电流值进行比较，通过电机驱动电路调节调压器 转子的转动方向与步进位移，从而达到调节线路中输出电流值的目的。 4 人机通信平台 键盘与l c d 液晶显示器的应用，实现人机信息的交互。键盘通过软件程序的控制， 可设置开、关机，以及系统所需参数如电流值的设定。对l c d 液晶显示器进行编程设计， 可以显示系统开机画面、输出线路实时电流值、设定电流值及相关参数等等。 5 数据存储模块 选用片外数据存储器，存储系统设定的数据参数，为避免每次系统开机重复设置， 以及利于掉电的数据参数保存。 系统硬件电路如图2 2 所示。 图2 - 2 系统的硬件电路图 一种用于线路检测的大功率数字化恒流源设计 第三章电流输出、检测电路单元 由于输出电流很大，达到3 5 0 a ，因此，升流变压器副边必须采用电流排来代替导线。 为把需要监控的模拟量转换成电信号，须选用合适的电流传感器，利用模数转换芯片将 采集到的模拟量转换成数字量。由于传感器输出信号幅度，以及存在升流变压器本身对 它们的干扰，所以在信号转换之前，必须对传感器信号进行调理。首先要把传感器输出 信号的幅度调整到模数转换器的输入范围内。由于这些模拟量均为低频信号，因此还要 对这些信号进行低通滤波。其电路结构框图如图3 - 1 所示。 负载 电流互感器 3 1 大电流源的产生 3 1 1 大电流产生原理图 图3 1 电流输出、检测单元结构框图 大电流产生模块由升流变压器、自耦变压器和变压器调节电机构成。自耦变压器输 出电压通过升流变压器转变成相应的大电流，调节电机带动自耦变压器中心抽头变化从 而调节输出电压，从而调节输出电流。 大电流产生的原理图如图3 2 所示，升流变压器的输入端与自耦变压器的输出端连 接，通过直流电机m 转动，带动电刷改变自耦变压器线圈匝数比来调整升流变压器输入 端电压。自耦变压器输入端连接电网电压信号u i 。，升流变压器的输出端输出的电压信 号u o 。升流变压器输入端与输出端的匝数比为n 1 n 2 ，且n i n 2 ，由变压器电流比与匝数 比关系式 生：盟 ( 3 1 ) j in 2 可知1 2 ) i l ，继而在输出端得到大电流。 第三章电流输出、检测电路单元 ui 3 1 2 升流变压器功率确定 自耦变压器 图3 - 2 大电流产生原理图 u o 本试验要求产生0 3 5 0 a 的大电流，考虑到本电流源用于断路器在线检测，断路器 触点接触电阻典型值是1 5 m q ，这样在负载上消耗的功率应该为： p = 1 2 r = 3 5 0 2 0 0 1 5 = 1 8 3 7 w( 3 - 2 ) 负载消耗功率1 8 3 7 w ，考虑变压器效率及功率裕度，我们选用升流变压器的额定容 量为2 0 0 0 v a 。 3 1 3 升流变压器铁芯参数确定 铁芯面积s 与升流变压器功率p 满足下面经验公式： i n ( s ) = o 4 9 8 x l n ( p ) + 0 2 2( 3 - 3 ) 带入功率p = 2 0 0 0 v a ，可算出铁心截面积s = 5 3 1 4 4c m 2 。根据计算结果，取s = 5 4 c m 2 选用硅钢片中间舌尺寸a = 6 0 ，叠厚尺寸b = 9 0 。 3 1 4 升流变压器每伏匝数n 确定 根据铁心截面积s 和铁心的磁通密度b ，初级线圈的每伏圈数n 可由下式确定： i n ( n ) = 一0 4 9 4 i n ( p ) 一0 3 1 7 i n ( b ) + 6 4 3 9( 3 4 ) 我们采用质量优良的硅钢片，铁心b 值取i 1 0 0 0 高斯，计算得到每伏匝数n = o 8 3 1 。 初级电压取2 2 0 v ，初级匝数n i = 2 2 0 v x o 8 3 1 = 1 8 3 。次级电压取7 v ，次级匝数 1 3 一种用于线路检测的大功率数字他恒流源设计 n 2 = 7 v x o 8 3 1 = 6 。 3 1 5 升流变压器初、次级线径确定 根据初、次级匝数以及次级最大电流3 5 0 a ，根据式3 - 1 可计算出次级电流： 扣厶鲁_ 1 1 5 a ( 3 - 5 ) 根据经验，每安培电流应该分配0 。3 m m 2 导线截面积。这样初级导线截面积为： 1 1 5 a x o 3 m m z a = 3 4 5m m 2 。 次级导线截面积为： 3 5 0 a 0 3 m m 2 g = 1 0 5m m 2 。 取初级导线截面积为4 5m m 2 ，可选用i 5 x 3m m 2 扁铜线。取次级导线截面积为1 6 0 姗2 ， 可选用6 0 x 2 咖2 铜板。 升流变压器实物照片如图3 3 ： 3 2 模拟信号的采集 3 ，2 1 电流互感器的概述 图3 - 3 升流变压嚣实物照片 互感器州、3 剐的主要作用是转变电压和电流信号，它将高电压、大电流变成低电压、 小电流，以便于测量、数据采集和控制等需要，是一次系统与二次设备之问的桥梁，同 1 4 第三章电流输出、检测电路单元 时也起着电气隔离的作用，对二次设备和操作人员的安全起到保护作用。互感器在工业 中的应用非常的广泛，凡是与电气测量与控制有关的领域一般都要用到互感器。 电流互感器和变压器很相似，变压器接在线路上，主要用来改变线路的电压，而电 流互感器接在线路上，主要用来改变线路的电流，所以电流互感器从前也叫变流器。后 来，一直把直流变成交流电的仪器设备，叫做变流器：把改变线路上电流大小的电器， 根据它通过互感的工作原理，叫做电流互感器。互感器和变压器的工作原理相同，不同 之处在于变压器转换电压或电流的目的在于传递电能，而互感器转