CN102437747A - 一种数字式滞环控制电流源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种数字式滞环控制电流源，电流源包括变压整流单元、稳定电流单元和负载单元；变压整流单元包括，变压器和H型全桥不可控整流器；变压整流单元将市电交流电压升压整流后转换成直流电压，逆变单元把直流电压输入所述稳定电流单元后再输至负载单元；信号采集单元将采集的负载单元的电流信号变换为电压信号，经放大输入到AD转换单元处理输入至微处理单元MCU。本发明采用数字化控制，温度漂移小，抗干扰能力强，稳定性好，可靠性高；数字式部件结构牢靠，体积小，重量轻，易于标准化，控制策略灵活；性能优良，运行更加稳定，易于升级和维护。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体涉及一种数字式滞环控制电流源。
背景技术
目前，串联补偿技术已经在国外得到了广泛应用，近几年来，我国电网发展速度较快，先后研发了多套串联补偿设备。间隙触发控制电路是具有电子测量的控制电路，可使串联补偿装置中的间隙能够可靠、可控点火放电。间隙触发储能控制电路的电源以及向电容器储能均是由电流互感器提供，简称取能CT。而在间隙触发储能控制以及电源电路的生产、改进、现场试验、线路板考机等过程中都要用到在线取能CT的二次输出，这显然是不能实现的。
目前国内外市场上出售的仪器中也有所谓的“电流源”，但其输出特性却类似于电压源，这种所谓的电流源一是输出电压很低，二是不能满足负载变化的需要，电压稍变一些，“电流源”输出的基本特性就被破坏了，无法使用。目前使用的升流器输出实际上也是电压源输出，不具备电流源的特性，并且大多数电流源对变化的非线性负载响应性能不佳，不能模拟线路中CT的输出特性。此前也有用模拟控制方式实现、用于此特殊用途的电流源，但是由于模拟电路中电路设计复杂，许多控制方法实现起来较困难，精准度和可靠性不易提高。
与取能CT输出特性基本一致的“电流源”能满足此需求。此电流源要求具有输出电压高，电流稳定性好，并且非线性时变负载变化依然能够保持电流输出值稳定的特性，这就迫切需要进行具有大中功率、输出稳定、动态响应非常快的电流源的研制。
基于滞回控制原理的电流源，采用了模拟电路实现，然而模拟电路采用大量分散元件和电路板，硬件成本高，系统的可靠性下降，由于可调电位器等人工调试器件的存在导致生产效率降低及控制系统的一致性差，器件存在老化和温度漂移现象，产品升级换代困难等。如需要升级产品，必须重新设计硬件和控制系统。
申请号为201120068826.3的专利公开了一种限定电流源供应器，包括降压整流单元、比较控制单元、散热负载单元和稳定电流单元，降压整流单元具有变压器和桥式整流器，并将市电交流电源变成直流单电源，比较控制单元具有比较器和开关组件，其一输入端连接系统电源及可变电阻而可调整输出电压即系统电流；另一回授输入端连接散热负载单元输入电压并使开关组件可对应比较器输出值开关作用以保持电流值；散热负载单元连接系统输出负端及接地端，并当系统输出正、负端连接外部负载时该散热负载单元可与外部负载串联，稳定电流单元输出电性连接比较控制单元开关组件的输入侧，而因应输出电流变化影响开关组件开、关动作以稳定系统输出电流。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种数字式滞环控制电流源，该电流源能够比较真实地模拟间隙控制箱在正常工作中的取能和过压保护的全部工况，性能稳定，可靠性高，易于搬运，体积较小，易于升级和维护。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种数字式滞环控制电流源，所述电流源包括变压整流单元、稳定电流单元和负载单元；
所述变压整流单元包括，变压器和H型全桥不可控整流器；
所述变压整流单元将市电交流电压升压整流后转换成直流电压，逆变单元把直流电压输入所述稳定电流单元后再输至所述负载单元；
信号采集单元将采集的所述负载单元的电流信号变换为电压信号，经放大输入到AD转换单元处理输入至微处理单元MCU。
所述变压器将所述电流源与电网隔离，并把电压升至大于负载单元上的最高电压；
所述H型全桥不可控整流器包括二极管D1、D2、D3、D4和电容C1。
所述逆变单元包括：晶体管S1、S2、S3和S4，二极管D5、D6、D7和D8；所述二极管D5、D6、D7和D8为所述负载单元回路中的电流提供续流通路；电流处于正半周期时，晶体管S1和S4导通或者二极管D6和D7作为续流通路；电流处于负半周期时，晶体管S2和S3导通或者二极管D5和D8作为续流通路。
所述稳定电流单元包括电感L1，使电流稳定；所述信号采集单元包括霍尔传感器CT，所述霍尔传感器CT为线性型霍尔传感器。
所述霍尔传感器CT采集的信号分两路输出，一路输入所述AD转换单元，另一路输入比较器，经与设定的电流保护值比较，判断是否过流；若过流则输出信号关闭高速光电耦合器，进而关闭所有开关信号。
所述高速光电耦合器采用型号为6N137的芯片。
所述微处理单元MCU对所述AD转换单元输入的电流信号进行判断，并与其内部产生的标准信号源相比较，得到差值C。判断差值C是否在允许误差范围内，超出范围则改变相应半周期内两个晶体管IGBT的开关状态，维持另外两个晶体管IGBT的关断信号不变，若所述差值C在所述误差范围内，则晶体管IGBT的开关信号保持不变。
所述晶体管由驱动电路驱动，所述驱动电路采用型号为MC33153的驱动芯片。
所述电流源通过辅助电源给所述驱动芯片、所述高速光电耦合器和微处理单元MCU供电，其中+15V为所述驱动芯片提供电能，+5V为所述高速光电耦合器提供电能，+3.3V为所述微处理单元MCU提供电能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.采用数字化控制，温度漂移小，抗干扰能力强，稳定性好，可靠性高；
2.数字式部件结构牢靠，体积小，重量轻，易于标准化，控制策略灵活；
3.性能优良，运行更加稳定，易于升级和维护。
附图说明
图1是一种数字式滞环控制电流源的结构图；
图2是一种数字式滞环控制电流源的控制电路图；
图3是一种数字式滞环控制电流源的过电流保护电路原理图；
图4是一种数字式滞环控制电流源的辅助电源原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述说明。
如图1和图2所示，一种数字式滞环控制电流源，所述电流源包括变压整流单元、稳定电流单元和负载单元；所述变压整流单元包括，变压器和H型全桥不可控整流器；所述变压整流单元将市电交流电压升压整流后转换成直流电压，逆变单元把直流电压输入所述稳定电流单元后再输至所述负载单元；信号采集单元将采集的所述负载单元的电流信号变换为电压信号，经放大输入到AD转换单元处理输入至微处理单元MCU。
所述AD转换单元采用芯片AD7663，芯片AD7663是16位采样保持功能的模数转换器，采样速率为250kHz，信噪比达到90dB；多种信号输入范围：0-2.5V、0-5V、0-10V、±2.5V、±5V、±10V；5V的单模拟电源供电；提供串、并行接口两种输出接口；低功耗设计，典型功耗为75mW。
所述变压器将所述电流源与电网隔离，并把电压升至大于负载单元上的最高电压；
所述H型全桥不可控整流器包括二极管D1、D2、D3、D4和电容C1。
所述逆变单元包括：晶体管S1、S2、S3和S4，二极管D5、D6、D7和D8；所述二极管D5、D6、D7和D8为所述负载单元回路中的电流提供续流通路；电流处于正半周期时，晶体管S1和S4导通或者二极管D6和D7作为续流通路；电流处于负半周期时，晶体管S2和S3导通或者二极管D5和D8作为续流通路。
所述稳定电流单元包括电感L1，使电流稳定；所述信号采集单元包括霍尔传感器CT，所述霍尔传感器CT为线性型霍尔传感器。
所述霍尔传感器CT采集的信号分两路输出，一路输入所述AD转换单元，另一路输入比较器，经与设定的电流保护值比较，判断是否过流；若过流则输出信号关闭高速光电耦合器，进而关闭所有开关信号。
所述微处理单元MCU对所述AD转换单元输入的电流信号进行判断，并与其内部产生的标准信号源相比较，得到差值C，判断差值C是否在滞环控制允许误差范围内，超出范围则改变相应半周期内两个晶体管IGBT的开关状态，维持另外两个晶体管IGBT的关断信号不变，若所述差值C在所述误差范围内，则晶体管IGBT的开关信号保持不变。
所述晶体管由驱动电路驱动，所述驱动电路采用型号为MC33153的驱动芯片。所述驱动电路包括四个驱动芯片MC33153分别对应晶体管S1、S2、S3和S4，其工作电源电压可达20V，可用于驱动常规和传感集成式MOS门控器件；最大输出正向峰值驱动电流为1A，反向峰值驱动电流为2A；对栅极驱动信号上升延迟的典型时间仅为80ns，，下降沿延迟典型时间为120ns；内部设有电路过电流，短路、欠电压保护，防止MOSFRT/IGBT过压、锁存以及故障封锁和指示环节。
如图3，所述高速光电耦合器采用4个型号为6N137的芯片，用来隔离控制电路、驱动电路和晶体管S1、S2、S3和S4的开关信号，分别对应晶体管S1、S2、S3和S4。6N137的换速率高达10MBit/s；摆率高达10kV/uS；扇出系数为8；逻辑电平输出；集电极开路输出。
所述比较器采用电压比较器LM158，LM158的直流电压增益高(约100dB)；单位增益频带宽(约1MHz)；电源电压范围宽：单电源(3-32V)，双电源(±1.5一±16V)；低功耗电流，适合于电池供电；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大。
如图4，述电流源通过辅助电源给所述驱动芯片、所述高速光电耦合器和微处理单元MCU供电，其中+15V为所述驱动芯片提供电能，+5V为所述高速光电耦合器提供电能，+3.3V为所述微处理单元MCU提供电能。
Claims (10)
1.一种数字式滞环控制电流源，所述电流源包括变压整流单元、稳定电流单元和负载单元，其特征在于：
所述变压整流单元包括，变压器和H型全桥不可控整流器；
所述变压整流单元将市电交流电压升压整流后转换成直流电压，逆变单元把直流电压输入所述稳定电流单元后再输至所述负载单元；
信号采集单元将采集的所述负载单元的电流信号变换为电压信号，经放大输入到AD转换单元处理输入至微处理单元MCU。
2.如权利要求1所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：
所述变压器将所述电流源与电网隔离，并把电压升至大于负载单元上的最高电压；
所述H型全桥不可控整流器包括二极管D1、D2、D3、D4和电容C1。
3.如权利要求1所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：
所述逆变单元包括：晶体管S1、S2、S3和S4，二极管D5、D6、D7和D8；
所述二极管D5、D6、D7和D8为所述负载单元回路中的电流提供续流通路；电流处于正半周期时，晶体管S1和S4导通或者二极管D6和D7作为续流通路；电流处于负半周期时，晶体管S2和S3导通或者二极管D5和D8作为续流通路。
4.如权利要求1所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：
所述稳定电流单元包括电感L1，使电流稳定；
所述信号采集单元包括霍尔传感器CT，所述霍尔传感器CT为线性型霍尔传感器。
5.如权利要求4所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：所述霍尔传感器CT采集的信号分两路输出，一路输入所述AD转换单元，另一路输入比较器，经与设定的电流保护值比较，判断是否过流；若过流则输出信号关闭高速光电耦合器，进而关闭所有开关信号。
6.如权利要求5所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：所述高速光电耦合器采用型号为6N137的芯片。
7.如权利要求5所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：所述比较器采用电压比较器。
8.如权利要求1所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：所述微处理单元MCU对所述AD转换单元输入的电流信号进行判断，并与其内部产生的标准信号源相比较，得到差值C。
9.如权利要求3所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：所述晶体管由驱动电路驱动。
10.如权利要求9所述的一种数字式滞环控制电流源，其特征在于：所述电流源通过辅助电源给所述驱动芯片、所述高速光电耦合器和微处理单元MCU供电，其中+15V为所述驱动芯片提供电能，+5V为所述高速光电耦合器提供电能，+3.3V为所述微处理单元MCU提供电能。
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