CN104898050B - 一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，包括电源及电子负载的各个组成部分及其各类输出的工作原理和调节方式，符合GB22794‑2008标准的B型漏电产品分断时间以及脱扣电流测试的所有试验要求，同时也适用于A型和AC型漏电产品测试。

Description

一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源

技术领域

本发明涉及一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，该电源能够输出国标GB22794-2008中各种测试条件所要求的电压电流形式，使用该电源并辅以简单的外围逻辑控制电路，就可以构成完整的剩余电流保护断路器测试装置。

背景技术

目前市场上的剩余电流断路器测试装置多为A型或AC型，尚没有一种能涵盖B型剩余电流断路器产品分断时间以及脱扣电流检测的测试装置。B型漏电保护器测试装置主要用于额定剩余电流500mA及以下的B型漏电产品的试验，符合GB22794-2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器(B型RCCB和B型RCBO)》标准。一台通用的、全功能剩余电流保护断路器测试装置可以涵盖A型、AC型和B型漏电产品的测试，其核心是如何提供国标中测试条件所要求的各种输出，也就是测试装置中的输出电源，而满足这些测试要求的电源并未见到相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以涵盖A型、AC型和B型漏电产品测试要求的电源。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，其特征在于，包括带有整流模块的接口及整流模块板，接口及整流模块板扩展有电流发生模块接口、稳压模块接口、变频电流发生模块接口、变频模块接口、温度传感器接口、PLC控制采集接口、叠加小直流接口、变压器接口、电流采集模块接口及电流输出接口，电子负载、稳压模块、变频电流发生模块、变频模块、散热器、外接的PLC控制系统、叠加小直流模块、变压器、电流采集模块及外接的试品分别与电流发生模块接口、稳压模块接口、变频电流发生模块接口、变频模块接口、温度传感器接口、PLC控制采集接口、叠加小直流接口、变压器接口、电流采集模块接口及电流输出接口相连；

变压器接口连接接口及整流模块板自带的整流模块，由整流模块通过电流发生模块接口、稳压模块接口、变频电流发生模块接口、变频模块接口、温度传感器接口、叠加小直流接口及电流采集模块接口分别向电子负载、稳压模块、变频电流发生模块、变频模块、散热器、叠加小直流模块及电流采集模块提供工作电压；

电流发生模块接口、稳压模块接口、变频电流发生模块接口、变频模块接口、叠加小直流接口及电流采集模块接口均与PLC控制采集接口相连；

电流输出接口与电流发生模块接口及变频电流发生模块接口相连；稳压模块接口与电流发生模块接口相连；变频电流发生模块接口与变频模块接口相连；电流采集模块接口还分别连接电流发生模块接口、变频模块接口及叠加小直流接口，其中：

电子负载，用于通过采用稳压模块形成电压源输出时调节电流大小；

稳压模块，用于产生平滑直流电压；

变频电流发生模块，用于产生变频电流源的电流输出；

变频模块，至少用于产生变频电流源的各种频率、档位选择、信号调理、PID控制；

散热器，用于对主功率管进行散热；

叠加小直流模块，用于产生0～50mA可调的直流电流源，叠加在相应的波形上；

电流采集模块，用于对输出至外接的试品的各类直流、交流电流信号进行采样。

优选地，所述电子负载包括跨导型运放一，跨导型运放一的偏置电流输入端与调理电路一相连后连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接所述外接的PLC控制系统的0～20mA输出信号，跨导型运放一的反相输入端连接调理电路二，调理电路二与电压源输出信号相连，跨导型运放一的输出端连接PID控制电路一的输入端，PID控制电路一的反馈端连接所述电流采集模块的输出，PID控制电路一的输出端依次与驱动电路一及功率输出电路一相连，功率输出电路一与外接的试品电路相通。

优选地，由所述变频模块及所述变频电流发生模块共同构成变频电源电路，该变频电源电路包括频率发生电路，所述外接的PLC控制系统通过波形选择电路控制频率发生电路产生150Hz正弦波、400Hz正弦波、1000Hz正弦波、或复合波，频率发生电路的输出端连接有信号调理电路三，调理电路三连接跨导型运放二的同相输入端，跨导型运放二的偏置电流输入端连接积分比较电路的输出端，积分比较电路的一个输入端接入所述外接的PLC控制系统的0～20mA输出信号，积分比较电路的另一个输入端依次经过绝对值滤波电路及采样调理电路后连接所述电流采集模块的输出，跨导型运放二的输出端经由调理电路四连接PID控制电路二的输入端，PID控制电路二的反馈端经由采样调理电路后连接所述电流采集模块的输出，PID控制电路二的输出端依次经由驱动电路二及功率输出电路二与外接的试品电路相通。

优选地，所述叠加小直流模块包括运放U1，外接的PLC控制系统的0～20mA输出信号经由调理电路五输入运放U1的同相输入，运放U1的反相输入端接地，运放U1的输出端连接晶体管的基极，晶体管的发射极串联负载后再串联外接的试品后连接工作电压的负极，工作电压的正极加载在晶体管的集电极上，在负载上采样后，采样信号通过运放U2以及场效应管，再通过调理电路六，送入到外接的PLC控制系统中。

优选地，所述电流采集模块包括用于将电流范围划分为3个区间的霍尔传感器一、霍尔传感器二、霍尔传感器三，外接的PLC控制系统(17)通过量程选择电路选择霍尔传感器一、霍尔传感器二、霍尔传感器三之一投入工作，霍尔传感器一、霍尔传感器二、霍尔传感器三的输出端分别连接调理电路六、调理电路七及调理电路九，调理电路六、调理电路七及调理电路九分别连接告警电路、外接的波形测量显示电路及外接的PLC控制系统。

发明公开了一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，包括电源及电子负载的各个组成部分及其各类输出的工作原理和调节方式，符合GB22794-2008标准的B型漏电产品分断时间以及脱扣电流测试的所有试验要求，同时也适用于A型和AC型漏电产品测试。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源的系统框图；

图2A至图2L为电源的输出波形形式；

图3A为复合波形示意图，由10Hz、50Hz、1kHz构成；

图3B为复合波形放大包络线为50Hz示意图；

图3C为复合波形放大显示1kHz波形成分示意图；

图4为叠加小直流的实现原理图；

图5为变频电源的原理图；

图6为电子负载的原理框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明公开的电源系统的输出涵盖了A型、AC型和B型漏电产品的测试要求，电源的不同输出通过以下技术或具体电路来实现：

(1)电源系统工作原理

电源系统的框图如附图1所示。

本发明公开的多输出电源是一个完整的系统，可以提供各种输出，对外接电路(如PLC控制)和试品而言，电源可以看作一个独立的模块，只需要将外接PLC控制系统17接到电源的PLC控制采集接口7，将试品21接到电流输出接口11，然后通过选择不同输出形式和设定电流大小，即可完成测试。

对电源而言，由于有多种输出，功能复杂，因而进行了模块化设计，根据功能和输出波形的不同，进行分块、分类。附图1中，接口及整流模块板1是整个电源系统的接口，不同功能的各个电路板12～16，18，20、变压器19及电源系统外接的PLC控制17和试品21都连接到接口板1，并通过接口板1传递信号和功率；同时接口及整流模块板1还包括整流模块，将变压器19提供的多路交流电整流成各种直流电压，作为辅助电源给各个电路模块的芯片供电，还作为叠加小直流源、变频电源主电路的供电电源。不同功能的各个电路板12～16，18，20功能如下：

电子负载12用于采用电压源形式的输出时调节电流大小。稳压模块13用于产生平滑直流。变频电流发生模块14用于产生变频电流源的电流输出。变频模块15用于产生变频电流源的各种频率、档位选择、信号调理、PID控制等。散热器16包含风机单元，对主功率管进行散热。叠加小直流模块18用于产生0～50mA可调的直流电流源，叠加在相应的波形上。电流采集模块20采用霍尔传感器，对输出的各类直流、交流电流信号进行采样。

下面以变频电源为例，介绍整个电源的工作原理。外接PLC控制系统17选中变频工作模式，设定工作频率(如150Hz)，设定输出电流大小(0～20mA信号，对应的电流范围为0～2A)，这些信号通过PLC控制采集接口7、变频模块接口(5)，传递给变频模块15。变频模块15电路板中有多个继电器，对应150Hz的继电器被选中，相关的电路被接入回路，产生150Hz的正弦波信号。同时根据设定电流大小(0～20mA信号)，变频模块15通过电路板上的采样分压、调理电路、PID控制电路等产生一个控制信号。控制信号再通过变频模块接口5、变频电流发生模块接口4传递给变频电流发生模块14，这个控制信号(包含了150Hz及设定电流值等信息)在电流发生模块14中驱动功率发生电路，产生相应的电流值。这个电流值通过变频电流发生模块接口4、电流输出接口11，连接到外接试品21，进行测试。

同时，输出的电流还通过电流采集模块接口10流入电流采集模块20，对实际的电流值进行采样，该采样值用于显示，同时也用于闭环控制，即，将采样值作为输出电流的反馈信号，送至变频模块15中，和电流设定值(通过外部0～20mA信号设定)进行比较，通过PID调节电路，得出控制信号，送至电流发生模块14中驱动功率发生电路，产生相应的电流值。电流的闭环控制使输出电流精度更高，抗干扰能力更强。

电源还具有过热保护电路，安装在散热器上16的温度传感器将信号通过接口6送入系统，当出现故障或使用不当时，电路中的开关管功率过大造成过热，温度传感器信号会超过阀值，启动过热保护，起到保护电源的目的。

(2)电流源类型输出的工作原理

电流源类型的输出包括叠加小直流源和变频电源。

1)叠加小直流源

叠加小直流源电路原理如附图4所示。在图中，V1+、V1-是变压器降压后通过二极管不控整流加较大容值的电容滤波后得到的直流电压16V。该电压施加在晶体管TIP41C，负载电阻RL，以及外接试品之间，作为电源，提供输出电流。

测量时，外接试品接入，构成串联回路，因而控制了TIP41C的电流，即控制了通过试品的电流。TIP41C的电流由其基极控制，而基极电流是运放U1的输出。将外接PLC 0～20mA信号通过调理电路接入运放U1的同相输入端，这样，调节0～20mA的电流设定就可以调节TIP41C的发射极电流，也即通过试品的电流。同时，在负载电阻RL上进行采样，采样信号通过运放U2以及场效应管IRF9530N，再通过调理电路，送入到外接PLC中，用于对输出电流的大小进行显示。

在实际使用中，叠加小直流输出都是和其他波形配合使用，如脉动叠加直流、交流叠加直流等。以脉动叠加直流为例，即，在原脉动直流的(电压源输出，通过电子负载的调节，施加在试品上的电流波形为脉动的直流)基础上，再叠加一个设定的0～50mA的直流电流，因而施加在试品上的电流波形为叠加了直流的脉动波形，如附图2A至图2L中脉动叠加直流的波形所示。

2)变频电源

变频电源的电路原理框图如附图5所示，可以满足1000Hz及以下(150Hz～1000Hz)正弦交流剩余电流的测试，输出电流波形包括150Hz、400Hz、1000Hz正弦波，复合波(含10Hz、50Hz、1000Hz正弦波，各波形的具体组分比例详见标准，IEC624232009版，第14-15页)。输出电流范围0～2A，精度为满量程的0.5％。

变频模块的频率发生电路产生150Hz、400Hz、1000Hz正弦波，复合波等4种波形，通过外接PLC进行波形选择。选中的波形信号经过调理电路送入跨导型运算放大器CA3080的3脚(同相输入端)。

同时，输出交流电流经过采样调理、绝对值滤波电路后，成为直流信号，该信号的大小由输出交流电流的幅值决定，并将该信号与外部输入的0～20mA信号一起送入积分比较电路，进行处理，因而，当0～20mA信号变化时，积分比较电路的输出也发生变化，其输出信号包含了电流的幅值信息，将该信号送入CA3080的5脚(偏置电流输入脚)。由于跨导运放的增益正比于5脚的偏置电流值，因而其增益受控于0～20mA信号的大小，包含了输出电流的幅值信息。由于CA3080的3脚包含了波形的信息，因而CA3080输出同时包含了波形和幅值信息，经过调理电路后，在PID控制电路中与反馈信号(经过采样并调理的实际输出电流)进行比较、PID控制，输出信号经过驱动电路，驱动主功率电路，输出实际所需的电流值。这个电流值连接外部试品，进行测试。输出电流经过采样调理电路，分为两路，一路经过绝对值电路整

流滤波后作为幅值信号，和0～20mA设定信号进行比较，用于设定输出电流的大小；另一路进入PID控制电路，作为反馈信号，用于电流输出的PID调节和控制。

主功率电路由推挽电路构成，一对对管采用2SC3858和2SA1494。

驱动电路也是推挽电路，对管采用TIP41C和TIP42C。

(3)电压源类型输出

电压源形式的输出包括220V/50Hz交流源、平滑直流源、脉动直流源(包括A型0度、90度、135度，两相整流，三相整流，详见附图2A至图2L)。这类输出波形，都是电压源形式，都是将电子负载串联接入测试回路，通过调节电子负载来调节电流的大小。

220V/50Hz交流即市电直接输入，通过外部PLC的0～20mA信号设定调整电子负载，来调整电流值的大小。

平滑直流是先将市电降压后通过二极管整流电路，整流为直流24V，然后通过调节电子负载，调节电流值。

脉动直流，如A型0度、90度、135度等波形是将220V/50Hz交流先通过单向可控硅调节脉动直流的选相角，将电压波形调理为附图所示的波形，再通过电子负载调节电流。脉动直流的两相整流、三相整流两种波形，也是直接将两相或三相交流电通过2组或3组二极管进行不控整流(参考国标GB22794-2008，图4，图5的接线方式)，整流为如图所示的波形，再通过电子负载调节电流，对试品进行测试。

(4)电压源类型输出时电子负载的调节原理

电子负载的调节原理如附图6所示。图6中，上半部分是对输出电流Iout进行采样的环节，由于Iout范围在0～2A，为了提高测量精度，将电流范围划分为3个区间，采用3个霍尔传感器LEM1～LEM3进行采样。量程选择电路由外接的PLC量程选择信号进行控制。

采样后得到的电流值送入3个支路：支路1经过AD837芯片及调理电路，用于超量程报警，当实际测量值超出了所选的量程时(这也有可能是因为电路故障或外部接线错误造成的)，采用蜂鸣器和LED进行报警，起到保护作用。支路2经过调理电路后，预留外接的接口，可以用于输出波形的测量及显示，如用外接示波器测量该接口端子，即可获取波形，计算出幅值。支路3经过调理电路后，外接PLC系统，用于对电流值进行采样，对分断时间进行控制。

图6的下半部分是电子负载调节电流大小的原理框图。外接的0～20mA信号经过光耦隔离，调理电路后，送入跨导型运放CA3080的5脚(偏置电流输入脚)。由于跨导运放的增益正比于5脚的偏置电流值，因而其增益受控于0～20mA信号的大小，包含了输出电流的幅值信息。需要输出的电压波形，经过调理电路后送入CA3080的2脚(反相输入端)。因而，CA3080的输出包含了输出波形和幅值的信息，将其送入PID控制电路，然后经过驱动电路进行功率输出，用于试品的测试。同时，输出电流Iout经过采样电阻，将反馈信号送入PID控制电路，构成反馈闭环控制，用于输出电流的稳定和抗干扰。功率输出部分，由于是交流220V电压源或者脉动直流源直接施加在功率管上，需要选用高耐压的功率管，而高耐压的功率管一般允许流过的电流较小，因而本发明中采用多个2KS1120场效应管进行并联的方式来解决。

本发明电源输出形式包括220V/50Hz交流、变频电源(150Hz～1000Hz)、平滑直流电源、叠加小直流电源及脉动直流，电源所能产生并可调节的剩余电流波形如附图2所示，包括：

(1)50Hz～1000Hz交流剩余电流；

(2)由50Hz、1kHz和10Hz频率组成的复合波电流；

(3)交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流；

(4)脉动直流剩余电流叠加平滑直流剩余电流；

(5)脉动直流剩余电流(带合闸相角控制)；

(6)两相供电的整流电路产生的直流剩余电流；

(7)三相供电的整流电路产生的直流剩余电流；

(8)平滑直流剩余电流。

通过外接的PLC控制继电器来选择所需的输出波形及输出的维持时间，可以完成所有测试试验的脱扣电流和分断时间的测量。

电源提供漏电试验中的剩余电流，从设计原理角度可以分为两类形式，一类是电流源，另一类是电压源。其中，变频电源、叠加小直流电源为电流源，输出电流通过试品，作为测试用的剩余电流。电流值的大小由外部的0～20mA信号给定，这样，可以方便的通过外部信号(如PLC系统模拟板提供的电流信号)控制测试用的剩余电流的大小。220V/50Hz交流、平滑直流源、脉动直流源(包括A型0度、90度、135度，两相整流，三相整流，详见附图2)等为电压源，通过控制电源内部电子负载大小，从而控制剩余电流的大小。电子负载也是电源的一部分。

变频电源输出电流的频率为150Hz、400Hz、1000Hz及复合波，由PLC控制继电器切换不同频率的电流进入试验主回路；叠加小直流电源为输出0～50mA电流源，通过PLC的D/A口输出0～20mA信号控制电流大小；脉动直流源通过可控硅调节脉动直流的选相角，选相角分别为0°、90°、135°。

剩余电流调节环节由外部的PLC通过D/A口输出0～20mA信号调节电子负载，实现使用50Hz/220V交流、平滑直流、脉动直流等电压型电源进行测试时对剩余电流大小的控制。

测试装置通过霍尔电流传感器测量回路中的电流大小，测量值经过调理回路，可以用于报警及外部显示。

Claims (5)

1.一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，其特征在于，包括带有整流模块的接口及整流模块板（1），接口及整流模块板（1）扩展有电流发生模块接口（2）、稳压模块接口（3）、变频电流发生模块接口（4）、变频模块接口（5）、温度传感器接口（6）、PLC控制采集接口（7）、叠加小直流接口（8）、变压器接口（9）、电流采集模块接口（10）及电流输出接口（11），电子负载（12）、稳压模块（13）、变频电流发生模块（14）、变频模块（15）、散热器（16）、外接的PLC控制系统（17）、叠加小直流模块（18）、变压器（19）、电流采集模块（20）及外接的试品（21）分别与电流发生模块接口（2）、稳压模块接口（3）、变频电流发生模块接口（4）、变频模块接口（5）、温度传感器接口（6）、PLC控制采集接口（7）、叠加小直流接口（8）、变压器接口（9）、电流采集模块接口（10）及电流输出接口（11）相连；

变压器接口（9）连接接口及整流模块板（1）自带的整流模块，由整流模块通过电流发生模块接口（2）、稳压模块接口（3）、变频电流发生模块接口（4）、变频模块接口（5）、温度传感器接口（6）、叠加小直流接口（8）及电流采集模块接口（10）分别向电子负载（12）、稳压模块（13）、变频电流发生模块（14）、变频模块（15）、散热器（16）、叠加小直流模块（18）及电流采集模块（20）提供工作电压；

电流发生模块接口（2）、稳压模块接口（3）、变频电流发生模块接口（4）、变频模块接口（5）、温度传感器接口（6）、叠加小直流接口（8）及电流采集模块接口（10）均与PLC控制采集接口（7）相连；

电流输出接口（11）与电流发生模块接口（2）及变频电流发生模块接口（4）相连；稳压模块接口（3）与电流发生模块接口（2）相连；变频电流发生模块接口（4）与变频模块接口（5）相连；电流采集模块接口（10）还分别连接电流发生模块接口（2）、变频模块接口（5）及叠加小直流接口（8），其中：

电子负载（12），用于通过采用稳压模块（13）形成电压源输出时调节电流大小；

稳压模块（13），用于产生平滑直流电压；

变频电流发生模块（14），用于产生变频电流源的电流输出；

变频模块（15），至少用于产生变频电流源的各种频率、档位选择、信号调理、PID控制；

散热器（16），用于对主功率管进行散热；

叠加小直流模块（18），用于产生 0~50mA 可调的直流电流源，叠加在相应的波形上；

电流采集模块（20），用于对输出至外接的试品（21）的各类直流、交流电流信号进行采样。

2.如权利要求1所述的一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，其特征在于，所述电子负载（12）包括跨导型运放一，跨导型运放一的偏置电流输入端与调理电路一相连后，调理电路一连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接所述外接的PLC控制系统（17）的0~20mA 输出信号，跨导型运放一的反相输入端连接调理电路二，调理电路二与电压源输出信号相连，跨导型运放一的输出端连接PID控制电路一的输入端，PID控制电路一的反馈端连接所述电流采集模块（20）的输出，PID控制电路一的输出端依次与驱动电路一及功率输出电路一相连，功率输出电路一与外接的试品（21）电路相通。

3.如权利要求1所述的一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，其特征在于，由所述变频模块（15）及所述变频电流发生模块（14）共同构成变频电源电路，该变频电源电路包括频率发生电路，所述外接的PLC控制系统（17）通过波形选择电路控制频率发生电路产生150Hz正弦波、400Hz正弦波、1000Hz正弦波、或复合波，频率发生电路的输出端连接有信号调理电路三，调理电路三连接跨导型运放二的同相输入端，跨导型运放二的偏置电流输入端连接积分比较电路的输出端，积分比较电路的一个输入端接入所述外接的PLC控制系统（17）的0~20mA 输出信号，积分比较电路的另一个输入端依次经过绝对值滤波电路及采样调理电路后连接所述电流采集模块（20）的输出，跨导型运放二的输出端经由调理电路四连接PID控制电路二的输入端，PID控制电路二的反馈端经由采样调理电路后连接所述电流采集模块（20）的输出，PID控制电路二的输出端依次经由驱动电路二及功率输出电路二与外接的试品（21）电路相通。

4.如权利要求1所述的一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，其特征在于，所述叠加小直流模块（18）包括运放U1，外接的PLC控制系统（17）的0~20mA 输出信号经由调理电路五输入运放U1的同相输入，运放U1的反相输入端接地，运放U1的输出端连接晶体管的基极，晶体管的发射极串联负载电阻（RL）后再串联外接的试品（21）后连接工作电压的负极，工作电压的正极加载在晶体管的集电极上，在负载电阻（RL）上采样后，采样信号通过运放U2以及场效应管，再通过调理电路六，送入到外接的PLC控制系统（17）中。

5.如权利要求1所述的一种用于剩余电流保护断路器测试装置的多输出电源，其特征在于，所述电流采集模块（20）包括用于将电流范围划分为 3 个区间的霍尔传感器一、霍尔传感器二、霍尔传感器三，外接的PLC控制系统（17）通过量程选择电路选择霍尔传感器一、霍尔传感器二、霍尔传感器三之一投入工作，霍尔传感器一、霍尔传感器二、霍尔传感器三的输出端分别连接调理电路七、调理电路八及调理电路九，调理电路七、调理电路八及调理电路九分别连接告警电路、外接的波形测量显示电路及外接的PLC控制系统（17）。