（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp和acdcac变换的ct特性测试仪的研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho nc tc h a r a c t e r i s t i ct e s t e rb a s e do n d s pa n da c - d c - a c a b s t r a c t i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ep r o j e c t ，t h ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v e a n do t h e rp a r a m e t e r so ft h ec u r r e n tt r a n s f o r m e ro f t e nn e e dt ob ek n o w na c c u r a t e l y , c rc h a r a c t e r i s t i ct e s t e ri st h ei n s t r u m e n tt h a ti sm e a s u r et h ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c c u w ea n do t h e rp a r a m e t e r so fc u r r e n tt r a n s f o r m e r t ot h ei n t e l l i g e n ti n t e n s i t yl o w , l o w p r e c i s i o n , b i gv o l u m ea n dh e a v yo ft h ee x i s t i n gi n s t r u m e n t so nt h em a r k e ta tp r e s e n t ， p u tf o r w a r dt oa d o p t i n ga c d c - a ca n dd s ps c h e m ef o rt e s t i n ga u t o m a t i c ，r a i s i n g e x i s t i n gi n t e l l i g e n ti n t e n s i t ya n dp r e c i s i o no fi n s t r u m e n t s o i ti s h i g h l e v e l a u t o m a t i o n ，s m a l ls i z ea n dc o n v e n i e n tt ot a k e i tc o u l ds a t i s f yp r a c t i c a ld e m a n d d k e c t l y t h ep a p e rp r e s e n t st h eo v e r a l la r c h i t e c t u r ea n ds y s t e mp r i n c i p l eo ft h et e s t e r b a s e do ns i m p l ee x p o s i t i o nt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc tc h a r a c t e r i s t i ct e s t e r p u t f o r w a r dt oa d o p t i n g ”a c - d c a c ”s c h e m er e p l a c et r a n s f o r m e ro fe x i s t i n gi n s t r u m e n t , g i v i n gt e s t i n go b j e c tv o l t a g eo fa cs t e pm o t i o nr e g u l a t i o n t h i sc a nn o to n l yr e a l i z e t e s t i n ga u t o m a t i c ，b u ta l s os t i l lc a nr e d u c et h ev o l u m ea n dm a k et h ew e i g h to ft h e i n s t r u m e n tl i g h t e ng r e a t l y i te x p o s i t i o nt ot h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r s ，c o m p o n e n t s s e l e c t i o na n dd e s i g n i n go ft h em a i nc i r c u i t , i n c l u d i n gt h ec i r c u i to fs i n g l e p h a s e r e c t i f y i n ga n di n v e r s i o n ，i g b td r i v ec i r c u i ta n ds oo n a n dt h e nb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p , w ed e s i g n e dt h eh a r d w a r ep a r t ，a l s o d e s i g n e ds o f t w a r ep a r to ft h ee q u i p m e n ts y s t e m i nd e s i g n i n gp r o c e s s ，i no r d e rt o i m p r o v i n gs a m p l i n g sp r e c i s i o n ，m a x l 2 5i su s e dt oc o n v e r t i n gd a t a ；t h i ss y s t e m a d o p t ss p w mc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pw h i c hi ss p e c i a l c h i po ft lf o rc o n t r o l ，s ot h eh a r d w a r ed e s i g na n de x p a n di n t e r f a c ec a l lb es i m p l i f i e d f i n a l l yt h ed e b u g g i n gf o r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r es i m p l ye x p l a i n e d c 铺n go nag r e a td e a lo fw o r k so ft e s t i n ga n di m p r o v e m e n ti nt h eh a r d w a r ed e s i g n p r o c e s s ，a n dt h r o u g ht h i sk i n do fh a r d w a r ed e b u g g i n ga n dt h ei m p r o v e m e n tt ot h e e q u i p m e n t ，m a k i n gt h i st e s t e rh a v eap l e a s e dr e s u l to nt h ei n t e l l i g e n ti n t e n s i t ya n dt h e p r e c i s i o n k e yw o r d s ：t e s t e r , a u t o m a t i c ，a c d c a c ，i g b t , d s p , s p w m 1 1 主要符号说明 主要符号说明 互感器原边匝数； 互感器副边匝数； 互感器原边电流： 互感器副边电流： 互感器额定变比； 互感器相角误差； 整流后波纹因数； 滤波后波纹因数； 滤波倍数； 整流器相数； i 临界电感； 直流负载电阻： 变压器热态时的内阻； 滤波器交流内阻： 各时间间隔分段内的中心角： 三角载波的幅值； 调制波的幅值； 载波比： 调制度； 调制波频率； 此卯集射电压； 此卵栅射电压； i g b t 阀值电压； 铁心截面积； 磁感应强度的最大值； 栅极电阻。 m畋凡k q岛见绋辨l吃k尼膨甜s b 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特， l j j j t l 以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不 包含为获得华东交通大学大学或其他教育机构的学位或证书所使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名三金舀至薤日期乙竺2 ：6 ：z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华东交通大学大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 无保密内容。 本人签名举导师签搏日期峭 硕士学位论文任务书 研究生姓名冷雄春学号 2 0 0 4 0 3 9 0 0 6 0 10 9 学院( 系)电气与电子工程学院 专业电力系统及其自动化 专业方向电力系统能源变换技术 论文题目基于d s p 和a c d c - a c 变换的c t 特性测试仪的研究 要求完成时间2 0 0 7 年4 月2 0 日 选题来源企业委托 主要研究任务： 1 、研究所给仪器的工作原理及结构，根据要求、完成所设计测试仪纳总体规划、 并对主电路仿真。 2 、根据装置要求计算各参数、选用合适的器件，完成交一直一交变换电路及相关 辅助电路的设计、并进行实验调试。 3 、根据系统要求、完成d s p 控制板及外围电路器件的选取和设计。 4 、研究控制系统相关部分的软件实现。 接受任务时间2 0 0 6 年3 月9 曰学生签名 玲稚齐1 导师签名 伊舀呖， 日期 枷7 车6 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能仪器概述 1 1 1 智能仪器的定义 自从1 9 7 1 年世界上出现第一种微处理器( 美国i n t e l 公司4 0 0 4 型4 位微处理器芯片) 以来，微计算机技术得到了迅速的发展，测量仪器在它的影响下被注入了新的活力，已 经取得了长足的进步。 回顾一下仪器仪表的发展史，第一代的仪器仪表是指针式的仪表，如实验室中至今 还在使用的万用表、电压表、电流表、功率表以及晶体管电压表等。这些仪表的基本结 构是电磁式的，基于电磁测量原理使用指针来显示最终测量值。第二代仪器仪表是数字 式仪表，这类仪表以其快速响应和测量的高精度得到了广泛的应用，如目前工程上和实 验室使用的数字频率计、数字功率计、数字万用表以及数字式测试仪表和数字式显示仪 表等等。这类仪表的基本原理是将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字显示 或打印最终结果。第三代的测量仪表就是智能仪器。国际上通称为微机化仪表 ( m i c r o c o m p u t e ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，这类仪器仪表中含有徼处理器、单片计算机或体积 很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器，功能丰富灵巧， 常简称为智能仪器( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ) 。智能仪器是计算机技术向测量仪器移植的 产物，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有着智能的作 用( 表现为智能的延伸或加强等) ，因而被称之为智能仪器。 1 1 2 智能仪器的主要特点 智能仪器的定义表明，当前的智能仪器是一类微计算机化的测量仪器。智能仪器与 第一代、第二代仪器仪表相比，具有以下几个方面的优点，这是由微计算机发展引起的 仪器仪表的变革i l j 。 一、智能仪表有了在线性和过程性 智能传感器和融合性多参数传感器的问世，使动态参数测取的单一性、低精度、低 灵敏度等许多缺点得到了根本性的改善，而且微机的信号“析离”和多媒体技术的实现 又使之相辅相成，使仪表不再停留在只是生产过程中的一简单装置的状态，而成为从信 号测取到信号处理、分析，进入控制、调节及显示的在线性、过程系统与装置。从广义 上讲，机器就是一个广义的智能仪表，至少应该说是一个智能仪表的群体结构。 二、智能仪表有可编程性 计算机软件进入仪表，可以替代大量逻辑电路，通常称为硬件软化。例如，在硬件 电路中要将电压除以2 就要有一个精确的分压电路，而用软件电路只需将电压对应的数 2 第一章绪论 值放在某一寄存器中，执行一次右移指令就可以实现了。再如在硬件电路中要延时较长 的时间，通常要用单稳态触发器、微分电路、二极管及反相器，而在软件中只需编一个 延时子程序即可代替这些硬件电路。这样的例子很多，特别是在控制电路中应用一些接 口芯片的位控、数控特性进行一个复杂功能的控制，其软件编程则很简单( 即可以用存 储控制程序代替以往的顺序控制) 。如果代之以硬件，就需要一大套控制和定时电路， 所以软件植入仪器仪表可较大程度地简化硬件结构，可代替常规的逻辑电路。 三、智能仪表具有可记忆特性 采用组合逻辑电路和时序电路的仪表，只能在某一时刻记忆一些简单状态，当下一 状态到来时，前一状态的信息就消失了。但微型机被应用到仪表中后，由于它的随机存 储器可以记忆前一状态信息，只要通电，就可以一直保持记忆，并且可以同时记忆许多 状态信息，需要时可以重现或进行其它形式的处理。例如，普通示波器只能显示当前时 刻的波形，而智能存储示波器可以存储若干条波形曲线，供使用者选用相比较，并且重 要的信息还可以写入仪器的r o m 或转录光盘中，以待下次实验时调用这些信息，还可 以通过遥控方式将数据存入软盘。 四、智能仪表有计算功能 由于智能仪表内含微机，因此可以进行许多复杂的计算，并且精度极高。普通的仪 表，虽然可以采用一些模拟算法电路进行一些简单的加、减、乘、除或对数运算等，但 电路的输出精度受电源、环境及器件本身的热噪声的随机干扰很大，至于复杂的计算则 根本无法用硬件来模拟实现。而在智能仪表中可经常进行诸如乘除一个常数、确定两个 校测量之比和偏离额定值的百分比、将结果移动一个常量、确定极大和极小值、被测量 的给定极限检测等多方面的运算比较。 五、智能仪表有数据处理功能 智能仪表有丰富的数据处理能力。在测量中常遇到线性化处理、工程值的转换及抗 干扰问题，由于有了微处理器和软件，这些都可以很方便地用软件来处理，这样一方面 大大减轻了硬件的负担的同时，又增强了处理功能。智能仪表还具有检索、优化等功能， 在遥控方式下利用计算机具有大容量的特点，还可以向仪表引入专家系统，对仪表的检 测结果立即作出处理意见。 六、智能仪表有自校正、自诊断、自学习及多种控制功能 智能仪表有自动校正零点、满度和切换量程的功能，大大降低了因仪表零漂和特性 变化造成的误差，同时可提高读数的分辨率；在运行过程中智能仪表可对自身各部分进 行一系列测试，一旦发现故障即能报警，并显示出故障部位，以便及时处理：由于专家 系统引入仪表，使之具有自学习、自适应的功能；控制系统中一直很难解决的诸如前馈、 解精、非线性、纯滞后、模糊控制以及复杂的p i d 控制等问题都能通过智能仪表技术的 引入和发展得到满意的解决。 总之，智能仪表是以计算机科学、微电子学、微机械学以及材料科学为理论基础， 3 第一章绪论 实现信息传感、信号检测、信号处理、信号通信及过程控制等任务功能的装置和系统。 1 1 3 智能仪器的发展现状 智能仪器发展的最新形式是虚拟仪器( v i n u a li n s t r u r a c n t s 简称v i ) ，所有测量测试 仪器的主要功能可由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示三大部分组成，其中数 据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数 据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试 仪器就称之为虚拟仪器。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现 功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各 种仪器，因此可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机 强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的 成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。当硬件平台i o 接口 设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟 仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以 不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利， 虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代。 虚拟仪器技术经过十几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬软件模块 化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块化仪器标准为基 础的虚拟仪器标准正目趋完善，建立在v x i ( v x i 总线是在v m e 总线基础上扩展而成的 仪器系统总线) 和p x i ( p x i 是p c i 总线的扩展) 技术上的各种先进仪器将会层出不穷。不 仅在电子测量领域、过程控制领域，包括人们生活的其它许多领域，利用虚拟仪器实现 复杂的测量控制系统也将越来越普遍。 1 2 国内c t 特性测试仪的发展状况 电流互感器是电力系统的重要设备，广泛的运用于供配电网络中。随着电力工业的不 断发展，电网等级不断提高，对电网的安全可靠性的要求也不断提升。由于电流互感器在 电力传输中直接起到对电网进行信号采集、测量和保护的作用，所以电网中现场运行的电 流互感器的好坏将直接影响电网的正常运行，而电流互感器在长期使用中不可避免的会 出现故障，例如：绕组线圈短路、接点电阻过大等现象。因此，对现场运行中的电流互感 器需进行定期检测，常常要准确知道电流互感器的伏安特性以及其他参数。这就需要一 种专门的测量仪器，c t ( c u r r e n tt r a n s f o 珊e r ) 特性测试仪就是测量这些参数的仪器i 。 6 0 年代以前，国内使用的c t 特性测试仪不是国外进口的就是仿制国外的，而且这些 测试仪都只能检定0 1 级以下互感器。随着我国0 0 5 级以上高准确度互感器的研制成功， 急需能检定高准确度互感器的测试仪。与此同时，国外出现了电流比较仪及其检定线路， 4 第一章绪论 但是，这种线路专门用于检定高准确度电流互感器。为了扩大这种比较仪检定线路的功 能，经过多年的探索，采用电流比较仪扩大测电流互感器误差的量限，从而研制成功国 内首台互感器测试仪比较仪式互感器测试仪，可以检定1 0 级至o 0 1 级电流互感器。 原来只能用于奥地利磁耦合式上的双级电流互感器也可在比较仪式测试仪上使用，为双 级电流互感器的发展提供了有利的条件。 7 0 年代我国提出了采用整体检定方法，可以对不同型号的测试仪采用统一的检定方 法。据此，研制成功互感器测试仪整体检定装置。它是由单相移相电源及标准互感器测 试仪组成的。后者是上述比较仪式互感器测试仪。 8 0 年代，国外开始出现各种应用电子线路和微机的自动互感器测试仪( 简称数显测 试仪) 。9 0 年代国内也研制成功了各种数显测试仪，使互感器的检定，走上了自动检测的 道路。并且开创了微机在互感器及其测试仪器上的应用。但是，仍需要手动调节。性能 不够理想，有待改进提高。 综上所述，自从5 0 年代末以来，随着生产的发展和市场需要，国内c t 特性测试仪有 了很大的发展。现在国内各试验研究单位所使用的互感器测试仪器，都是近- - _ 十年来 的科技成果。硎寺性综合测试仪由电工型、半自动型之后到现在的第三代全自动测试仪 器。 目前，市场上所采用的c t 特性测试仪技术特性主要是经过大功率的升压变压器， 来提高输出电压和电流，再配上一些电流表和电压表，对电流互感器进行伏安特性测量； 同时还可以对电流互感器的输入输出线圈的变比测量，也可以进行极性判别。这种测量 方法虽然可以实现对电流互感器的各种特性测量，但该测量方法测量的精度不高、误差 大、静态消耗比较大。智能化程度不高，工作人员劳动强度大，操作存在潜在危险，而 且自耦变压器的体积大，携带不方便。 国内生产的c t 测试仪正在进入智能化时代。主要是以计算机技术和测量技术相结 合的智能化测试系统，它是以测试技术为核心，采用一个或几个处理器来同时完成测量、 数据采集、数据处理和显示、控制等功能的智能化仪表1 3 ”。因此、我们研制一种新型全 自动的c t 特性测试仪来取代现有的半自动化的c t 特性测试仪器是非常有必要的。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题研究目标为：受华东电气有限公司委托，在该公司所拥有的半自动h d c 3 c t 伏安特性、变比、极性综合测试仪的基础上，研制一台新型的全自动c t 特性综合测试 仪，提高其智能化程度和测试精度，同时使该仪器体积减小、重量减轻。半自动h d c - 3 c t 综合测试仪样机如图1 - 1 所示。 5 第一章绪论 图1 - 1h d c - 3 c t 综合测试仪样机 f i g 1 1 t h ep r o t o t y p i n go f h d c - 3 c ti n t e g r a t e dt e s t e r 在此样机的基础上，针对该测试仪在测试环境下存在的的各种特殊问题进行研究和 探索，采用a c d c - a c 变换器取代现有仪器中所使用的自耦变压器，给被测对象施以 步进交流电压和电流，实现电压和电流的全自动测量，即c t 特性测试的全自动化：控 制电路采用d s p 处理器方案，充分利用d s p 处理器的优势，结合其它外围芯片组成多 功能c t 特性测试仪，使其朝着功能更强、功耗更小、携带使用更方便地方向发展。因 此，本课题的完成具有重大现实意义： l 、不仅实现该c t 特性测试的全自动化，提高该测试仪的智能化程度，大大减少操 作人员的劳动强度，而且减小测试仪的体积，减轻它的重量，极大的方便了用户的使用。 2 、将d s p 技术用于该仪表上，采用m a x l 2 5 进行数据转换，提高了采样精度；选 用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为核心控制芯片，借助其结构特点来实现正弦脉宽调制( s p w m ) 控制法，简化了硬件电路的设计，方便接口扩充。实现操作远程的控制，使设备全微机 化装置，不接触测试，可使测试人员远离高压设备，确保测试安全。 所设计的测试仪不仅能在功能上更完备、技术上更成熟，而且能最终以较高的性价 比投入市场，以满足目前各个用电部门对高智能化、高准确度的c t 特性测试仪的大量 需求。 1 4 本文的主要工作和安排 本课题研究的重点是实现c t 特性测量的全自动化，提高其智能化程度和测试精度， 同时使该仪器体积减小、重量减轻。本课题所作的主要工作有如下几点： ( 1 ) 对现有c t 综合测试仪样机的测试环境进行调研，存在的问题进行深入的研究和 探讨，提出相应的解决方案： 6 第章绪论 ( 2 ) 设计出测试仪的整体结构，并对所设计的仪器各个部分的硬件电路进行整体分 析： ( 3 ) 在( 1 ) 和( 2 ) 工作的基础上，根据装置要求计算各参数，选用合适的器件， 搭建交一直一交变换电路，包括驱动电路、电源电路及变压器参数计算等，并完成相应的 实验调试； ( 4 ) 完成控制电路的d s p 控制电路、接1 ：3 扩展电路及人一机对话等电路的器件选取和 设计： ( 5 ) 分析系统主要软件的实现方法，完成相应的程序设计和调试。 鉴于以上工作，本论文的结构安排及各章节内容概括如下： 第一章绪论主要介绍本次设计的研究背景及论文结构： 第二章介绍了c t 特性测试仪的一些基本依据：整个系统的方案设计，包括系统所 要完成的功能及技术指标的简述，及详细的精度分析； 第三章是本次设计工作的重点之一，详细介绍了系统主电路的具体实现，即各模 块设计、调试工作的过程和结果； 第四章本次设计工作的重点之二，d s p 控制板的具体硬件实现即各模块设计、调 试工作的过程和结果； 第五章对本次设计的软件研究工作进行了描述总结； 第六章主要介绍了实验调试及抗干扰措施，最后是总结与展望。 本章主要介绍论文研究背景以及选题意义，并对本论文的结构予以说明介绍，为以 后各章节的展开提供总体架构。 7 第一二章系统的结构及i 。作原理 第二章系统的结构及工作原理 c t 伏安特性、变比、极性综合测试仪是专门为继电保护专业试验电流互感器伏安 特性、变比测试及极性判别而设计，还可作为变压器极性判别测试，是一台性能价格比 比较高的多功能试验仪器。为了更好的介绍该仪器的设计，首先介绍一下电流互感器a 2 1 电流互感器简介 电流互感器的作用是把待测线路中的大电流变成小电流。便于用电流表进行测量和 进行继电控制，因而该互感器的原边匝数彤 副边匝数，工作状态接近于升压变压的 短路状态。基本工作原理也与一般的变压器相同，如图2 - i 所示d 川： 妒 争摩 ，2d厶 l 图2 - i 电流互感器原理图 f i g 2 - i t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f c u r r e n tt r a n s f o r m e r 当副边开路时，原边电流，就是只用来建立磁通丸的空载励磁电流厶，形成的磁 势为五彤；工作时副边电流，：形成磁势，：力图改变九，但【，。不变，丸也基本不变， 那么产生九的磁势也保持不变，即为j 。，这样，原边电流，必然增加，以抵消z ： 的去磁作用，保证合成磁势不变，即有 ，。+ j 2 = j o ( 2 1 ) 在理想情况下，即忽略线圈的电阻，铁芯的损耗及漏磁通，则有： j 1 = - 1 2 ( 2 。2 ) 牟：一娶一k ( 2 3 ) ； 这样就实现了把电流，按比例减少为电流，：。 电流互感器也存在变比误差和相角误差，变比误差的表达式： 8 第一二章系统的纠i 构及i ：什原理 点：掣x 1 0 0 ( 2 - 4 ) i k ，一额定变比，、，2 一原、副边实际电流 由式( 2 3 ) 可知，在理想的情况下，k ，2 = ，。且，。与，z 反相，但实际情况下， k ，2 印巧0 ，且，l 与2 的相位差为1 8 0 9 口，即存在相角误差口。 2 2 常用c t 特性测试仪系统工作原理 目前，我国使用的大部分c t 特性测试仪是以单片机为核心，采用自耦变压器，测试 时用人工手调的方式对c t 施加电压，对电流互感器的变比、伏安特性和极性等参数进 行测试和校核。常用的c t 测试仪的测试原理如图2 - 2 所示【2 1 ： 陌丽f = 3 l _ + 出 出 图2 - 2 常见c t 特性测试仪原理框图 f i g 2 - 2 t h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f c o m m o nc tc h a r a c t e r i s t i ct e s t e r l 、变比和伏安特性测试： 进行特性测试前，根据设定值控制调压器从0 v 开始升压，升流器从0 a 开始升流， 由自耦调压器向被检测现场电流互感器提供电源，通过转动自耦调压器使加在电流互感 器上的电压和电流信号发生改变，由取样电路对电流和电压信号进行取样。对此瞬时电压 或电流信号进行取样，再将取样信号送给芯片a d 。模数转换后送给显示模块和微处理 器。通过显示屏显示出所测参数值。 如果装嚣单机某些参数如输出电压、电流等不能满足要求，此时需采用用户自备的 外接调压器进行试验。外接调压器试验装置无法自动进行升压，只能靠人工手动转动外 部调压器的调压转盘进行升压。试验时，手动慢慢转动调压转盘，同时观察屏幕上显示 的当前电压、电流值。当电压或电流值达到所设定的数值时停止升压侠速回零。 2 、极性判别： 极性判别采用单片机控制发光管指示方式，判断所测电流互感器或变压器的同名 端。极性测试是根据电容器具有的充放电特性来作为测试极性的信号。在极性测试前电 解电容器的正极接直流电压，电解电容器中储存了电能，连接好极性测试线后按下测试 9 第一二章系统的结构及i ：作原理 键，继电器工作断丌了加在电解电容器正极上的电压。这时，电解电容器与电流互感器或 变压器的仞极线圈形成了回路，电解电容器中的储能会通过此回路放电，因此在此回路 中形成了电流。同时，在此电流互感器或变压器的次极也会有感应电流产生。而在电流 互感器或变压器的次极接有2 只三极管，一只为p n p 型，另一只为n p n 型。根据p n p 型 或n p n 型三极管的导通与截止可判断出电流互感器或变压器的同名端，并由单片机控制 同相或反相指示灯发光，达到判别电流互感器或变压器极性的目的。 可以看出，该仪器对于被测c t 所施加的步进电压是通过自耦变压器产生的，由于 对于c t 所施加的电压级别很高，所以对于操作人员来说，测试是存在潜在的危险的， 另外，该仪器只能显示每次手调后所测得的电压值和电流值，当测量下一组数据的时候， 前面一组数据就不再显示，不便于观察，而且在进行变比测试的时候，要手工记录所测 得的数据，并且，所测得的伏安特性曲线只有通过微型打印机打印出来，没有屏幕显示， 这给工作人员带来了很大的劳动强度。因此，目前市场上存在的仪器具有很大的缺陷， 智能化程度不高，工作人员劳动强度大，操作存在潜在危险，而且自耦变压器的体积大， 携带不方便。 常用的c t 测试仪的测试方法，常常出现稳定性差，示值缓慢，自动化程度低等问 题，难以满足社会发展要求。因此，有必要研制一种新型c t 特性测试仪来取代现有的 c t 特性测试仪器。 2 3 所设计的c t 测试仪的工作原理与总体设计 2 3 1 工作原理 为了解决现有仪器存在的问题，采用交直交方式对被测对象施加电压，其电压大 小采用步进方式，测量出电压和电流，控制电路采用d s p 处理器方案，根据具体的需 要还可以适当扩充一些接口，实现操作远程的控制，该设备全微机化装置，不接触测试， 设定好后完全不需人工接触而全自动进行测试，可使测试人员远离高压设备，确保测试 安全，并设计出人性化的界面。 c t 特性测试仪采用a c d c a c 变换器取代现有仪器中所使用的自耦变压器，给被 测对象施以步进交流电压和电流，使得仪器体积大大减小，重量减轻，自动化程度高， 大大减少了操作人员劳动强度，其测试原理图如图2 3 所示： 1 0 第- 二章系统的结构及i 什原理 雁藤f 二= l j - - - - - - - - 图2 3 所设计c t 特性测试仪的原理框图 f i g 2 - 3t h e 鲥n c i p t eb l o c kd i a g r a mo f d e s i g n e dc t c h a r a c t e r i s t i ct e s t e r d s p 用于产生a c d c a c 变换器的s p w m 控制信号，控制a c d c - a c 变换器向被 测对象旌以步进交流电压，并进行电压、电流测量，绘制出被测对象的伏安特性并找出 拐点。 2 3 2 总体设计及应用创新点 该c t 特性测试仪的设计主要在于硬件电路的设计。系统硬件电路分成三部分： a c d c a c 主电路部分、d s p 控制电路部分以及驱动、电源电路部分。本文研制开发的 c t 测试仪系统采用交一直一交电压源型主电路结构形式，控制部分采用d s p 芯片 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，系统结构框图如图2 4 所示。 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i i 主电路 i 图2 4 c t 特性测试仪系统结构框图 f i g ，2 4 t h es t r u c t u r e sb l o c kd i a g r a mo f d e s i g n e dc tc h a r a c t e r i s t i ct e s t e r 该仪器具有如下应用创新点： ( 1 ) 引入交一直交变换实现全自动测量，并减小装置的体积和重量； ( 2 ) 引入d s p 处理器方案，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可方便地软件生成a c d c - a c 变换器 所需的s p w m 控制信号，简化了硬件电路的设计；采用高精度的1 4 位a d 芯片m a x1 2 5 第二章系统的结构及i 作原理 进行数据转换，提高采样精度。 2 3 3 技术指标 ( 1 ) 伏安特性测试时，电流测量范围为0 2 0 a ，分辨率为：0 0 1 a ，误差 3 ，电 压测量范围为0 9 9 9 9 v ，分辨率为：0 1 v ，误差 3 ： ( 2 ) 变比测试时，原边测量范围为0 3 0 0 0 a ，分辨率为：1 a ，误差 然后由公式计算g 值。 q 2 去h 枷f ) ( 3 - z ) 其中尼。丝：3 5 4 q 1 0 a 故c l = j 2 ，r f r lf t 生x c , 1 ) 圳6 ：j 一2 0 1 0 6 2 n 5 0 3 5 4 2 1 7 9 8 5 6 ( x f ) 2 、再求上c 2 值： l 计算滤波倍数q p ； 由公式q p = 旦， 砘 ( 3 - 3 ) 其中p o 查整流电路的主要参数表，得单相桥式整流电路整流后波纹因数为0 4 7 2 。 滤波后的波纹因数见为已知条件，取q p 的值为5 ： 由绋求c 2 值： 由公式c = 老杀x 1 0 6 ， ( 3 4 ) 得c 2 = 丽q p + l 1 0 6 ：县l o s 4 n l 【) o 1 5 ： 3 求临界电感： 根据负载电阻的最大值和最小值，计算l | 缶界电感 厶= 4 p 4 4 0 r 肌l ，= k lx 吃 ( 3 5 ) 电源频率为5 0 h z 时丘值查表为1 0 6 ： 4 确定l 和c 2 值。 在满足三c 2 乘积临界电感乞的条件下列出不同的l 和c 2 值，再根据要求合理选择 1 4 第二章c t 特性测试仪的a c d c a c 士l u 路设计 一组和c 1 值。 根据工程经验取匕= 4 4 4 r 肌l ， = 托毋2 1 0 6 2 0 = 2 1 2 所h ， 直流侧滤波电容的选择：滤波电容的合理选择是很重要的，理论上，从消除直流电 压的纹波来考虑，滤波电容的值越大，直流电压越平稳，但电容容量大，会使电路开通 瞬间，充电电流很大，而且电容的体积大，价格高，考虑到体积和价格以及实际的工程 应用，这里c l 采用耐压为4 5 0 v ，容值大小为2 2 0 0 f l f ，为2 2 m h ，c 2 采用耐压为4 5 0 v ， 容值大小为4 7 0 f l f 的电解电容。 3 2s p w m 控制原理和方式 主电路有多种多样的形式，其中单相全桥电路结构简单、开关管所承受的电压、电 流应力均相对较低，且控制方式灵活。因而在许多场合得到了十分广泛的应用。 3 2 1p w m 波形的基本原理 逆变压器与整流器正好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流 的逆向过程，称之为“逆变”，其作用是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用， 把直流电能变换成交流电能。 逆变压器的种类很多，各自的具体工作原理、工作过程不尽相同，但是最基本的逆 变过程是相同的。下面以最简单的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器的“逆变” 过程。单相桥式逆变原理见图3 2 。该图中输入直流电压为e ，r 代表逆变压器的纯电 阻性负载。当开关s 1 ，s 4 接通后，电流流过s i ，r 和s 4 时，负载上的电压极性是左 正右负；当开关s l ，s 4 断开，s 2 ，s 3 接通后，电流流过s 2 ，r 和s 3 ，负载上的电压 极性反向。若两组开关s 1 ，s 4 ，s 2 ，s 3 以频率f 交替切换工作时，负载r 上便可得到 频率为f 的交流电压u 0 ，其波形见图3 3 ，该波形为一方波，其周期t = l f 。图示的电 路和波形只是逆变过程基本原理的示意描述，实际上要构成一台实用型逆变器，还需要 增加许多重要功能电路和辅助电路。 u 0 s ：e b s 图3 - 2 单相逆变桥原理 f i g 3 2s i n g l e - p h a s eh b f i d g ei n v e n e r 5 厂 厂 uut r 图3 - 3 输出波形 f i g 3 - 3o u t p mv o l t a g e 第二章c t 特性测试仪的a c d c a c 主【乜路改计 3 2 2s p w m 调制原理及方式 步入2 l 世纪之后，社会也进入了数字化时代，而数字信号处理器( d s p ) 】下是这场数 字化革命的核心。从2 0 世纪6 0 年代数字信号处理理论的崛起，到8 0 年代数字信号处 理器的产生以来，数字信号处理器的发展异常的迅猛。今天，可以说d s p 是现代信息 产业的基石，它在网络时代的地位与c p u 在p c 时代的地位一样。d s p 已经广泛的应用 到社会的各个领域，也渗透到我们的生活当中，正改变着我们的生活方式。数字产品将 代替模拟产品，其中d s p 发挥着至关重要的地位。但是，随着系统的复杂度和实时性 要求的提高，软件开发已经成为d s p 系统开发的难点和瓶颈，制约着d s p 的应用唧j 。 在设计中采用正弦波调制方法产生s p w m 。 ( 一)s p 州调制法的原理 脉宽调制信号是脉宽变化的一系列脉冲。脉冲持续若干固定的周期，每个周期内只 有1 个脉冲。那个固定的周期称为p w m ( 载波) 周期。p w m 脉冲的宽度由另一个称为调制 信号的序列决定或调制。在智能仪器中，p w m 信号用来控制开关功率器件的通断时间， 传递所需的能量给负载。调制信号的频率一般比p w m 载波的频率低得多j 。 脉宽调制( p w m ) 在诸如电梯、电机等控制系统中有着广泛的应用，其中一个重要的 原因就是p w m 实现了模拟控制的数字化，而产生p w m 的方法比较简单而且灵活。 p w m 脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输 出脉冲宽度的一种方法，这里所谓相当于基波分量的信号波并不一定指正弦波，在p w m 优化模式控制中可以是预畸变的信号波。正弦信号波是一种最通俗的调制信号，在用数 字化控制技术产生p w m 脉冲时，三角载波可以是不存在的，完全可以由软件代替，这 样可减少硬件投资，正弦波p w m 的调制信号为正弦波，其脉冲宽度是由正弦波和三角 载波相交生成。 在采样控制理论中有一个重要的结论：能量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性 的环节上时，其效果基本相同。能量即窄脉冲的面积。效果基本相等，是指环节的输出 响应波形基本相同。s p w m 调制法是建立在每一个特定时间间隔内能量等效于正弦波所 包能量的概念上发展起来的一种脉宽调制法，如图3 - 4 所示。 1 6 第二章c t 特性测试仪的a c d ca c 土电路设计 图3 - 4s p w i v l 调制的原理 f i g 3 - 4 t h ep r i n c i p l eo f s p w mm o d u l a t i o n 为了得到接近于正弦波的脉宽调制波形，可将正弦波的一个周期在时间上划分成n 等份，每一等份的脉宽都是2 兀，n 。这样就可以分别计算出在各个时间白j 隔中正弦波所包 含的面积。在每个特定的时间问隔中，都可用一个脉宽与其对应的正弦波所包含的面积 相等或成比例的，但其脉冲幅度都等于u ，的一个矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦 波部分。这样的n 个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。显然， 只要n 取得足够的大，这样一串等效的矩形脉冲序列将非常接近于正弦波的波形。假设 正弦波的幅值为吒，等效矩形波形的幅值为( ，。，则各等效矩形脉冲的宽度万为： 如古草虬s i n ( 0 ) = 老c c o s 墨号半一c o s 等同老s i n 删n 景0 - 6 ) 式中：尼= 等一告， i _ l ，2 ，3 n vv 是各时间间隔分段内的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。公式( 3 6 ) 表明：由能量等效法得出的等效脉冲宽度与分段中心角的正弦值成正比。 在实际的应用中，常用图3 5 所示的三角波调制法来实现脉宽调制的目的。它可以 很方便地利用运算放大器组成的比较器来完成这一功能。若将三角波脉冲送到比较器的 反相端( ) ，将正弦波送到比较器的同相端( + ) ，则在正弦波幅值大于三角波的电压时，比 较器的输出端将产生个脉宽等于正弦波大于三角波部分所对应的时间问隔的正脉冲。 1 7 第二章c t 特性测试仪的a c d c a c 土电路设计 图3 - 5 三角波调制法生成s p w m f i g 3 - 5t h em o d u l a t i n gm e t h o do f s p w mf r o mt r i n g u l a rw a v e ： ( 二)s p 州的数字控制 数字控制是s p w m 目前常用的控制法1 1 1 用。下面介绍几种常用的方法。 1 ) 等效面积算法 前已指出，正弦脉宽调制的基本原理就是控制面积相等的原则构成与正弦波等效的 一系列等幅不等宽的矩形波形。式( 3 - 6 ) 已给出脉冲宽度的计算公式，根据己知数据 和正弦数值可以依次算