CN105404343A - 一种适用于电流互感器校正的交流恒流源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，包括：单片机模块与信号发生模块、幅值调整模块和电流采集模块分别连接，幅值调整模块与恒流源产生模块连接，所述恒流源产生模块连接负载后与电流采集模块连接；信号发生模块产生交流信号，通过幅值调整模块调整交流信号的幅值后，将交流信号送入恒流源产生模块，恒流源产生模块产生与交流信号相对应的恒定电流；电流采集模块采集恒流源产生模块输出的电流信号，并将其转化为电压信号后送入单片机模块，单片机模块控制幅值调整模块对电流信号进行步进调整。本发明电流精度高、幅频可控、成本低且不易出故障的交流恒流源，并且能够进行电流互感器的校正与标定。
Description
技术领域
本发明涉及交流恒流源技术领域，具体涉及一种适用于电流互感器校正的交流恒流源。
背景技术
传统的恒流源电路多数采用SPWM(SinusoidalPWM，正弦脉宽调制)波形控制逆变电路，其先将变压器原侧的交流电转换为直流电，再将直流电经SPWM波形控制逆变电路逆变成所需的交流电。这种恒流源的频率和电流大小都难以控制，不仅价格昂贵，体积庞大，电路设计复杂，而且会产生大量谐波反馈到电网，容易干扰电子产品的正常工作，容易出现故障。
传统恒流源一般为直流恒流源，不适用我们的应用情况，交流恒流源一般都采用SPWM方式，谐波较大，电磁干扰较大，会影响互感器的测量精度。
现有的开口式电流互感器的测量精度不高，对于必须使用开口式电流互感器，并且要求测量精度高的场合，往往不能够满足要求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种电流精度高、幅频可控、成本低且不易出故障的交流恒流源，并且能够进行电流互感器的校正与标定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，包括：单片机模块、信号发生模块、幅值调整模块、电流采集模块和恒流源产生模块；
所述单片机模块与信号发生模块、幅值调整模块和电流采集模块分别连接，所述幅值调整模块与恒流源产生模块连接，所述恒流源产生模块连接负载后与电流采集模块连接；
所述信号发生模块产生交流电压信号，通过幅值调整模块调整交流电压信号的幅值后，将交流电压信号送入恒流源产生模块，所述恒流源产生模块产生与所述交流电压信号相对应的恒定电流；电流采集模块采集恒流源产生模块输出的电流信号，并将其转化为电压信号后送入单片机模块，所述单片机模块控制幅值调整模块对电流信号进行步进调整。
所述单片机模块还与电源模块、显示模块和串口模块连接。
所述信号发生模块包括：正弦信号发生模块以及与其连接的运算放大器；所述信号发生模块与单片机模块通过SPI通信方式进行通信。
所述幅值调整模块采用数字电位器调节信号的电压，将信号发生模块的输出信号由数字电位器的非抽头一端输入，数字电位器另一端接地，抽头作为信号输出端，单片机通过通信接口对该电位器进行控制，使得抽头输出的电压满足系统的要求。
所述恒流源产生模块包括：
运算放大器U12的正极输入端和负极输入端分别连接电阻R19和电阻R20，电阻R22串接在运算放大器U12的负极输入端和输出端之间，运算放大器U12的输出端连接电阻R23，电阻R23的另一端依次串联连接负载Z1和电阻R24后接地；
运算放大器U13A的正极输入端与电阻R23连接，运算放大器U13A的负极输入端与输出端连接，运算放大器U13A的输出端串接电阻R21后与运算放大器U12的正极输入端连接。
所述电流采集模块包括：依次连接的电流采样电阻、电压跟随器和交/直流转换电路。
所述电流采集模块包括：依次连接的电流互感器、电压跟随器和交/直流转换电路。
所述交/直流转换电路包括：
电容C64和电阻R147串联连接后接入运算放大器U31的负极输入端，运算放大器U31的正极输入端接地，运算放大器U31的输出端分别连接三极管Q33的发射极和三极管Q34的集电极，三极管Q33的发射极还与三极管Q34的基极，三极管Q33的集电极和基极连接后接至运算放大器U31的负极输入端；三级管Q34的基极与集电极连接；
电阻R149的一端连接运算放大器U31的负极输入端，另一端连接三级管Q34的发射极；三级管Q34的发射极串联电阻R153后连接至运算放大器U32的负极输入端，运算放大器U32的正极输入端接地；
电阻R151的一端连接在电容C64和电阻R147之间，另一端串联电阻R155后接至运算放大器U32的输出端；电解电容E46的正极端连接运算放大器U32的输出端，另一端连接运算放大器U32的负极输入端。
对电流互感器进行校正时，交流恒流源的输出导线接入电流互感器的一次侧，并穿入电流互感器内，为电流互感器提供给定电流值，测量电流互感器二次侧的电流值，得到给定电流值与测量值之间的比例关系；在使用电流互感器进行测量的时候，根据预先标定的比例关系，计算电流互感器一次侧实际的电流值。
本发明的有益效果是：
本发明通过利用电流反馈和数字电位器实现了交流恒流源的设计，交流恒流源输出为标准电流值，相当于一个精准的仪表，在其他设备或电路中，用它作为标准仪表进行校准，解决了温漂、干扰等因素影响系统精度的问题。
单片机实时采集负载的电流值，并利用数字电位器调整信号源的电压，使电流值恒定在设定值。电流采集部分的采样电阻可以替换为电流互感器，通过输出电流的反馈，实现输出电流的恒定。
附图说明
图1是本发明的结构原理框图；
图2是本发明信号发生模块电路图；
图3是本发明恒流源产生电路图；
图4是本发明电流采集模块中的交直流转换电路图；
图5是本发明恒流源机箱前面板设计图。
具体实施方式：
下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：
一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，如图1所示，包括：单片机模块、信号发生模块、幅值调整模块、电流采集模块和恒流源产生模块；
单片机模块与信号发生模块、幅值调整模块和电流采集模块分别连接，幅值调整模块与恒流源产生模块连接，恒流源产生模块连接负载后与电流采集模块连接；单片机模块还与电源模块、显示模块和串口模块连接。
信号发生模块产生交流电压信号，通过幅值调整模块调整交流信号的幅值后，将交流信号送入恒流源产生模块，恒流源产生模块产生与所述交流信号相对应的恒定电流；电流采集模块采集恒流源产生模块输出的电流信号，并将其转化为电压信号后送入单片机模块，所述单片机模块控制幅值调整模块对电流信号进行步进调整。
其中，电源模块为整个系统提供电源，单片机模块作为控制单元，控制整个系统运行，信号发生模块产生交流信号，幅值调整模块控制信号的幅度，将幅频已调的信号送入恒流源产生模块，使其产生相应的恒定电流。为了确保系统的输出电流值为设定值，在输出端加入了电流采集模块，将电流信号转换为电压信号，经过单片机模块的A/D采集功能进行数据的处理，并通过幅值调整模块完成对电流输出值的步进控制。
电源模块采用开关电源，能够直接将交流220V装换为直流12V，然后根据系统需要进行进一步稳压，产生3.3V、±5V、±9V的电源；或者直接采用12V电池供电。
单片机模块。采用MSP430F149芯片，提供强大的数据处理能力，丰富的I/O口资源，以及灵活的控制命令，低电压、超低功耗。主要功能是完成人机交互功能、实时采集电流值，并通过调整数字电位器的抽头使系统满足恒流的要求。
信号发生模块如图2所示，采用AD9850正弦信号发生模块，单片机通过SPI通信方式对该模块的输出信号进行控制，该模块可产生峰峰值为2Vpp的交流信号。
幅值调整模块。采用数字电位器X9313调节信号的电压，将AD9850的输出信号由数字电位器的非抽头一端输入，另一端接地，抽头作为信号输出端，单片机通过通信接口对该电位器进行控制，使得抽头输出的电压满足系统的要求。
恒流源产生模块中，大功率运放芯片优先选用LM1875，该芯片具有高输出电流(能达到4A)、低噪声、输出稳定等优点。利用该模块可以产生高精度、高稳定性的恒流源信号。
如图3所示，电流采集模块包括：依次连接的电流采样电阻、电压跟随器、滤波模块和交/直流转换电路。电流采集方案为在负载回路中串入采样电阻，实现对电流的采样。为了增加恒流源的带载能力，降低系统的热损耗，采样电阻选用20mR的锰铜丝。由于锰铜丝两端的电压信号比较小，需将其进行放大。为了减小采样电路对恒流源的影响，首先使信号经过一级电压跟随器，然后经过反向比例放大电路将信号的幅值升高。由于信号仍为交流信号，直接输入到单片机A/D中将难以测量其有效值的大小，需要将交流信号转换为直流信号。该电路首先利用绝对值电路将交流电压信号进行全波整流，然后通过滤波电容将脉动信号转变为平滑的直流信号，以满足单片机进行A/D采集的要求。
交/直流转换电路的具体结构如图4所示，包括：
电容C64和电阻R147串联连接后接入运算放大器U31的负极输入端，运算放大器U31的正极输入端接地，运算放大器U31的输出端分别连接三极管Q33的发射极和三极管Q34的集电极，三极管Q33的发射极还与三极管Q34的基极，三极管Q33的集电极和基极连接后接至运算放大器U31的负极输入端；三级管Q34的基极与集电极连接；
电阻R149的一端连接运算放大器U31的负极输入端，另一端连接三级管Q34的发射极；三级管Q34的发射极串联电阻R153后连接至运算放大器U32的负极输入端，运算放大器U32的正极输入端接地；
电阻R151的一端连接在电容C64和电阻R147之间，另一端串联电阻R155后接至运算放大器U32的输出端；电解电容E46的正极端连接运算放大器U32的输出端，另一端连接运算放大器U32的负极输入端。
按键模块。设计有4个按键，方便用户进行设备控制，分别为输出控制键、电流/频率模式键、电流/频率+、电流/频率-。
显示模块。为一个LCD1602显示模块，单片机通过并口发送给显示模块数据，将信息显示在屏幕上，该模块功能成熟、性能稳定、应用方便。
串口模块。为增强系统的可扩展性，方便与其他自动化设备的连接，在设计上充分利用单片机的串口功能，加入MAX3232电平转换芯片，从而实现远距离控制以及多台并联控制或顺序控制等功能。
交流恒流源外壳部分的设计与组装如图5所示。
首先整个机箱外克是由铝型材和连接件构成，前板为操作面板，设计有设备开关、操作按键、显示屏和电流输出接线柱；后面板设计有220V电源输入端、RS232通信接口。电路板固定在机箱内部相应的位置。
给整个系统上电后，单片机对LCD1602进行初始化，关断电流的输出。接着操作人员通过按键对输出频率和电流值进行设定，单片机根据设定参数控制AD9850的输出参数，启动电流的输出，单片机实时采集负载的电流，并利用数字电位器调整信号源的电压，使电流值恒定在设定值。
需要对电流互感器进行标定时，将交流恒流源的输出导线接入电流互感器的一次侧，并穿入电流互感器内，为电流互感器提供给定电流值，然后测量电流互感器二次侧的电流测量值，最终得到给定值与测量值之间的关系，对电流互感器进行标定，在后续的电流互感器测量中，根据标定的关系计算实际的电流值，极大地提高了电流互感器的测量精度，满足不同精度场合的要求。
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 (9)
1.一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，包括：单片机模块、信号发生模块、幅值调整模块、电流采集模块和恒流源产生模块；
所述单片机模块与信号发生模块、幅值调整模块和电流采集模块分别连接，所述幅值调整模块与恒流源产生模块连接，所述恒流源产生模块连接负载后与电流采集模块连接；
所述信号发生模块产生交流电压信号，通过幅值调整模块调整交流电压信号的幅值后，将交流电压信号送入恒流源产生模块，所述恒流源产生模块产生与所述交流电压信号相对应的恒定电流；电流采集模块采集恒流源产生模块输出的电流信号，并将其转化为电压信号后送入单片机模块，所述单片机模块控制幅值调整模块对电流信号进行步进调整。
2.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述单片机模块还与电源模块、显示模块和串口模块连接。
3.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述信号发生模块包括：正弦信号发生模块以及与其连接的运算放大器；所述信号发生模块与单片机模块通过SPI通信方式进行通信。
4.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述幅值调整模块采用数字电位器调节信号的电压，将信号发生模块的输出信号由数字电位器的非抽头一端输入，数字电位器另一端接地，抽头作为信号输出端，单片机通过通信接口对该电位器进行控制，使得抽头输出的电压满足系统的要求。
5.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述恒流源产生模块包括：
运算放大器U12的正极输入端和负极输入端分别连接电阻R19和电阻R20，电阻R22串接在运算放大器U12的负极输入端和输出端之间，运算放大器U12的输出端连接电阻R23，电阻R23的另一端依次串联连接负载Z1和电阻R24后接地；
运算放大器U13A的正极输入端与电阻R23连接，运算放大器U13A的负极输入端与输出端连接，运算放大器U13A的输出端串接电阻R21后与运算放大器U12的正极输入端连接。
6.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述电流采集模块包括：依次连接的电流采样电阻、电压跟随器和交/直流转换电路。
7.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述电流采集模块包括：依次连接的电流互感器、电压跟随器和交/直流转换电路。
8.如权利要求6或7所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，所述交/直流转换电路包括：
电容C64和电阻R147串联连接后接入运算放大器U31的负极输入端，运算放大器U31的正极输入端接地，运算放大器U31的输出端分别连接三极管Q33的发射极和三极管Q34的集电极，三极管Q33的发射极还与三极管Q34的基极，三极管Q33的集电极和基极连接后接至运算放大器U31的负极输入端；三级管Q34的基极与集电极连接；
电阻R149的一端连接运算放大器U31的负极输入端，另一端连接三级管Q34的发射极；三级管Q34的发射极串联电阻R153后连接至运算放大器U32的负极输入端，运算放大器U32的正极输入端接地；
电阻R151的一端连接在电容C64和电阻R147之间，另一端串联电阻R155后接至运算放大器U32的输出端；电解电容E46的正极端连接运算放大器U32的输出端，另一端连接运算放大器U32的负极输入端。
9.如权利要求1所述的一种适用于电流互感器校正的交流恒流源，其特征是，对电流互感器进行校正时，交流恒流源的输出导线接入电流互感器的一次侧，并穿入电流互感器内，为电流互感器提供给定电流值，测量电流互感器二次侧的电流值，得到给定电流值与测量值之间的比例关系；在使用电流互感器进行测量的时候，根据预先标定的比例关系，计算电流互感器一次侧实际的电流值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |