CN102495384B - 变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，由第一端口A、第二端口B、可变电阻模块、电流取样模块、程控衰减模块及比例分压模块构成，其特征在于：所述可变电阻模块，包括场效应管、运算放大器、大功率电阻、电阻、电容；所述电流取样模块，包括运算放大器、三极管、采样电阻；所述程控衰减模块，包括数模转换器以及与之连接的控制器；所述比例分压模块，包括由两个电阻组成的分压电路。本装置通过模拟电阻技术和数字式控制方式，实现变压器有载分接开关过渡电阻和过渡时间的同步高准确度模拟。过渡电阻模拟范围可达0.1Ω~100Ω，最大输入电流可达2A，可满足四端法和两端法电阻测量需要。

Description

变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置

技术领域

本发明涉及一种变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，属于对电力测试仪器的校准、检定与检测领域，特别涉及一种可对变压器有载分接开关测试仪过渡电阻及过渡时间测量功能进行高准确度同步校验的装置。

背景技术

变压器有载分接开关测试仪，是用于测量和分析电力变压器有载分接开关电气性能的综合测量仪器，通过专门设计的测量电路可实现对有载分接开关的过渡波形、过渡时间、过渡电阻、三相同期性、分离角等参数的自动测量。在变压器有载分接开关测试仪器的校准、检定与检测工作中，对过渡过程（包括过渡电阻和过渡时间）测量功能的校验是最重要的校验项目。

传统的校验方法是对被试仪器的过渡电阻测量功能采用标准电阻器进行校验；对被试仪器的过渡时间测量功能采用标准方波进行校验。该校验方法对变压器有载分接开关的过渡电阻和过渡时间分别进行模拟，具有一定的局限性，不能充分的评价变压器有载分接开关测试仪器对过渡电阻和过渡时间的现场测量能力。专利文件ZL200720088602.2公开了一种变压器有载分接开关测试仪校验装置，该装置通过若干低温度系数低分布参数的功率型精密电阻与超低导通电阻的功率型场效应管串联回路实现变压器有载分接开关过渡电阻和过渡时间的高准确度同步模拟。但该装置仍是以实物电阻的形式进行模拟，仅能提供一些离散的过渡电阻值，且对元器件自身老化等因素导致的阻值变动，不能方便的进行修正。

近年来，模拟电阻技术发展迅速。通过电子线路模拟电阻的外特性，可提供连续变化的电阻值，且易于实现模拟电阻值的快速切换。目前，根据申请人所知，市场上的变压器有载分接开关测试仪标称的过渡电阻测量范围已可达到0.1Ω~100Ω，最大输出电流可达2A，且其过渡电阻测量不仅有基于四端法电阻测量方式，还有基于两端法电阻测量方式。而市场上已有的模拟电阻技术，存在一定的局限性，难以满足变压器有载分接开关测试仪器的校验要求。例如，专利文件ZL200310113470.0公开了一种数字式变阻装置，可用于模拟小功率电阻，但其方案在现在技术条件下，对中大功率标准电阻以及低阻值标准电阻的高准确度模拟则不易实现；专利文件ZLl200520096406.0公开了一种能模拟四端大功率标准电阻的标准电阻器，但其技术方案无法准确模拟两端标准电阻。

有鉴于此，有必要提供一种变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，可对变压器有载分接开关测试仪过渡电阻及过渡时间测量功能进行高准确度同步校验，以满足工业应用需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有变压器有载分接开关测试仪器过渡电阻校验装置的不足，提供一种改进的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，可以对变压器有载分接开关测试仪的过渡电阻和过渡时间测量功能进行高准确度的同步校验，从而为变压器有载分接开关测试仪的高准确度校验工作提供条件和保障。

本发明所采用的技术方案是：一种变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，由第一端口A、第二端口B、可变电阻模块、电流取样模块、程控衰减模块及比例分压模块构成，其特征在于：

所述可变电阻模块，包括场效应管、运算放大器、大功率电阻、电阻、电容；运算放大器和电阻、电容组成积分电路，其输出接场效应管栅级；场效应管漏极连接第一端口A，源极连接电流取样模块的运算放大器反相输入端；大功率电阻连接场效应管漏极和源极；

所述电流取样模块，包括运算放大器、三极管、采样电阻；运算放大器同相输入端连接第二端口B，输出连接三极管基极；采样电阻一端连接运算放大器反相输入端，另一端连接三极管发射极；三极管集电极连接负电源端； 

所述程控衰减模块，包括数模转换器以及与之连接的控制器；数模转换器参考电压输入端连接电流取样模块三极管发射极，输出连接可变电阻模块积分电路反相输入端；

所述比例分压模块，包括由两个电阻组成的分压电路；分压电路输入端连接可变电阻模块场效应管漏极和源极，输出端连接可变电阻模块积分电路同相输入端。

如上所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述可变电阻模块的场效应管为N沟道增强型功率场效应管；运算放大器为精密低漂移运算放大器。

如上所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述电流取样模块的运算放大器为精密低漂移运算放大器；三极管为PNP型功率三极管；采样电阻为功率型精密金属箔电阻。

如上所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述程控衰减模块的数模转换器为16位乘法型数模转换器。

如上所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述比例分压模块的电阻为精密金属箔电阻。

本发明的有益效果是：通过模拟电阻技术和数字式控制方式，实现变压器有载分接开关过渡电阻和过渡时间的同步高准确度模拟。过渡电阻模拟范围可达0.1Ω~100Ω，最大输入电流可达2A，可满足四端法和两端法电阻测量需要。除场效应管外，所有有源器件工作在低电压状态，无需配置高电压电源即可满足高达100V的电压输入；功率型器件可满足高达2A的电流输入；可模拟出的最小过渡电阻仅由场效应管最低导通电阻决定，与采样电阻无关，使得采样电阻可选用较大阻值，省掉前置放大环节，配合过渡电阻阻值的数字式快速控制，实现过渡电阻和过渡时间的同步高准确度模拟。

附图说明

图1是本发明变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置的原理框图。

图2是本发明变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置的电路原理示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

各图中标号的说明：1—可变电阻模块、2—电流取样模块、3—程控衰减模块、4—比例分压模块、A—第一端口、B—第二端口、N1—电流取样模块运算放大器、N2—数模转换器、N3—可变电阻模块运算放大器、R1—大功率电阻、R2—采样电阻、R3、R4—分压电阻、R5—积分电阻、C1—积分电容、Q1—场效应管、Q2—三极管、Uab—第一端口A与第二端点B之间电压、Iab—流经第一端口A与第二端点B之间电流、U1-—电流取样模块运算放大器反相输入端电压、U1+—电流取样模块运算放大器同相输入端电压、U2—电流取样模块输出电压、U3—程控衰减模块输出电压、U4—比例分压模块输出电压、GND—参考地电位点、-Vcc—负电源端。

如图1所示，本发明提供的一种变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，它包括第一端口A、第二端口B、可变电阻模块1、电流取样模块2、程控衰减模块3、比例分压模块4。

所述可变电阻模块1包括场效应管Q1、运算放大器N3、大功率电阻R1、电阻R5、电容C1。运算放大器N3和电阻R5、电容C1组成积分电路，其输出接场效应管Q1栅级；场效应管Q1漏极连接第一端口A，源极连接电流取样模块2的运算放大器N1反相输入端；大功率电阻R1连接场效应管Q1漏极和源极。

所述可变电阻模块1的场效应管Q1为N沟道增强型功率场效应管；运算放大器N3为精密低漂移运算放大器。

所述电流取样模块2包括运算放大器N1、三极管Q2、采样电阻R2。运算放大器N1同相输入端连接第二端口B，输出连接三极管Q2基极；采样电阻R2一端连接运算放大器N1反相输入端，另一端连接三极管Q2发射极；三极管Q2集电极连接负电源端。

所述电流取样模块2的运算放大器N1为精密低漂移运算放大器；三极管Q2为PNP型功率三极管；采样电阻R2为功率型精密金属箔电阻。

所述程控衰减模块3包括数模转换器N2以及与之连接的控制器。数模转换器N2参考电压输入端连接电流取样模块2三极管Q2发射极，输出连接可变电阻模块1积分电路反相输入端。

所述程控衰减模块3的数模转换器N2为16位乘法型数模转换器。

所述比例分压模块4包括由两个电阻R3、R4组成的分压电路。分压电路输入端连接可变电阻模块1场效应管Q1漏极和源极，输出端连接可变电阻模块1积分电路同相输入端。

所述比例分压模块4的电阻R3、R4为精密金属箔电阻。

本发明的工作原理是：电流取样模块对流经第一端口A与第二端口B之间的电流进行取样转换，所得电压信号由程控衰减模块按控制器设定的比例衰减后，与比例分压模块输出电压一起送入可调电阻模块积分电路输入端，积分电路输出电压控制场效应管工作点变化，以模拟出电阻的外特性。整体电路构成负反馈网络，使得比例分压模块输出电压始终与程控衰减模块输出电压保持一致。

通过模拟电阻技术和数字式控制方式，实现变压器有载分接开关过渡电阻和过渡时间的同步高准确度模拟。所述变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其过渡电阻模拟范围可达0.1Ω~100Ω，最大输入电流可达2A。

如图2所示，为本发明变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置的电路原理示意图。

由运算放大器虚短、虚断概念可知：

    (1)

      (2)

程控衰减模块衰减系数k1由控制信号设定，-1≤k1＜0。有：

        (3)

联立公式 (2)、(3)，得：

    (4)

比例分压模块分压系数为k2。有：

           (5)

可变电阻模块通过调节场效应管工作点，使得积分电路输入端电压U3与U4相等。例如：当U3＞U4时，积分电路输出端电压上升，使得场效应管导通能力增强，若Iab恒定，则Uab下降，由公式(5)知，U4下降；若Uab恒定，则Iab上升，由公式(4)知，U3上升。同理，U3＜U4时，为上述逆过程。所以：

          (6)

又：

         (7)

联立公式(4)、(5)、(6)、(7)，得：

     (8)

改变k1，即可达到改变Rab的目的。

如图2所示，大功率电阻R1可在模拟装置模拟大阻值电阻时吸收部分功率，减小场效应管Q1工作负担；三极管Q2增强运算放大器N1驱动能力，以保障电流取样模块在2A输入电流情况下依然能够正常工作。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，由第一端口A、第二端口B、可变电阻模块、电流取样模块、程控衰减模块及比例分压模块构成，其特征在于：

所述可变电阻模块，包括场效应管、运算放大器、大功率电阻、电阻、电容；运算放大器和电阻、电容组成积分电路，其输出接场效应管栅级；场效应管漏极连接第一端口A，源极连接电流取样模块的运算放大器反相输入端；大功率电阻连接场效应管漏极和源极；

所述电流取样模块，包括运算放大器、三极管、采样电阻；运算放大器同相输入端连接第二端口B，输出连接三极管基极；采样电阻一端连接运算放大器反相输入端，另一端连接三极管发射极；三极管集电极连接负电源端； 

所述程控衰减模块，包括数模转换器以及与之连接的控制器；数模转换器参考电压输入端连接电流取样模块三极管发射极，输出连接可变电阻模块积分电路反相输入端；

所述比例分压模块，包括由两个电阻组成的分压电路；分压电路输入端连接可变电阻模块场效应管漏极和源极，输出端连接可变电阻模块积分电路同相输入端。

2.根据权利要求1所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述可变电阻模块的场效应管为N沟道增强型功率场效应管；所述可变电阻模块的运算放大器为精密低漂移运算放大器。

3.根据权利要求1所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述电流取样模块的运算放大器为精密低漂移运算放大器；三极管为PNP型功率三极管；采样电阻为功率型精密金属箔电阻。

4.根据权利要求1所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述程控衰减模块的数模转换器为16位乘法型数模转换器。

5.根据权利要求1所述的变压器有载分接开关过渡电阻模拟装置，其特征在于，所述比例分压模块的电阻为精密金属箔电阻。

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