感性负载直流电阻测试仪 说明书

1、摘要在现实生活中直流电阻的测试具有很重要,例如,电力变压器绕组直流电阻测量是变压器出厂及预防性试验的主要项目之一,电力变压器绕组具有大电感、小电阻的特点,其固有的时间常数较大,测量所需时间很长,因此研究缩短电力变压器直流电阻测量时间具有重要意义。本设计结合目前较常用的各种快速测量方法,根据现场的实用性,针对绕组直流电阻测量工作中存在的问题,介绍一种利用恒流源实现感性绕组直流电阻快速测量的方法。利用恒压源对绕组进行充电,解决因电感而影响测量时间,充电结束利用恒流源进行供电,保证被测绕组电流恒定,利用A/D转换器将被测绕组的电压值输送到单片机中,由单片机进行数据处理,将电压值转换成电阻的实际值,由

2、LED出来。实现直流电阻的快速、智能化测量。关键词:恒流源感性绕组单片机 A/D转换器AbstractAccordance with the existing problems in measuring the DC Resistances of windings,the author introduces a method by means of constant voltage source to achieve fast measurement for the DC resistances of inductive coils. It is fast,reading stabilit y

3、,strong resistance to interference and acts well in practical application.The test of dc resistance is of great significance for the pra ctical work.For instance,Transformers DC resistance measurement is one of the primary prevent test before transformer leaving factory and precautionary,and the DC

4、resist ance must be measured in the course of manufacture,heavy repair ,connective test, testing average temperature rise and fault diagnoses,SO it is quite vital to measure DC resistance of windings nicel y.Because power transformers usuall y have big inductance but small resistance,they have big i

5、nherent time.The time of measuring DC resistance is very long.As time gose by,the temperature rise ,which causes the mistakes in the measure.So it is very important to study to shorten measuring time.In this dissertation.A new rapid measuring method is founded combining the constant voltage source a

6、nd constant-current source,make the control of microcontrolle,in order to fast measure transformerS DC resistance.Key words: constant current source; inductive coils; microcontroller; A/ Dconverter;目录第1章设计任务.1.1设计的技术背景和设计依据 .1.2设计的主要内容、功能及技术指标 .1.3设计任务 .1.4研究内容及主要工作.1.5章节安排. 第2章设计说明.2.1研究本设计的意义.2.2直

7、流电阻测量现状 .2.3设计要求及关键技术问题 .2.4设计方案确定 .2.3设计内容阐述 . 第3章硬件设计.3.1系统的整体框图.3.2 恒流源的设计.3.3测温模块的设计 .3.4低通滤波环节的设计 .3.5单片机智能测试系统的设计. 错误!未定义书签。3.6电压采集电路的设计 . 第4章系统软件设计 .4.1 主程序设计.4.2键盘程序设计 .4.3显示程序的设计 .4.4 A/D转换程序设计 . 第5章总结与体会 .5.1 总结.5.2 体会. 参考文献 . 外文资料 .原文.译文.附录一:硬件接线图.附录二:程序清单.附录三:器件清单.致谢. .第1章任务1.1设计的技术背景和设计

8、依据在电力系统中, 快速、高准确地测量感性负载的直流电阻将有利于对电力设备进行现场检测、故障诊断和实时维护。例如测量变压器绕组的直流电阻, 就是变压器实验中既简便又重要的试验项目之一。通过对绕组直流电阻的测量, 可以检查出绕组内部导线的焊接质量, 电压分接开关、引线与套管等载流部分的接触是否良好, 三相绕组的电阻是否平衡, 绕组所采用的导线是否符合设计要求等等, 因此意义重大, 在这方面的研究与探讨是值得的。测量方法不外乎以下三种:其一是:平衡电桥测量法;其二是:不平衡电桥测量法; 其三是:电阻一电压变换测量法。若采用电桥测量法, 其输出电压U会随被测电阻R 、的变化而变化。该方法具有使用简便

9、、可直接读数、准确度高、反映灵敏等优点; 但也有一些缺点:由于变压器绕组具有较大的电感和较小的电阻, 有的变压器的电感可高达数百亨, 并且其电阻仅为0.0001一100数量级, 如用平衡电桥测量直流电阻, 其电路相当复杂, 并且耗时效率低; 若用不平衡电桥法测量, U与R成非线性关系。为便于实现智能化测量、显示, 最简单的方法也就是采用的电阻一电压变换方法.1.2设计的主要内容、功能及技术指标本任务中,要求完成感性负载的直流电阻的自动和准确测量,实现测量过程的全自动化。具体指标如下:(1恒流源电流的稳定度:<0.3%(2量程:200m、2、20、200、2000、20000(3满量程输出

10、电压:5v(4分辨率:A/D转换器16位(5测量准确度:+0.5%(6使用电源220V+10%,50HZ1.3设计的任务1、设计满足上述要求的系统实现方案;2、选择适当的通讯方式,完成测量信号的上传;3、设计恒流源电路;4、设计电源开关的控制电路和主电路;5、设计电压、电流调理和采样电路;6、设计上述要求的系统硬件和软件;7、完成系统中元器件参数的计算和选择;1.4 研究内容及主要工作结合当前国内外感性负载直流电阻测量的现状,针对现有的电力变压器绕组直流电阻测试装置存在的问题,全面分析和综合常用的直流电阻快速测量方法的优缺点,借鉴各方面可取的经验,寻找一种更好更准确测量直流电阻的解决方案。主要

11、工作包括以下几个方面:(1参考各种资料,在分析、比较、综合现有的各种感性负载直流电阻测量方法基础上,找出一种实用可行的改进方法。(2根据改进测量方法的要求,对测试装置其主要硬件进行设计、制作与试验。(3完成测量装置系统的硬件设计和软件设计。1.5章节的安排在第二章中描述本设计的作用,进行方案的选择,确定本设计最终采用的方案。第三章是硬件的设计,包括恒流源的设计,电源切换开关的设计,滤波器,温度测量系统的设计,单片机硬件接线的方案。在第四章中设计系统的软件设计,包括主程序,模数转换程序的设计,显示、键盘的设计。第2章设计方案2.1研究本设计的意义电力变压器绕组直流电阻的测量是变压器产品出厂和用户

12、维护、检修及预防性试验的主要项目之一。变压器在制造过程中、大修后、交接试验和预防性试验以及绕组平均温升的测定和故障诊断等都必须进行上述测量与试验。通过该项试验,可以获得以下信息和判断依据,1检查绕组焊接质量;2检查分接开关各个位置接触是否良好;3检查绕组或引出线有无断折处;4确定绕组平均温升;5检查并绞导线和并联支路的正确性,是否存在并联导线绕组发生一处或多处断线的情况;6检查三相绕组是否平衡。通过绕组电阻的测量。可以检查出绕组内部导线的焊接质量:引线和绕组的焊接质量;绕组所用导线的规格是否符合设计;分接开关、引线与套管等载流部分的接触是否良好;三相电阻是否平衡等。在电力变压器的负载试验中,对

13、于附加损耗较大的变压器,要提供测量较准确的绕组电阻,以便计算电阻损耗用。在变压器温升试验中,用电阻法测量绕组平均温度时,绕组电阻的测量误差最好不超过±0.2%,以便达到温升试验的要求。基于以上情况,确定正确的测量方法,选择适当的测量设备,是保证测量绕组电阻准确度的关键。电力变压器的绕组有它固有的特点,电力变压器绕组的电感很大,约为数百至数千亨,而直流电阻很小,约为0.001IQ,并且变压器的容量越大,电压等级越高,电感与电阻的比值就越大,例如240000/330变压器,高压侧的电感约为700H,电阻约为0.6,加上测量回路其他内阻,回路的时间常数v=L /R*350s,然而充电基本结

14、束,一般至少需要大约30分钟,时间过长。这样对于测量一个普通的三相变压器全部待测绕组的直流电阻,至少长达十几个小时,在现场工作中是不能接受的。另外时间过长会导致温度上升,影响测量结果。因此,研究快速测量电力变压器绕组直流电阻具有重要的意义。2.2直流电阻测量现状目前测量电力变压器绕组直流电阻的方法大致可分为三类:一类是直接测量法,用欧姆表、万用表直接读数,或用电压表、电流表测出未知电阻两端的电压与电流,再利用欧姆定理算出电阻值;直接测量方法虽然测量简单,但误差很大、精度差、耗时长;第二类是电桥测量法,如用慧斯登电桥14J、凯尔文电桥测电阻。通过电桥的平衡,利用磁电式检流计电表指示电桥平衡来测量

15、电阻的。电桥法虽然准确度较高、量程广,但测量时平衡电桥需要时间长、效率低,而且无法观察通过被测电阻的电流变化过程。有时,电桥只能近似的平衡,不能确切的测量电阻值。另一类是快速测量方法,它包括很多种测量方法,按原理可分为静态测量法和动态测量法。静态测量法中的各种方法是通过改变影响测量时间的时间常数,使电流尽快稳定下来,来达到快速测量的目的。动态测量法是目前直流电阻快速测量方法研究的热点,是利用电感线圈充电过程中的电流、电压数据来测算直流电阻值的方法。在原理上不再要求等待电流达到稳定时才能进行测量,大大的缩短测量时间,在根本上实现了快速测量,是一种新型的测试方法。但在实际应用中,由于在理论和技术上

16、都比较成熟,直流电阻的测试仪器广泛应用在电力行业的各个部门中,同时随着电子技术和微处理器技术的飞速发展,国内外将微处理机应用到电力变压器直流电阻测量实验中,出现各种静态测量法与自动测量结合在一起,使变压器直流电阻测量提高到一个新的水平.电子测量装置在直流电阻测量中得到应用,人们已经研究出一些提高测量速度的方法,力图缩短绕组充电时间。但由于电力变压器自身的特点,特别是大型电力交压器随着容量的增大,绕组的电感与电阻的比值就越大.决定充电时间长短的时间常数就越大,仍存在充电不够快的问题。且测量时接线较为复杂且耗费工时,需要人们多次换路,不便于操作,在精度和自动测试等方面有时候还不能满足要求。因此研制

17、精密,快速,自动的直流电阻的测量装置有重要的意义。2.3设计要求及关键技术问题电力变压器绕组模型可等效为一个电感上和一个电阻R的串联,各种快速测量方法都以此模型为基础,通过各种手段来缩短测量时间,提高测量速度,虽各有优缺点,但实际试验中对测量方法的基本要求是一致的,如下:(1测量的结果能准确反映绕组直流电阻的大小。电力变压器的直流电阻值通常为0.001-1,要求测量精度为±2%左右,即测量方法能有效地分辨lOu左右的变化,即就是要求测量的准确性。(2测量的快速性。测量一相绕组的时间一般应该控制在几分钟以内。(3测量过程应要求最好无人干预,测量所用导线或测量回路所需串入的电阻、电容的大

18、小应和被测绕组无关,具有通用性,这样才便于实现自动测量,减少了人工干预的随机性,大大提高测量结果的可信度。由于电力变压器的绕组具有大电感、微电阻的特点, 因而其固有的时间常数也很大, 而且电阻值的复盖范围较宽。变压器绕组数多, 一般低压侧需测量六个绕组, 高压侧有多个分接位, 每个分接位需测量三个绕组。因此, 研制过程中必须解决下列问题。1较宽的的测量范围电力变压器绕组的阻值从几百微欧到几欧姆不等, 研制的产品至少必须复盖这一测量范围, 特别是测量范围的下限必须足够低。2很高的测量精度为使测量结果能客观地反映牵引变压器的性能, 研究的精度目标确定为测量误差小于0. 5%。这对于几百微欧的阻值而

19、言, 是一个相当不易解决的问题。3较快的测量速度牵引变压器每个绕组的电感是数亨的量级, 如上所述的阻值范围, 其固有的时间常数一般在数十秒级。为提高测量速度, 必须采取特别的措施, 减小时间常数对测量速度的影响, 使电路尽快进入稳态, 否则难以达到快速测量的要求。4减少绕组对测量精度的影响由于绕组的电感很大, 如果测量电路产生任何很小的纹波电流, 都将使被测电压产生较大的波动, 对测量精度产生很大的影响。因此,必须采取有效措施, 减小电流的纹波以削弱电感对测量精度的影响。5测量结果自动处理所有测量结果应保存于测试仪中, 以便随时查询、分析、比较, 而且必须具备温度换算、组间不平衡度计算、与标准

20、值比较等功能, 测量结果还必须能传送到计算机中, 以便制表、打印和归档保存。2.4 设计方案确定采用电压-电阻转换的方法,由欧姆定律可知R=U/I , 只要电流I恒定,就很容易得到电阻与电压的线性变换关系。这时可采用一个恒流源向被测电阻Rx供电, 再测出它两端电压Ux,便可换算出被测电阻Rx的值。图2-1 是测量变压器直流电阻的系统原理框图。其工作原理是:测量时, 先合上K1 , 变压器绕组被U充电, 充电电流按指数规律上升。当电流达到某预选值时仪器自动接通K2、断开K1。流经变压器绕组的电流由In强制供给。所以有Ux=InRx, Un=InR .其中:Rn为标准电阻(;Rx为被测感性负载的直

21、流电阻(: Ux为变压器绕组的端电压(V . Un为标准电阻的端电压(V。所以Rx=RnUx/Un。当Un/Rn=1时, 则认的值就是被测电阻Rx 的值。先用直流电压U对变压器充电是为了提高测量速度。 注:In基准恒流源;K1,K2开关;Lx,Rx,被测感性负载电感和电阻;Ux,Un被测感性负载的电压和标准电阻的电压;A1,A2仪用放大器(AD624;Ut温度测试电压;图2-1感性负载直流电阻测试系统原理图2.5设计内容阐述本装置以8051单片机为核心组成单片机控制单元,通过数据存储器和I/O口完成测试与控制功能。电源部分是通过一个开关电源产生单片机工作电源+5V,其中,继电器工作电源+12V

22、由变压器降压,整流轿整流产生。键盘有七个按键,通过按键来实现量程的选择,完成测试、通讯功能和测试的结束。测试的结果通过LED显示输出。单片机控制单元主要由8051单片机为核心,由于8051的内部程序寄存器和数据寄存器的存储空间够用,因此不需要寄存器的扩展,它用来控制整个系统,实现对上传通讯的控制,输出继电器的控制,控制键盘的输入和液晶显示的控制。继电器是用来切换测试的量程,通过键盘的输入单片机输出相应的控制信号,从而切换测试仪的量程,同时恒压源、恒流源之间的切换也有继电器实现切换。恒流源电路主要由恒流源的采样电路,比较电路等,将交流电通过整流桥将交流电变为直流电,经电流调整和电流反馈,最后实现

23、0.1mA 10A范围的稳流输出。测量回路首先由恒压源对回路进行供电,等回路充电到一定程度,绕组电流达到预选值时由单片机控制切断恒压源闭合恒流源,有恒流源进行供电,保证回路电流恒定,从而测试直流电阻。由于绕组电感的存在,且电感值一般比较大,残余电流对使用者和测试设备将构成威胁,因此必须有电流放电回路,电流放电回路由放电电阻和一个反向二极管构成,充电时二极管关断。电源对绕组充电,断电时二极管导通,绕组通过二极管和放电电阻放电。测量结束时,将继电器断开,切断电源,因变压器绕组具有大电感,电流不能立即降为零,这样就会产生很大的电势,因此必须加有放电回路,在本放电回路中,当继电器断开后。二极管导通,绕

24、组中电流通过放电电阻和二极管形成回路,完成放电过程。放电电阻的选择要适当,放电电阻越大。电阻上消耗的功率越,放电时间越短,放电回路两端的电压越高。因此放电电阻的选择既要控制放电电压值是安全的,又要使放电时间尽可能短。倍号采集是针对8051单片机而言的,为实现测量结果的显示及保护等功能,必须有采样计算电路,一方面可利用8051单片机4路16位A/D转换器以及CPU的计算处理功能,另一方面可以使用单独的A/D转换器件,故选取了ADS7825,但是,进入A/D转换器和单片机的信号必须是经过调理的信号,它要求符合以下条件:(1信号幅值不能超过±5V。(2进入ADS7825和单片机输入口的信号

25、是电压信号。(3输入信号不能干扰系统的正常工作。温度过高会影响电阻值的测量结果,因此必须有温度监控电路,利用温度传感器对装置的温度进行监控,并将温度值送入单片机进行比较,温度低于影响值时正常进行测量,一旦温度过高于影响值,单片机比较出数据高,输出信号切断电源,结束测量过程。第3章系统硬件设计3.1系统的整体框图本装置以8051单片机为核心组成单片机控制单元,完成测试与控制功能。本测试系统的总体结构如图31所示 图3-1 系统总体结构框图单片机控制单元主要由8051单片机为核心,实现对测试量程的切换,输出继电器的控制,键盘的输入和液晶显示的控制,数据的采集。恒流源电路主要由恒流源的采样电路、比较

26、电路等,将交流电通过整流桥将交电变为直流电,经电流调整和电流反馈,最后实现O.m1A10A范围的稳流输出。由于绕组电感的存在,残余电流对使用者和测试设备将构成威胁,因此必须有电流放电回路,电流放电回路由放电电阻和一个反向二极管构成,充电时二极管关断,电源对绕组充电,断电时二极管导通,绕组通过二极管和放电电阻放电。3.2恒流源的设计目前恒流源在直流电阻的测量当中广泛应用,虽然恒流源不能改变变压器绕组的电感和电阻参数,而是在测试时提高稳定的电流值,则测试时间可以缩短。同时仿真表明:较大的直流电流有利于感性负载直流电阻测量的快速性;具有高稳定度的直流电流有利于感性负载直流电阻测量的准确性。因此,恒流

27、源的设计是直流电阻测试仪设计中的一个重要的大环节。1.恒流源的分类近年来电力变压器直流电阻快速测试的研究中,恒流源器件被广泛采用,这是由于经仿真试验表明:直流电流关系到感性负载直流电阻测量的快速性和测量的准确性。因此,研究一种具有高稳定性、较强带负载能力的较大容量的恒流源直接决定感性负载直流电阻测量的准确性、快速性和可靠性。因此本节介绍恒流源的基本原理和类型。一般把能够向负载提供恒定电流的电源称为“恒流源”。所谓“恒流”是一种习惯叫法,并不是电流值绝对不变,而是在一个工作范围内保持足够的稳定性。恒流源的基本作用是消除或削弱负载电阻和环境温度变化对输出电流的影响。恒流源分类:按照所采用的调整元件

28、不同,可分为电真空器件恒流源、双极性晶体管恒流源、场效应器件恒流源和集成电路恒流源。按照调整方式不同,恒流源可分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源。间接调整型恒流源根据调整元件的工作状态不同,又分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源和组合调整型恒流源等。文中先按调整方式分类对各种恒流源电路的特点与性能作简要介绍。然后则根据采用的调整元件不同,对各类恒流源电路进行详细讨论。1直接调整型恒流源直接调整型恒流源由恒流器件和供电电源串联组成,电路结构非常简单,主要是利用了恒流器件的非线性特性对负载电流进行直接调整并使之保持稳定。作为恒流器件,早先采用镇流管,目前则广泛使用半导体恒流二极管。半导体恒流

29、二极管在电路中的连接方法及其恒流特性如图3-2(a所示。半导体恒流二极管能在很宽的电压范围UsUb以内提供十分恒定的电流,如图3-2(b,它在晶体管电路中得到了广泛应用。但是,目前恒流二极管的最大电流只是毫安级,限制了它的应用。 (a (b图3-2 流二极管构成的恒流源和伏安特性2间接调整型恒流源电子管、晶体管一般不能直接提供恒定电流,但可利用它们和其它电子元器件组合而成的恒流电路来实现恒流,所以称为间接调整。根据调整元件的工作状态不同,又分为连续调整、开关调整。(1连续调整型恒流源图3-3是连续调整型恒流源的结构示意图,其中3-3(a是开环电路, 3-3(b是闭环电路。在图3-3(a中,由基

30、准电压Us,精密电阻Rs与射极跟随器F构成连续调整型恒流源开环电路。由于跟随器的输出电压和输入电压(即基准电压Us大致相等,因此串联在输出电流通路中的实际负载上流过近似恒定的电流,它等于基准电压Us与精密电阻Rs之比,即I=Us/Rs。图3-3(b为连续调整型恒流源闭环电路,其中A为放大器,它是一个输入端接基准电压Us,另一输入端加上反馈电压IRs,由于放大器的作用,使输出电流在标准电阻Rs上的压降和基准电压近似相等,得到=Us/Rs。由此可见,连续调整型恒流源的输出电流仅由基准电压和标I准电阻决定,而与电源电压和负载变化无关。 (a 图(b图3-3 连续调整型恒流源电路(2开关调整型恒流源图

31、3-4是开关调整型恒流源,这里的电源Us通过开关s和滤波回路提供电流。由于这个电流也通过标准电阻Rs而放大器A将Rs 向负载Rl上的电压降IRs和基准电压Us比较,并对开关s进行控制以保持输出电流I的稳定。 图3-4 开关调整型恒流源图3-4中S是一个电子开关,他的形式很多,在交流输入的情况下,般采用单结晶体管触发的可控硅相控开关电路。而在直流输入时,则用多谐振荡器控制的开关电路。开关型恒流源用于输出容量大,但对恒流源性能要求不高的场合,例如用作蓄电池的恒流充电器。(3 组合调整型恒流源 图3-5组合调整型恒流源在连续调整型恒流源闭环电路中,当负载电阻很小甚至短路时,输入电源电压全部加到调整管

32、的集-射极,耗散功率很大。所以,这种电路的恒流性能虽好,但输出容量不能很大·对于开关调整型恒流源,因其调整管工作在开关状态,效率明显提高,但输出纹波较大。为了克服上述矛盾,可以采用组合调整型恒流源,即在开关调整稳压电路后紧接连续调整恒流电路。这样一来,开关电路输出的脉冲纹波经后接豹连续调整电路的调整后,最终输出的电流就十分稳定,其结构方框图如图3-5所示2、恒流源的设计方案的确定通过上述恒流源的原理分析和各类恒流源的比较,根据实际情况,对应电力变压器直流电阻测试仪的要求,对恒流源进行了设计。在电源部分,把220V交流电,经稳压器降压、整流滤波,作为恒流源器件所用的电源。其基本原理如3

33、-6图: 注:R1=10K+0.01%;RN标准电阻+0.01%;Rx被测直流电阻;图3-6 恒流源原理图恒流源的工作原理如下:基准源U in分压后,经过加法器N1A、反馈放大器N2A 。由电流放大驱动VTR电路输出电流IX。为了使输出电流稳定,除各个环节引入深度负反馈外,还从输出电流IX取样经电压跟随器N3A 反馈至加法器N1A。形成一个大反馈,进一步增强了输出电流的稳定度,使恒流源在负载变化较大范围内输出电流具有高稳定度。恒流源电流的稳定原理:运放N1A 的输出电压U1为U1=-(U in+U4(1根据一般运放分析方法 ,运放N2A的输出为U2=- U1= (U in+U4(2跟随器N3A

34、 的输出电压U4为U4=U3(3标准电阻RN ,上的电流IN为IN= ( U2-U3/ RN(4联立(1(4式可得U in= U2-U3(5因为运放N3A构成跟随电路其输人阻抗很高(1012,所以标准电阻RN 上的电流IN全部流向被测电阻Rx,即IX= IN= (U2-U3/ RN= U in/ RN(6由上式表明:(1输出电流I,与被测感性负载无关(2输入电压U。的稳定度、纹波大小、静态电流大小和温漂特性都会直接影响输出电流I。(3改交标准电阻值焉和组成恒流源的电阻置会改变输出电流的大小。为保证恒流源的技术指标R1,一般选精度较高的电阻 ,如0.01%精密电阻,电阻值取10K即可。如果三个集

35、成运算放大器的接地点布置不恰当时,有干扰信号会进入恒流源的电路中,输出电流就有一定的波动,导致恒流源工作不稳定。把它们的各个接地点接在一起,再与电源的接地点相连,电流输出稳定,可以有效抑制了干扰。图中N1A 为加法器 , N2A与VT1-VT2组成反相放大器 (其中VT1-VT2组成复合管,用于放大N2A的输出电流,最大可以输出10A的恒定电流 ,N3A是电压跟随器。该恒流源经过多次滤去纹波 ,能确保输出电流恒定。恒流源采用集成运算放大器ICL7650, 它是Intersil公司于80年代初研制成功的高精度、低漂移、动态校零CMOS 型斩波稳零式单片集成运放,其输人失调电压UOS=1.0u V

36、,只相当于通用型运放F007 的1/1000。 ,失调电压温漂为0.01u V/,每月漂移低于1u V,输人偏置电流约为100pA ,且有极高共模抑制比(130dB,开环增益A d>dB140,输人电压U in的波动对放大器输出影响很小 ,因而恒流源稳定、可靠。R2为VTR的限流电阻。3、恒流源的分析被测感性负载的直流电阻为:RX =UX/IX= UXRN/Uin(7对式(7进行全微分,则被测感性负载的直流电阻RX,的误差可以表达为:RX = (RX/RNRN+ (RX/ UXUX- RX* RX/ (UXRNUin(8式(8表明:对于一定的被测感性负载的直流电阻RX ,当RN固定不变时

37、UX 越大,RX的误差越小;RX越大,RX的误差也越大。由式(8可得系统测量的相对误差为=RX / RX=RN/RN+UX/ UX-Uin/Uin(9由于加法器N1A 的共模信号不为零,故存在共模误差。N1A的共模电压为Uin,共模抑制比可引起的误差,由于选用了 ICL7650集成运算放大器,由共模抑制比引起的误差是可以忽略的。(1恒流源特性分析可以将整个恒流源简化为图3-7所示的闭环系统控制框图(图中U02为放大器 VT1、VT2的基极电压。 图3-7恒流源闭环系统原理框图图中:K1= Ad /(Ad+2K2= Ad K3=/RbeK4= RN + RXK5= RX 闭环系统的传递函数为:T

38、(s= IX (s/ Uin(s=K1K2K3/(K1K2K3K5+K3K4+1式中为功放驱动电路的放大倍数,1000;Ad为3个运算放大器的开环电压放大倍数Ad140Db; Rbe为放大器 VT1、VT2 的b-e结电阻。假设放大器VT的基极电流为I0,由于运算放大器 N2A和功率管 VT1、VT2构成了电流的深度负反馈,同时运算放大器 N1A 和 N3A为电压的深度负反馈,即:In /U2=1/( RN+ RX则输出电流的近似表达式可简化为:In = IX= AdUin/(AdRN+ RX经反复测试,恒流源性能指标如下:a、12h内稳定度为0.01%(10A ;0.03%(5A ;0.05

39、%(0.05A; 0.07%(0.005A;温漂0.05%/b、预热时间3minc、环境温度 0-60。用集成运算放大器构成的恒流源电路中,基准电压是外设的,常用的有标准电池、锌汞电池或温度补偿型稳压管等,基准电压值的高低也可根据要求独立的选择。但是,对于集成稳压器构成的恒流源,它的基准电压内含于稳压器之中,大部分是固定的,并不设外引线端。因此选择了集成稳压器,它的基准电压值被同时确定了。常用的W317型三端可调式稳压器的基准电压最低,只有1.25V,W7805型三端固定式稳压器构成的恒流源为UR =U=5V.多端可调式稳压器WA724、WB724型的基准电压约为34V;而W2、YZ03-06

40、型为6V:W723型为7v,但因其接有引出端,因而容易通过外接电阻分压器使基准电压值连续可调。用集成稳压器构成的恒流源时,其内部基准电压高低的选择应该一分为二来分析。从提高调整率指标出发,基准电压值越高越好。但基准电压值越高,取得同样恒流源输出而采用的采样电阻值就大,因而增加了内部功耗,对于小电流恒流源问题不大,但对于安培级的恒流源,这样大的功耗就很难保证采样电阻的稳定性。据此考虑,基准点压低一些有利。但若基准电压太低,它和采样电压的差值就小,这对集成稳压器中放大器的增益、漂移和噪声提出了更高的要求。总之,在选择基准电压时要兼顾上述两个方面。一般原则是,对小电流恒流源,基准电压值可适当高一些。

41、而对大电流恒流源,在满足调整率指标条件下,基准电压值低一些好。经综合分析考虑恒流源的基准电压用本设计的芯片供电电压源。对于输入基准电压Uin,特选用 PMI公司生产的REF02 芯片(由它产生基准电压Uin,它是+5V精密电压基准/温度传感器,在-55-125范围内,输出电压最大纹波系数的典型值为 0.05%。可以有效改善恒流源的稳定性、可靠性、漂移和噪声等指标。在测量大型电力设备的直流电阻时,为提高测量的准确性和快速性,要求测试仪表具有较大的恒流输出能力(0.1-10A,很小的纹波和很高的稳定度,才能用于如 110KV级以上的大型变压器绕组等感性负载直流电阻的准确、可靠测量。本文研究的恒流源

42、能够稳定输出的最大电流为 10A,用于测量m级感性负载的直流电阻。由于一般的集成运算放大器的输出电流比较小,不能直接驱动较大的功率管,因此,要获得10A恒流源,就必须采取扩流技术。本文采用了前级驱动后级的办法,以达到扩流目的。 图3-8扩流电路原理图图 3-8表示恒流源的功率放大器环节,代替图3-5中的电流驱动电路VT1、VT2。其中RX和LX为被测感性负载的直流电阻和电感,RN为标准电阻。VTR1 选用DB237( NPN型 100V,2A,VTR2选用BD238( PNP 型 100V,2A作为前级驱动功率管。VTR3-VTR6选用MJ11032( NPN 型 120V,50A作为功率放大

43、管。下面简单介绍恒流源功率放大器的工作原理。当来自N2A的输入电压为正时,图3-8就是一个输出正电压的功率放大器,此时。调整管 VTR1、VTR3、VTR4 导通,VTR2,VTR5,VTR6截止;当来自 N2A的输入电压为负时,图 3-8就是一个输出负电压的功率放大器,此时调整管VTR2,VTR5,VTR6 导通,VTR1,VTR3,VTR4截止。由于功率管的耗散功率和输出电流较大,一个功率管往往不够用,为此采取了将参数相近的功率管并联的方法。如果只是将它们各自的3个极简单地并联,将导致各个功率管流过电流的差别很大,从而造成其中某个功率管负担过重而损坏。为避免因功率管的特性不完全相同所造成的

44、电流分配不均,需采取均流措施,即在各个功率管的发射极上接入一个平衡电阻 R5-R8,其上的电压降与流过的电流成正比,构成电流负反馈,从而使并联的几个功率管的电流比较接近。当平衡电阻增大时,其电流负反馈的作用愈强,均流的效果也就愈好;但平衡电阻上消耗的功率也就愈大。因此在设计时必须兼顾这两个方面。实践表明,取平衡电阻上的电压降在0.1-1.0 V之间比较合理。均衡电阻选用10K电阻。调整管,尤其是达林顿管 MJ11032是恒流源电路中承受功率损耗最大的功率管。晶体管的结温随着耗散功率的增大而升高,而晶体管的使用寿命随着结温的升高而呈指数下降。因此,调整管的散热问题是决定恒流源可靠性、稳定性的一个

45、重要因素。1、标准电阻的选择用集成稳压器构成恒流源时,由于采样电阻串联在主回路内,因而采样电阻自阻值的精度、功率容量、温度系数、时效变化等,对恒流性能有至关重要的影响。因此,通常的碳膜电阻不宜采用,而应选择精密金属膜电阻或精密线绕电阻。大电流输出时,最好采用温度系数更小的锰铜丝线绕电阻。由于此时的采样电阻值很小,只有零点几欧到几欧,因此必须用电流接头和电压接头分开的标准电阻。另外,连接线的长短粗细、焊接的质量、调节机构的接触电阻和稳定性也将直接影响采样值,应予以充分注意。为了避免采样电阻发热造成的不稳定,电阻功率要有一定的富裕量,必要时还应采取散热和恒温措施。连续可调问题:根据恒流源输出电流的

46、一般表达式IH =UR/RS,可见,为得到输出电流可调的恒流源,或改变基准电压UR ,或改变采样电阻RS。然而大多数集成稳压器的基准电压都是固定的,因此只有改变采样电阻。对于电流可调范围不大的恒流源,输出微调可采用精密多圈电位器。调节范围大时,则用多个电阻经转换开关改变量程。需要注意的是,开关的接触电阻必须很小,最好采用同一批号的电阻。顺便指出,上述通过改变采样电阻调节输出电流的方法有许多问题:(1电阻串联在主回路内,而采样调节机构不可能十分稳定,因而直接影响到输出电流的稳定性;(2为了减少功耗,RS足值取小一些好,所以调节范围不可能很宽;(3除非设置负电源,否则不可能从零起调;(4对于高精度

47、恒流源,几乎不可能改变作为标准的采样电阻。因此,对于大电流精密恒流源,最好采用基准电压的采样电阻。阻止的确定由公式(6IX = U in/ RN(6可知RN = U in/ IX(7由于测试仪设计了6个测量范围,6个不同的电流值,需要6个阻值,由公式(7算出电阻值表 3.1表 3.1 2、继电器开关电路的设计由于恒流源输出的电流值要有六个不同的值,通过改变标准电阻的值去改变恒流源的输出电流的值,因此要有六个不同的标准电阻作为恒流源的标准电阻,六个电阻间需要切换,所以需要有控制开关来实现电阻间的切换,本设计利用电磁继电器来实现它们之间的切换。继电器是电气控制中常用的控制器件,它实际上是用较小的电

48、流去控制较大的电流的一种“全自动开关”,因此在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器(EMR一般有通电线圈和触点(常开或常闭构成。当线圈通电时,由于磁场的作用,使常开触点闭合以及常闭触点断开,而触点输出部分可以直接与高电压连接,控制执行机动作。电路接线如图3-9。图3-9是电磁继电器的常用的接口电路,适用于继电器线圈工作电流小于300mA的场合继电器由晶体管9013驱动,继电器的动作由8051单片机控制。当有低电平输出时继电器J吸合;高电平时释放;采用这种控制逻辑可以使单片机在复位时,继电器不吸合。 注:R1、R2为1K,VD为二极管;VT为晶体管图3-9继电器开关原理图二极

49、管VD的作用是保护晶体管VT。当继电器K吸合时,二极管VD 截止,不影响电路工作。继电器K释放时,由于继电器线圈存在电感,这时晶体管VT已经截止,所以会在线圈的两端产生较高的感应电压,这个感应电压的极性是上负下正,正端接在VT的集电极上,当感应电压大于晶体管的集电结反向耐压时,晶体管VT就有可能损坏。加入二极管VD 后,继电器线圈产生的感应电流由二极管VD流过,因此不会产生很高的感应电压,晶体管VT得到保护。继电器的选型: 图3-10继电器型号说明继电器是重要的电子基础元件,它有自己的性能和工艺特点,在使用中,这些性能和特点都能影响到控制系统的质量和技术经济指标,因此对用户来讲首先是根据整机线

50、路要求正确选用合适的型号,其次是正确使用继电器,否则,一是不能充分发挥继电器性能的作用和维持固有的稳定性,甚至造成浪费。二是不能保证控制系统正常工作,从而危机到设备、系统的可靠性。型号说明如图3-10正确选用继电器的原则:a、继电器的技术性能:如触点负荷,动作时间及电气参数,机械和电气寿命等,应完全满足整机系统所提出的要求。b、继电器的结构形式(包括安装方式外形尺寸应符合使用条件的要求。c、根据工作条件合理选用继电器,如环境温度,使用湿度,振动与冲击,辐照及电磁干扰等,应不影响继电器的使用要求。本设计采用JQX-21F-2Z电磁继电器,其各项指标可以达到要求,技术参数如下表表 3.2 继电器与

51、单片机的连接:继电器的闭合、断开由单片机进行控制,由单片机的三个引脚通过控制3-8译码器74LS138选择接通继电器,由于继电器电路是在有低电平时动作,而74LS138输出信号也是低电平有效,所以不在需要中间环节有取反电路。74LS138简介:74LS138 为 3 线-8 线译码器,共有 54/74S138和54/74LS138 两种线路结构型式,其工作原理如下:当一个选通端(E1为高电平,另两个选通端(/(E2和/(E3为低电平时,可将地址端(A、B、C的二进制编码在一个对应的输出端低电平译出。真值表如表 3.3,引脚图如图3-11。表 3.3: 图3-11 74LS138引脚图3.3温度

52、监测模块设计温度过高将直接影响到测量的准确性,甚至会是测量结果错误,因此系统必须对温度进行监测,为防止机箱温度过高,特采用温度传感器进行温度监测。因此特选用REF02P芯片。它是+5V精密电压基准/温度传感器 ,准确度是士0.02% ,温度输出电压10mv/。温度稳定性250ppm/,它的原理是将温度转换成电压的输出。输出电压值随着温度的升高而升高。温度监测模块的工作原理是将温度传感器的输出电压通过A/D 转换器ADS7825的AIN2通道输入到单片机中,由单片机进行判断,当温度过高时,传感器的输出电压就会高于一定的值,单片机就发出命令,中断测量过程。由于REF02是精密电压基准/温度传感器,输出的电压比较稳定,所以将REF02的输出5V电压作为恒流源的基准电压。电路接线如图3-12所示 图3-12 RE F