CN104485825A

CN104485825A - 单相可编程电流源装置及其控制方法

Info

Publication number: CN104485825A
Application number: CN201410715389.8A
Authority: CN
Inventors: 王建; 马海刚; 王德涛
Original assignee: SHANDONG HOTEAM ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: SHANDONG HOTEAM ELECTRICAL CO Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN104485825B

Abstract

本发明公开了单相可编程电流源装置及其控制方法，电网电压依次通过断路器、三相输入电抗器、三相交流接触器后接入整流单元，整流后的电压接入三组逆变器组件；双DSP控制单元接受触摸显示屏或远程监控平台下发的电流波形的参数，以及连续输出方式；双DSP控制单元产生指令电流，用以驱动三组逆变器组件产生电流波形；逆变器组件输出电流霍尔检测信号和输出电流互感器检测信号反馈到DSP控制器中，修正电流源发生单元的输入参数。本发明提供了一种数字化、智能化的用于对低压开关、断路器、交流接触器、熔断器等装置进行热耐受试验的单相可编程电流源装置。

Description

单相可编程电流源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及单相可编程电流源装置及其控制方法，为低压开关、断路器、交流接触器、熔断器等装置热耐受试验中提供电流源。

背景技术

为了对断路器等装置进行各种的抗扰度试验，试验的电流源设备需要在额定频率、额定电流下进行，其电源一般有基于使用饱和铁心的电源、晶闸管整流电源、可编程供电的电源。

采用饱和铁芯原理的设备不但体积大、精度低，而且操作不灵活，响应速度慢，误差大，很难满足实验室要求的精确地测试开关设备热脱扣或电磁脱扣检测的条件。

采用反相并联连接的晶闸管产生试验电流，通过控制晶闸管导通角的时间来控制其输出电流。目前采用相控整流技术实现单相可编程电流源的性能是目前主要的方式。经过电源变流器转换成为可控的谐波源负载，通过参数设定使输出满足试验要求的单相可编程电流源；保证电源整体效率处于最大值。通过控制可控硅的导通相移角度实现输出的大小调节及高频谐波源输出。但仍然存在设备故障率高、无法自由设定所需谐波电流、增加功能困难、谐波污染严重等缺点。

目前市场上的可编程供电电源虽然具有体积小、操作方便、可自由设定所需检测电流、损耗低、谐波污染低、同时具有多种谐波输出功能，但输出电流一般在安培级别，应用于小电流测试，不能满足大功率工业设备检验容量要求。同时无法实现周期性电流暂降和中断试验。

综上所述，按照公知技术用于低压开关器件耐受试验的设备仪器，不能满足试验的要求，市场上没有相应的设备。对于大功率开关器件热耐受试验无法正常检测。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种单相可编程电流源装置及其控制方法，用于低压开关、断路器、交流接触器、熔断器等装置进行热耐受试验中。在进行主电路的温升试验及在对带电子过电流保护的低压断路器进行性能试验时，能够高精度、智能化的产生谐波电流和电流暂降与中断功能，输出电流达到数万安培。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

单相可编程电流源装置，包括双DSP控制单元及电流源发生单元；

所述双DSP控制单元与触摸显示屏相连，触摸显示屏连接远程监控平台，接收触摸显示屏或远程监控平台下发的能生成实验需要的电流波形的必要参数。触摸显示屏和远程监控平台能相互切换工作；触摸显示屏能直接下发命令；远程监控平台也能下发命令给触摸显示屏，触摸显示屏再下发命令给双DSP控制单元。

双DSP控制单元的输出端连接电流源发生单元，双DSP控制单元中指令电流运算单元形成的驱动指令电流控制电流源发生单元输出预定峰值大小的谐波电流或实现电流暂降、中断，同时电流源发生单元输出端的采样信号反馈到双DSP控制单元的输入端、触摸显示屏或远程监控平台，根据设定参数与实际输出参数的差值进行微调，保证输出精度要求；所述电流源发生单元三相输入，单相输出。电流源发生单元生成电流的谐波次数为2-51次，谐波含量为0％至100％中的任意比例。

所述电流源发生装置的输入侧通过断路器与电网电压相连，然后依次串接三相输入电抗器、三相交流接触器，每相交流接触器两端并联缓冲回路，避免接触器带载通断对装置及设备的冲击；三相交流接触器输出端接入整流单元，整流单元将交流电压转换成可控的直流电压，三相交流接触器控制整流单元前端的电路通断；整流单元的输出侧接入三组逆变器组件，逆变器组件母线电压由直流母线支撑的储能电容器维持，直流母线支撑电容两个串联，其串联中点为三组逆变器的中线N，直流母线正负与三组逆变器组件直流输入连接；三组逆变器组件的直流侧并联在一起，独立输出；每组逆变器组件的输出端通过输出电抗器与输出交流接触器串联，并且都有单独的RC高频滤波吸收电路；3个输出接触器在其输出侧进行并联；然后经过隔离变压器接入不同检测设备的输入端，为检测设备提供电源。

所述逆变器组件输出电流霍尔检测信号和输出电流互感器检测信号反馈到双DSP控制单元中的指令电流运算单元的输入端，精确修正电流源发生单元的输入参数，主动调整直流母线工作电压，保护参数设定及监控，各个典型负载的电流峰值的大小；双DSP控制单元的的驱动指令电流利用光纤传输连接到逆变器组件中的逆变桥驱动信号单元。

每组逆变器组件采用IGBT全桥逆变，三组逆变器组件分别接受控制，并联使用，输出电流的相位一致，根据试验时需要检测设备容量的大小，触摸显示屏或远程监控平台发出指令，通过双DSP控制单元给出实际动作信号，控制每组逆变器组件输出交流接触器的通断，满足不同容量需求。

单相可编程电流源装置的控制方法，包括以下步骤：

第一步，电网电压依次通过断路器、三相输入电抗器、三相交流接触器后接入整流单元，整流单元将交流电压转换成可控的直流电压，三相交流接触器控制整流单元前端的电路通断；整流后的电压接入三组逆变器组件；

第二步，双DSP控制单元接受触摸显示屏或远程监控平台下发的实验所需电流波形的必要参数，以及连续输出方式或者暂降和中断输出方式；

第三步，DSP控制单元中的指令电流运算单元通过数据处理产生指令电流，形成各脉冲驱动装置和同步脉冲发生装置，同时指令电流运算单元的输入端连接电流检测单元和直流电压检测单元，经过数据处理产生同步信号，用以驱动三组逆变器组件产生电流波形；

第四步，逆变器组件输出电流霍尔检测信号和输出电流互感器检测信号反馈到DSP控制器中，精确修正电流源发生单元的输入参数，主动调整直流母线工作电压，各个典型负载的电流峰值的大小，保护参数设定及监控。

对任意电流源，通过控制电流的幅值和相位，可以产生各种不同需求的电流源。通过模数转换成电流由基波电流和各次谐波电流组成。

将实际的波形通过快速傅氏变换FFT分析，

式中：ω₁为工频的角频率，单位为rad/s；h为谐波次数；I_h为第h次谐波电流的均方根值，单位为A；β_h为第h次谐波电流的出相角，单位为rad；m为考虑的谐波最高次数，根据试验所需谐波电流源最高次数决定。

对基波至51次谐波电流进行拆分,生成如下表所示，各次谐波频率，幅值，相位，然后对其幅值、相位进行幅值归一化汇总。

谐波次数	频率	幅值	相位	幅值^2	归一化幅值	谐波^2
							1	50
2	100
							3	150
4	200
							5	250
6	300
							7	350
8	400
							.	.
.	.

51

2550

按照基波频率n倍(n为正整数,≤51)，拆分成不同频率的正弦波的叠加，通过对拆分的各次谐波进行幅值和相位更改，数值归一化，在一个基波周期内，进行N点数据还原，N为大于0的自然数，N越大计算结果越精确，分别更改基波电流、各次谐波电流幅值、相位值。

谐波次数	幅值	角度	弧度	0	1	2	3	4	5	6	.	.	N
														1
2
														3
4
														5
6
														7
8
														.
.
														51

通过对各次谐波幅值调整，可以满足不同测试需求时电流源谐波含量的要求值，对各次谐波相位角进行设置，调整电流源输出时的峰值系数，谐波峰值和基波峰值叠加时电源输出峰值系统最高。

调整使各次谐波与基波峰值正向叠加，得到不同谐波含量电源输出电流峰值系数不同，满足电流源输出峰值系数。

本发明的有益效果：

1)本发明提供了一种数字化、智能化的用于对低压开关、断路器、交流接触器、熔断器等装置进行热耐受试验的单相可编程电流源装置。

2)逆变电路采用IGBT开关器件，具有体积小、操作方便、能自由设定所需检测电流、损耗低、谐波污染低，同时具有多种谐波输出及电流中断与暂降功能。

3)实现谐波含量0％至100％任意比例输出，同时对峰值系数大小能够通过触摸显示屏设定调整，输出所需要的峰值系数电流，能够满足不同试验需求。

4)采用多DSP控制系统，控制精度高，速度快，光纤驱动，安全可靠、抗干扰能力强。输出功率大，额定输出电流上万安培。

5)数字化控制，友好的触摸显示屏，便于参数设置；本装置中含有谐波滤除设备，对电网不会造成谐波污染。

6)逆变器组件多个并联，可以实现更改电流由小到大量程的输出，提高检测精确度，实际输出与设定输出之间误差≤1％，根据后接变压器变比大小，输出可达数万安培电流。

附图说明

图1为本发明的应用结构示意图；

图2为电流源发生装置电路原理图；

图3为逆变器原理图；

图4为单次谐波与基波构成谐波含量与峰值系数关系；

图5为两种谐波与基波构成谐波含量与峰值系数关系；

图6所示为基波还原波形；

图7为5次谐波还原波形；

图8为基波和5次谐波调整相位后波形；

图9为基波和5次谐波叠加后波形；

图10为暂降和中断实施效果波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

在对低压断路器进行抗扰度试验中，需要提供满足试验条件的电流源装置，将该电源装置的输出端接在试验的断路器上，编程模拟各种输出特性的电流源，根据测试的需求进行设定。

双DSP控制单元与触摸显示屏相连，触摸显示屏连接远程监控平台，双DSP控制单元接收触摸显示屏或远程监控平台下发的能生成实验需要的电流波形的必要参数，触摸显示屏和远程监控平台能相互切换工作。

双DSP控制单元的输出端连接电流源发生单元，双DSP控制单元中指令电流运算单元形成的驱动指令电流控制电流源发生单元输出预定峰值大小的谐波电流或实现电流暂降、中断，同时电流源发生单元输出端的采样信号反馈到双DSP控制单元的输入端、触摸显示屏或远程监控平台，根据设定参数与实际输出参数的差值进行微调，保证输出精度要求；电流源发生单元三相输入，单相输出。电流源发生单元生成电流的谐波次数为2-51次，谐波含量为0％至100％中的任意比例。

如图1所示，将试验设备通过变压器接入装置的输出端。

交流电网通过设备的输入电抗器、三相整流桥、逆变单元、输出电抗器后，产生所需要的谐波电流或暂降电流，并输出到用户所提供的变压器上，用以进行相关的低压成套开关设备及控制设备的检测，变压器前后的采样信号反馈到双DSP控制单元中。

图2所示，QF1为输入保护断路器，L1为输入电抗器可消除干扰，KM1为输入缓冲接触器，减轻上电时电网电压对直流母线电容器的冲击。L、R、C构成开关纹波滤波器，消除开关纹波。

电流源发生装置的输入侧通过断路器与电网电压相连，然后依次串接三相输入电抗器、三相交流接触器，每相交流接触器两端并联缓冲回路，避免接触器带载通断对装置及设备的冲击；三相交流接触器输出端接入整流单元，整流单元将交流电压转换成可控的直流电压，三相交流接触器控制整流单元前端的电路通断；整流单元的输出侧接入三组逆变器组件，逆变器组件母线电压由直流母线支撑的储能电容器维持，直流母线支撑电容两个串联，其串联中点为三组逆变器的中线N，直流母线正负与三组逆变器组件直流输入连接；三组逆变器组件的直流侧并联在一起，独立输出；每组逆变器组件的输出端通过输出电抗器与输出交流接触器串联，并且都有单独的RC高频滤波吸收电路；3个输出接触器在其输出侧进行并联；然后经过隔离变压器接入不同检测设备的输入端，为检测设备提供电源。

逆变器组件输出电流霍尔检测信号和输出电流互感器检测信号反馈到双DSP控制单元中的指令电流运算单元的输入端，精确修正电流源发生单元的输入参数，主动调整直流母线工作电压，保护参数设定及监控，各个典型负载的电流峰值的大小；双DSP控制单元的的驱动指令电流利用光纤传输连接到逆变器组件中的逆变桥驱动信号单元。

图3为本发明逆变器原理图。单相可编程电流源通过三相全桥整流后，采用DSP控制技术，对逆变单元进行相应的PWM控制，使输出三路并联，拓展了系统的输出带载能力，并可相应的根据电流大小选择输出路数的多少，节约能源，并提高检测的精度和可靠性。

触摸显示屏和远程监控平台与双DSP控制器相连，实现装置监控、模拟电流源数据波形、谐波含量、峰值系数、电流中断、电流暂降幅值的编程转换、验证、下发、控制、显示、调节等。设置完善后进行设备启动；设备启动后可以根据反馈值进行基波和谐波含量的微调。

单相可编程电流源装置的控制方法，包括以下步骤：

第二步，双DSP控制单元接受触摸显示屏或远程监控平台下发的实验所需电流波形的必要参数，以及连续输出方式或者暂降和中断输出方式；并且电流波形能在触摸显示屏或远程监控平台上显示；触摸显示屏或远程监控平台下发电流波形为双DSP控制单元预存的电流波形时，触摸显示屏或远程监控平台能直接调用并显示；

双DSP控制单元预存的常用电流波形有基波波形；基波与3次谐波；基波与5次谐波；基波与3次谐波、5次谐波、7次谐波等。

第三步，双DSP控制单元中的指令电流运算单元通过数据处理产生指令电流，形成各脉冲驱动装置和同步脉冲发生装置，同时指令电流运算单元的输入端连接电流检测单元和直流电压检测单元，经过数据处理产生同步信号，用以驱动三组逆变器组件产生电流波形；

根据测试需要电流源功率大小，在触摸显示屏进行输出数值参数设定，工作时间选定，及时钟计时功能；通过显示界面便于查看、检查可编程电流源电流波形的真实性、电流源工作的状态信息；

触摸显示屏或远程监控平台下发电流波形为非预存的电流波形时，双DSP控制单元将需求的谐波电流源的电流波形进行一个基波周期N个点的波形还原；然后通过调节需要的基波和谐波的谐波含量和相移角，实现还原后的各次波形及叠加波形，同时得到叠加后电流的有效值、最大值和峰值系数，形成驱动指令电流，实现逆变器组件的驱动；

第四步，逆变器组件输出电流霍尔检测信号和输出电流互感器检测信号反馈到DSP控制器中，修正电流源发生单元的输入参数。

对任意电流源，通过模数转换成电流由基波电流和各次谐波电流组成。

将实际的波形通过快速傅氏变换FFT分析，

对基波至51次谐波电流进行拆分，生成如下表所示，各次谐波频率，幅值，相位，然后对其幅值、相位进行幅值归一化汇总。

谐波次数

频率

幅值

相位

幅值^2

归一化幅值

谐波^2

1

50

2	100
		3	150
4	200
		5	250
6	300
		7	350
8	400
		.	.
.	.
		51	2550

按照基波频率n倍(n为正整数,≤51)，拆分成不同频率的正弦波的叠加，通过对拆分的各次谐波进行幅值和相位更改，数值归一化，在一个基波周期内，进行256点数据还原，取256时精确度能够满足要求，分别更改基波电流、各次谐波电流幅值、相位值。

谐波次数	幅值	角度	弧度	0	1	2	3	4	5	6	.	.	256
														1
2
														3
4
														5
6
														7
8
														.
.
														51

调整使各次谐波与基波峰值正向叠加，得到不同谐波含量电源输出电流峰值系数不同，满足电流源输出峰值系数。如图4-5，可便捷的设定各次谐波畸变在范围满足峰值系数要求。

以基波和5次谐波组成为例，将5次谐波含量设定为基波含量50％，通过调整相位使5次谐波和基波升值叠加在一起，其输出峰值系数最高，不同谐波含量叠加后峰值系数不同。

如图6所示为基波还原波形，图7为5次谐波还原波形，图8为基波和5次谐波调整相位后波形，图9为基波和5次谐波叠加后波形。

通过触摸显示屏或者远程监控平台可以对暂降电流幅值和暂降周期进行设置。如图10所示为暂降和中断实施效果波形图，其中I_R为整定电流；I_D为暂降试验电流；△t为暂降时间；4△t为电流施加时间。

触摸显示屏对基波和各次谐波进行分别设置，用户可以直接输入基波和各次谐波相对比例，根据提供的参考设定各次谐波相移角度。参数设定后，可以直接预览波形，传输到双DSP控制单元下发确认。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.单相可编程电流源装置，其特征是，包括双DSP控制单元及电流源发生单元；

所述双DSP控制单元与触摸显示屏相连，触摸显示屏连接远程监控平台，双DSP控制单元接收触摸显示屏或远程监控平台下发的实验需要的电流波形的参数，触摸显示屏和远程监控平台能相互切换工作；

双DSP控制单元的输出端连接电流源发生单元，双DSP控制单元中指令电流运算单元形成驱动指令电流，控制电流源发生单元输出预定峰值大小的谐波电流或实现电流暂降、中断，同时电流源发生单元输出端的采样信号反馈到双DSP控制单元的输入端；所述电流源发生单元三相输入，单相输出。

2.如权利要求1所述单相可编程电流源装置，其特征是，所述电流源发生装置的输入侧通过断路器与电网电压相连，然后依次串接三相输入电抗器、三相交流接触器，每相交流接触器两端并联缓冲回路，避免接触器带载通断对装置及设备的冲击；

三相交流接触器输出端接入整流单元，整流单元将交流电压转换成直流电压，三相交流接触器控制整流单元前端的电路通断；

整流单元的输出侧接入三组逆变器组件，三组逆变器组件的直流侧并联在一起，独立输出；每组逆变器组件的输出端通过输出电抗器与输出交流接触器串联，并且都有单独的RC高频滤波吸收电路；

触摸显示屏或远程监控平台发出指令，通过双DSP控制单元给出实际动作信号，控制每组逆变器组件输出交流接触器的通断，满足不同设备容量需求。

3个输出接触器在其输出侧进行并联；然后经过隔离变压器接入不同检测设备的输入端，为检测设备提供电源。

3.如权利要求2所述单相可编程电流源装置，其特征是，所述逆变器组件输出电流霍尔检测信号和输出电流互感器检测信号反馈到双DSP控制单元中的指令电流运算单元的输入端，双DSP控制单元的的驱动指令电流利用光纤传输连接到逆变器组件中的逆变桥驱动信号单元。

4.如权利要求2所述单相可编程电流源装置，其特征是，每组逆变器组件采用IGBT全桥逆变，三组逆变器组件分别接受控制，并联使用，输出电流的相位一致。

5.如权利要求1所述单相可编程电流源装置，其特征是，所述电流源发生单元能生成电流的谐波次数为2-51次，谐波含量为0％至100％中的任意比例。

6.基于权利要求1所述单相可编程电流源装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

第二步，双DSP控制单元接受触摸显示屏或远程监控平台下发的实验所需电流波形的必要参数，以及连续输出方式或者暂降和中断输出方式；并且电流波形能在触摸显示屏或远程监控平台上显示；

7.如权利要求6所述的基于单相可编程电流源装置的控制方法，其特征是，所述第二步中，触摸显示屏或远程监控平台下发电流波形为双DSP控制单元预存的电流波形时，触摸显示屏或远程监控平台能直接调用并显示。

8.如权利要求6所述的基于单相可编程电流源装置的控制方法，其特征是，所述第三步中，触摸显示屏或远程监控平台下发电流波形为非预存的电流波形时，双DSP控制单元将需求的谐波电流源的电流波形进行一个基波周期N个点的波形还原，N为大于0的自然数；然后通过调节需要的基波和谐波的谐波含量和相移角，实现还原后的各次波形及叠加波形，同时得到叠加后电流的有效值、最大值和峰值系数，形成驱动指令电流，实现逆变器组件的驱动。