CN101710787B

CN101710787B - 一种正弦波大电流的产生方法及装置

Info

Publication number: CN101710787B
Application number: CN2009102047162A
Authority: CN
Inventors: 任一峰; 丁爱玲; 崔亚; 赵俊梅; 任作新
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101710787A

Abstract

本发明涉及一种正弦波大电流的产生方法及装置，装置包括单片机，至少一个前反馈检测电路、至少一个电子开关电路、至少一个高频升流器、至少一个滤波器、至少一个后反馈检测电路；大电流的产生方法是第一步前反馈检测是否发生电源波形畸变，第二步通过单片机控制电子开关电路的开闭时间，将交流电源斩波成一串间隔的具有一定宽度高度不一致的脉冲；第三步将斩波后串脉冲输入高频升流器进行高频升流；第四步将高频升流的电流通过滤波器进行滤波，产生与原交流电源频率一致的大电流；第五步通过后反馈检测输出的大电流是否下降，调整相应的串脉冲的宽度，通过该方法能够产生电流值稳定，波形为正弦波，波形失真度小的大电流，而且本装置体积小。

Description

一种正弦波大电流的产生方法及装置

技术领域

本发明涉及一种正弦波大电流的产生方法及装置，特别涉及电工测试仪器用的正弦波大电流的产生方法与装置。

背景技术

在电工测量中，常常需要正弦波的大电流信号，例如在电流互感器的性能检测、电网综合保护器及电动机综合保护器的性能检测中就要使用正弦波的大电流的信号；电流值大到上万安培。

国内有很多厂家生产大电流发生器，产生可控正弦大电流的原理是用调压器去控制基于变压器原理的升流器，即交流电源经过调压器和升流器后产生正弦波的大电流的信号；这样大电流发生器普遍存在以下缺点：

1、国内的正弦波大电流发生器的体积大，

2、其原理是手动控制调压器的输出，改变升流器的输入电压实现对输出电流控制的，工作原理较落后，大电流的控制是通过手工调整调压器供给升流器的电源实现的。。

3、特别是国产大电流发生器输出的电流会随负载发生变化，没有稳定电流功能；稳定的输出电流是必须的，因为大电流下负载会很快发热，其电阻值迅速增大，如无稳定输出电流功能，是不可能实现精确测量的，用国产大电流发生器进行检测时，检测过程中为稳定测试信号，只能手工调节输出电流的大小，很不稳定，很不准确。

4、正弦波大电流的波形失真度大。

5、无正弦波大电流输出时间控制功能，保护方面只是用热继电器实现简单的过载保护。

有鉴于测试时需要大电流发生器输出的大电流测试信号的电流值应稳定，波形应为正弦波，波形失真度小等，同时也需要大电流发生器体积小便于携带，促使本发明人研发一种新的大电流发生方法及发生装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正弦波大电流的发生方法，通过该方法能够产生电流值稳定，波形为正弦波，波形失真度小的大电流。

本发明的另一目的在于提供一种正弦波大电流的发生装置，该装置不仅体积小，而且能够产生电流值稳定，波形为正弦波，波形失真度小的大电流。

本发明的正弦波大电流的通过以下方法发生：

第一步前反馈检测，先通过与单片机相联的前反馈检测电路对交变电源进行检测，检测输入的交流电源是否发生电源波形畸变，单片机将检测的值与标准值比较，按偏差控制与单片机相联的电子开关电路的开闭时间；

第二步斩波，通过单片机控制电子开关电路的开闭时间，将交流电源斩波成一串间隔的具有一定宽度高度不一致的脉冲；

第三步升流，将斩波后串脉冲输入原方线圈匝数大于付方线圈匝数的高频升流器进行高频升流；

第四步高频滤波，将高频升流的电流通过滤波器进行滤波，产生与原交流电源频率一致的大电流；

第五步后反馈，通过与单片机相联的后反馈检测电路对输出的大电流进行检测，输出的大电流是否因负载原因引起电流下降，单片机将检测的结果与标准值比较，按偏差控制电子开关电路的开闭时间以调整相应的串脉冲的宽度。

一种正弦波大电流的发生装置：包括单片机，至少一个前反馈检测电路、至少一个电子开关电路、至少一个高频升流器、至少一个滤波器、至少一个后反馈检测电路；所述的前反馈检测电路与单片机相联，用于检测输入的交流电源的电源波形，并将检测结果传输到单片机；所述的电子开关电路与单片机相联，受单片机控制开闭，将检测后的交流电源斩截成一串间隔的具有一定宽度高度不一致的脉冲；所述的高频升流器由原方线圈匝数大于付方线圈匝数的降压器构成，用于将串脉冲高频升流；所述的滤波器用于高频升流后的大电流还原成与原交流电源频率一致的大电流；所述的反馈检测电路与单片机相联，用于检测输出的大电流是否因负载原因引起电流下降，并将检测结果传输到单片机；所述的单片机分别将前反馈的值和后反馈的值与标准值相比较，按偏差控制电子开关电路的开闭时间以调整相应的串脉冲的宽度。

上述的单片机与上位机相联。

上述的前反馈检测电路包括电流互感器和A/D转换器。

上述的电子开关电路包括开关控制电路、驱动隔离电路、电子开关。

上述的滤波器是由电感与电容组成的低通滤波器。

上述的后反馈检测电路包括电流互感器和A/D转换器。

上述的前反馈检测电路、电子开关、高频升流器、滤波器、后反馈检测电路组成一个功能模块，所述的功能模块数量为1～20个。

上述的高频升流器的铁芯采用铁氧体

上述的高频升流器的付方线圈由多股相互绝缘细导线编织成。

本发明产生大电流的方法和装置主要将连续的一个周期交变电源斩成一串断续间隔的高度不一致的脉冲，如果在一个交变周期内就产生了N个脉冲，相当于加于高频升流器原方线圈的电源频率增大了N倍，在U不变情况下，频率升高，升流器的原方线圈匝数将减小，付方线圈匝数也相应减少，铜耗也下降了，发热减小了，输出电流可以更大，并且由单片机将前反馈的值和后反馈的值与其相应的标准值比较，按偏差控制电子开关的开闭时间以调整相应的串脉冲的宽度，使输出的大电流值稳定。

附图说明

图1是本发明技术方案原理总体结构图；

图2是原交变电源波形与斩波后的交变电源波形比较图；

图3是本发明实施例中电子开关电路与高频滤波联接框图；

图4是发生畸变的交变电源、斩波后的交变电源波形与修正后的交变电源波形对比较图；

图5是本发明的功能模块并联示意图。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

本发明的一种正弦波大电流的发生装置的原理总体结构如图1示：包括单片机1，至少一个前反馈检测电路2、至少一个电子开关电路3、至少一个高频升流器4、至少一个滤波器5、至少一个后反馈检测电路6；所述的前反馈检测电路2与单片机1相联，前反馈检测电路2包括电流互感器21和A/D转换器22，电流互感器21感应原交变电源，A/D转换器22将电流互感器21感应电源值转变成单片机1能够接收的信号值；如图电子开关电路3包括开关控制电路、驱动隔离电路、电子开关，开关控制电路用于接收单片机1发出的控制信号、并将控制信号处理成驱动隔离电路能够接收的信号，驱动隔离电路是一个光电藕合器，一方面隔离电子开关上交变电源，避免交变电源传递到开关控制电路和单片机1，保护开关控制电路和单片机1不致烧坏；电子开关采用绝缘栅双极型晶体管。

高频升流器4实质是一个原方线图匝数大于付方线圈匝数的降压器；滤波器5是由电感与电容组成的低通滤波器，它将高频升流器输出中的高频滤掉，最终实现与交流电源同频率的正弦波大电流输出的；后反馈检测电路6包括电流互感器61和A/D转换器62，电流互感器61感应输出的大电流值，A/D转换器22将电流互感器61感应电流值转变成单片机1能够接收的信号值；单片机1分别与前反馈检测电路2、电子开关电路3、后反馈检测电路6相联。

本技术方案实现大电流的方法原理如下：首先将交变电源U(50Hz)，经电子开关电路3斩波变为频率较高的交变电源U’(5-20KHz其他需要设定的频率)简称U’为斩波，斩波的电子开关电路示意如图3所示，图中的Q1和Q2是大功率的绝缘栅双极型晶体管IGBT(lnsulated Gate Bipolar Transistor)，在Q1接通Q2断开时，交变电源U’加到了高频升流器4的原方；在Q2接通Q1断开时，高频升流器4两端所加电压为零故得到交变电源U’的斩波，斩波前后之波形示意如图2所示，一个完正交变电源U的正弦波被斩截成一串间隔的具有一定宽度高度不一致的脉冲，这样就将连续的一个周期交变电源U斩成一串断续的高度不一致的脉冲，如果在一个交变周期内就产生了N个脉冲，相当于加于高频升流器4原方的电源频率增大了N倍，根据加在变压器原方的电压与线圈匝数和电源频率有以下关系：

U＝4_o 44fwφ

在U不变情况下，频率升高，高频升流器4的原方线圈匝数将减小，例如加于高频升流器4的电源频率升高100倍，理想情况下原方线圈匝数可以减小100倍，高频升流器4实际是一个降压变压器，变压器原方线圈匝数多，付方线圈匝数少，按变压器原理原付方的的电压与电流是反比例的。

即：U1/U2＝I2/I1

因此如果U1＝220V，U2＝2.2V，则在I1＝100A时I2＝10000A，输出电流可以大幅度增大。高频升流器4的原方线圈匝数减少，付方线圈匝数也相应减少，铜耗也下降了，发热减小了，输出电流可以更大，进一步采用铁氧体做铁芯，可使铁芯中有较高的磁通φ，可以进一步减小高频升流器4付方线圈匝数，付方线圈匝数一般取为一匝，这样高频升流器4的体积可以大大缩小，此外付方线圈还可以使用由多股相互绝缘细导线绕成解决高频引起的集肤效应与涡流发热。

本方案还要求输出电流要稳定，但在输出大电流时，由于负载的发热，负载阻抗增大会使输出电流下降，因此本方案采用前反馈与后反馈结合的控制结构，如所图1示：前反馈电路2的作用是检测输入的交流电源的电源波形，并将检测结果传输到单片机1；单片机1将检测值与标准正弦波(单片机1内存储的正弦波数椐)比较，发现电源波形畸变时，按偏差E1修改个别脉冲的宽度A，从如改善正弦输出的波形，如图4所示，电源波形已非正弦波，但经过控制个别脉冲的宽度，输出电流的波形得到了改进。

后反馈电路6的作用是检测输出的大电流是否因负载原因引起电流下降，并将检测结果传输到单片机1，单片机1将检测值与设定输出的电流(单片机1内存储的设定输出的电流数椐)比较，发现输出电流下降时，按偏差修改相应脉冲的宽度A，从而改变大电流输出。

本方案采用高频滤波5将高频升流器4输出中的高频去掉，最终实现与交流电源同频率的正弦波大电流输出，高频升流器4输出中的主要含有与斩波同频的高频，还含有其他更高次的谐波，这些谐波都是应该去掉的。因为是斩波引入的高频频率较高，用较小的电感和电容就能做到滤波。

本方案可以采用模块组合方法实现更大的电流输出，如一个单片机1、一个反馈检测电路、一个电子开关电路3、一个高频升流器4、一个滤波器5、一个后反馈检测电路6共同组成一个功能模块，如果一个模快输出电流不够就按需要增加模块数量，如图5的所示，连接时注意每个模块输出的极性，将各模块输出并连在一起就能增大输出电流，如每个模块输出1000A，那么块数量可以是1个、4个、10个或20个，甚至更多，输出的电流就相应是1000A、4000A、10000A、20000A等，由于每个模块，可以单独使用又自动实现了稳流功能，因此可将它们组合实现更大的输出电流。

本方案单片机1可以通过RS485与上位计算机相联，由上位计算机设定每个模块的输出电流的设定值，此设定值可以是小于或等于模块额定值的任意值，多个模块组合就能实现任意大的电流输出。

本方案的特点是：

开关数量少，电路拓朴简单。

用电子开关技术直接对交流电源进行斩波，实现了正弦波大电流高频化。

用高频升流减小了大电流发生器体积。

用前馈与反馈的控制结构，通过调节脉冲宽度解决了电流输出的稳定及波形失真问题。用上位计算机协调多个模块实现更大电流的输出。

Claims

1.一种正弦波大电流的产生方法，其特征在于：

第二步斩波，通过单片机控制电子开关电路的开闭时间，将一个周期内交流电源斩波成一串间隔的具有一定宽度高度不一致的N个脉冲；

2.一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：包括单片机，至少一个前反馈检测电路、至少一个电子开关电路、至少一个高频升流器、至少一个滤波器、至少一个后反馈检测电路；所述的前反馈检测电路与单片机相联，用于检测输入的交流电源的电源波形，并将检测结果传输到单片机；所述的电子开关电路与单片机相联，受单片机控制开闭，将检测后一个周期内的交流电源斩截成一串间隔的具有一定宽度高度不一致的N个脉冲；所述的高频升流器由原方线圈匝数大于付方线圈匝数的降压器构成，用于将串脉冲高频升流；所述的滤波器用于高频升流后的大电流还原成与原交流电源频率一致的大电流；所述的反馈检测电路与单片机相联，用于检测输出的大电流是否因负载原因引起电流下降，并将检测结果传输到单片机；所述的单片机分别将前反馈的值和后反馈的值与标准值相比较，按偏差控制电子开关电路的开闭时间以调整相应的串脉冲的宽度。

3.如权利要求2所述的一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的单片机与上位机相联。

4.如权利要求2所述的一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的前反馈检测电路包括电流互感器和A/D转换器。

5.如权利要求2所述的一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的电子开关电路包括开关控制电路、驱动隔离电路、电子开关。

6.如权利要求2所述的一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的滤波器是由电感与电容组成的低通滤波器。

7.如权利要求2所述的一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的后反馈检测电路包括电流互感器和A/D转换器。

8.如权利要求2所述一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的前反馈检测电路、电子开关、高频升流器、滤波器、后反馈检测电路组成一个功能模块，所述的功能模块数量为1～20个。

9.如权利要求2所述一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的高频升流器的铁芯采用铁氧体。

10.如权利要求2所述一种正弦波大电流的产生装置，其特征在于：所述的高频升流器的付方线圈由多股相互绝缘细导线编织成。