CN107102207A - 一种基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，适用于测试各类接地装置的工频接地阻抗以及土壤电阻率。本发明主要由变频主电路、控制系统、系统软件组成，包括一个输入电路、一个整流滤波电路、一个逆变电路(含驱动电路和缓冲电路)、一个输出滤波电路、一个输出控制电路、一个PWM信号产生电路、一个信号采集电路、以及一个输入输出控制电路。本发明采用了新型变频交流电源，通过微机控制和信号处理等措施，很好的解决了测试过程中的抗干扰问题，简化了试验操作过程，提高了测试结果的精度和准确性，大大降低了试验人员的劳动强度和试验成本。
Description
【技术领域】
本发明属于阻抗测试技术领域，涉及一种基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪。
【背景技术】
随着系统额定电压等级的提高，高电压、大容量的变电所日益增多，出现了许多大型、超大型的接地网。接地网的工作状况直接关系到人身安全、电力设备和电力系统的安全运行。科学合理地测试接地网的各种特性参数，准确评估接地网的安全状态，对确保电力系统的安全可靠运行和变电站工作人员的人身安全具有十分重要的意义。
之前受测试设备技术水平的限制，对于接地网的测试往往仅局限于测量接地电阻的大小。实质上对于大型地网，“接地电阻”呈现出较明显的“复数阻抗”性质，即包含电阻分量、电抗分量，所以应当采用“接地阻抗”的概念取代“接地电阻”。
变频大电流多功能地网接地特性测量系统通过对接地网注入一个异于工频的电流，有效地避免了50Hz及其它干扰信号引起的测量误差，可精确、经济、安全的测量接地网接地阻抗，接触电压，跨步电压，场区地表电位梯度等参数，同时使得测量过程变得方便而安全。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，包括由3根电缆相连的电源柜和控制仪；电源柜用于输出变频正弦电压，输出电压范围为0～300V，输出频率为35Hz～65Hz，输出电流0～30A，前面板安装有用于测量接地电阻的电压和电流值的电压表和电流表；控制仪用于控制电源柜输出变频正弦电压，包括变频主电路和控制系统，变频主电路包括输入电路、整流滤波电路、含驱动电路和缓冲电路的逆变电路、输出滤波电路以及输出控制电路；控制系统包括单片机、 PWM信号产生电路、信号采集电路、输入输出控制电路以及电源模块；信号采集电路用于采集端电压信号、负载电流信号、感应电压信号以及感应电流。
本发明进一步的改进在于：
输入电路包括保护断路器Q1、输入接触器JC1和软启动电阻R1；保护断路器Q1用于在电源输入侧短路时提供保护；当接通主电源后，220V工频交流电通过软启动电阻R1给后续滤波电容充电；软启动结束后，由单片机通过继电器板的继电器J2控制输入接触器JC1工作，输入接触器JC1工作后主触头闭合，将软启动电阻R1切除，输入电路进入工作状态。
整流滤波电路包括二极管整流桥和滤波电容器组C1。
逆变电路采用电压型逆变器，逆变桥主电路由两个半桥绝缘栅双极性晶体管IGBT组成。
输出滤波电路包括输出变压器和交流滤波电容器组C2，变压器的漏感和交流滤波电容器组C2组成输出LC滤波器；输出控制电路包括断路器Q2、输出接触器JC2以及输出接触器；断路器Q2用于在电源输出端过载或短路时提供保护，输出接触器用于接通输出至负载；当需要电源输出时，单片机控制继电器板上的继电器J3工作，其常开触点接通输出接触器JC2的线圈回路，输出接触器JC2 工作，主触头闭合，电源输出。
单片机采用AVR128单片机，人机交互采用独立式键及VFD显示；PWM信号产生电路采用集成芯片8382生成PWM信号，通过系统总线与单片机连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用新型变频交流电源，通过微机控制和信号处理等措施，很好的解决了测试过程中的抗干扰问题，简化了试验操作过程，提高了测试结果的精度和准确性，大大降低了试验人员的劳动强度和试验成本。本发明适用于测试各类接地装置的工频接地阻抗以及土壤电阻率。采用异频抗干扰技术，能在强干扰环境下准确测得工频50Hz下的数据。
【附图说明】
图1为本发明控制仪前面板的结构示意图；
图2为本发明变频主电路图；
图3为本发明逆变器及控制电路图；
图4为本发明工作电源模块的结构示意图；
图5为本发明仪表及接触器控制电路图；
图6-1为本发明继电器电路板的结构示意图；
图6-2为本发明I/O接口电缆的结构示意图；
图7为本发明单片机基本系统图；
图8-1为本发明8382电路原理图；
图8-2为本发明8382晶振电路图；
图9-1为本发明电压采集电路图；
图9-2为本发明电流采集电路图；
图10-1为本发明输入控制原理电路图；
图10-2为本发明输入控制原理电路图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明基于微机控制和信号处理并采用新型变频交流电源的接地阻抗测试仪，由电源柜和控制仪组成，两者由3根电缆相连。电源柜用于输出变频正弦电压，输出电压范围为0～300V，输出频率为35Hz～65Hz，输出电流0～30A，前面板安装有电压表和电流表，可测量接地电阻的相关电压、电流值。控制仪用于控制电源柜输出变频正弦电压，其电源开关在后面板，前面板有设置、增加、减少、确定、取消、接通和断开七个按键。接地阻抗测试仪包括一个变频主电路和一个控制系统。变频主电路包括一个输入电路、一个整流滤波电路、一个逆变电路(含驱动电路和缓冲电路)、一个输出滤波电路。控制系统包括一个PWM信号产生电路、一个信号采集电路、及一个输入输出控制电路。
变频主电路原理框图如图2所示，采用大功率电力电子器件IGBT，由AVR 单片机控制。包括一个输入电路、一个整流滤波电路、一个逆变电路(含驱动电路和缓冲电路)、一个输出滤波电路。
输入电路包括保护断路器Q1、输入接触器JC1和软启动电阻R1。保护断路器Q1在电源输入侧短路时提供保护。当接通主电源后，220V工频交流电通过软启动电阻R1给后续滤波电容充电，避免对整流滤波电路中的电解电容器造成较大的电流冲击。软启动结束后，由单片机通过继电器板的继电器J2(见图6)控制输入接触器JC1工作(见图5)，输入接触器JC1工作后主触头闭合，将软启动电阻R1切除，输入电路进入正常工作状态。
整流滤波电路将输入的交流工频电压变换为高压直流，并进行平滑滤波和蓄能，为逆变电路工作提供条件。该电路主要由大功率二极管整流桥和滤波电容器组C1组成。
逆变电路(逆变器)是变频电源的核心组成部分，将高压直流变换为高频的交流脉冲电压，并进行交流降压。逆变电路为电压型逆变器，逆变桥主电路由两个半桥绝缘栅双极性晶体管IGBT组成，采用常规的桥式逆变电路，实现DC-AC 变换。控制系统通过PWM控制电缆发送控制信号，电源系统中的接收板接受后，再通过驱动板施加到IGBT模块，完成DC/AC变换，如图3所示。同时，在IGBT 上还接有缓冲电路板。15V-1和15V-2为驱动板工作电源，由工作电源模块提供 (见图4所示)。
图4中逆变输出和电流互感器次级用于控制系统检测逆变电源的输出，加电顺序控制继电器J1的触点用于控制检测控制系统和电源系统的加电顺序(J1线圈见图5所示)。
只有电源系统加电后，图5中继电器J1线圈得电工作，其触点闭合(见图4)，通过2L1、2L2将检测控制系统中的电源接通，检测控制系统才能工作，保证软启动功能的实现和电源系统的可靠工作。图5中的两块仪表分别为全频电压表和电流表，电压表的输入范围为0～500V，电流表配套的电流互感器变比为 30A/30mA。接触器JC1、JC2分别为输入、输出接触器，其工作与否由单片机通过继电器板控制(继电器板见图6所示)。图6中T-P为温度传感器，用于变频电源的过热保护。
输出滤波电路主要由输出变压器和交流滤波电容器组C2组成(见如图2所示)。采用输出变压器具有变压及隔离作用，把逆变环节和负载隔离开，减小负载剧烈变化对逆变环节的冲击影响；同时，变压器的漏感和交流滤波电容器组 C2组成输出LC滤波器，用于抑制电压波形中的谐波成分，使得输出为正弦波交流电。
输出控制电路由断路器Q2和输出接触器JC2组成。断路器Q2用于在电源输出端过载或短路时提供保护；输出接触器K3用于接通输出至负载。当需要电源输出时，单片机控制继电器板上的继电器J3工作，其常开触点接通输出接触器JC2的线圈回路，输出接触器JC2工作，主触头闭合，电源输出。
控制系统以AVR128单片机为核心，组成微控制器基本系统，如图7所示。人机交互采用独立式键及VFD显示。控制系统包括一个PWM信号产生电路、一个信号采集电路、及一个输入输出控制电路。PWM信号产生电路利用集成芯片8382生成PWM信号，与单片机的连接为系统总线结构，如图8所示。信号采集电路采集端电压信号、负载电流信号、感应电压信号以及感应电流，如图9 所示。输入输出控制电路主要为软启动控制，采用串电阻法，利用继电器进行切换控制。输出接通采用继电器控制接触器。均采用了光耦隔离抗扰措施，如图10所示。
本发明提供一种变频电流阻抗测试仪，适用于测试各类接地装置的工频接地阻抗以及土壤电阻率。采用异频抗干扰技术，能在强干扰环境下准确测得工频 50Hz下的数据。基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪由电源柜和控制仪组成，两者由电缆连接。电源柜用于输出变频正弦电压，输出电压范围为0～300V，输出频率为35Hz～65Hz，输出电流0～30A，前面板安装有电压表和电流表，可测量接地电阻的相关电压、电流值。控制仪用于控制电源柜输出变频正弦电压，其电源开关在后面板，前面板有设置、增加、减少、确定、取消、接通和断开七个按键，控制仪前面板如图1所示。
“设置”键用于设置：初始输出电压和频率、在线输出电压；
“增加”键用于增加电压和频率的数值；
“减少”键用于减少电压和频率的数值；
“确定”键用于确认设置的电压值和频率数值；
“取消”键用于取消无效的设置电压值和频率值；
“接通”键用于接通输出继电器触点；
“断开”键用于断开输出继电器的触点。
本发明的工作过程：
接通“电源”开关(在后面板)，进入软启动界面，10秒钟倒计时。
倒计时结束后，接通输入继电器(可以听到继电器吸合的声音，“啪”的一声)。自动进入参数监控界面。
在软启动后的参数监控界面上，按下“设置”键，可以进行首次参数设置，左箭头指向电压，可以对电压进行设置，单次按下“增加”键，电压值会在默认值的基础上加1V，按下“增加”键不放，电压值会按照1V的步进连续增加，一直增加到300V为止；单次按下“减少”键，电压的数值会减少1V，长按“减少”键，电压值按照1V的步进连续下降，一直到0V为止。
调整到合适的数值后，按下“确定”键，在电压值得后面会出现一个对号“√”，同时左箭头指向频率数值的一行，表示：电压值已经设置完毕，将要设置频率的数值，按下“增加”和“减少”键，可以把频率值调整的预定值，操作方法同上。
频率值设置完毕后，按下“确认”键，在频率值得后面也会出现一个对号“√”，同时，第四行出现“设置成功！”提示语，说明电压和频率的数值已经设置成功。
如果在参数设置的过程中，对设置的数值不满意，或者其它原因想取消设置的参数，可以在按下“接通”键之前，按下“取消”键，系统将会按照设置前的参数运行。
“设置成功！”后，按下“接通”键，切换到参数监控界面，将指定频率的电压按照程控的步长从0V缓升的指定的电压值。缓升到预定的数值后，接通输出继电器(可以听到继电器吸合的声音，“啪”的一声)，此时按照PID控制程序自动调节输出的电压值到指定的数值，同时电流值会及时的更新到界面上。
设置输出的频率为48Hz，设置电压大小为100V。
在稳定输出的基础上，可以随时改变输出电压的大小，注意：此时频率不可更改。按下“设置”键，会出现在线设置界面。“增加”、“减少”的使用方法同上。设置完毕后，按下“确认”键，出现设置成功界面，持续1.5秒钟后，自动切换的参数监控界面，并按照新设定的数值，内部进行PID控制调整输出电压的大小，一段时候后，输出电压会重新稳定到新设置的电压值上，重新稳定在200V 的电压值上。
测试完毕后，按下“断开”键，输出电压将按照程控的步长缓降到0V后，输出继电器断开(可以听到继电器断开的声音)。
如果进行下一轮的输出，可以重新按下“设置”键，重新设置输出的电压和频率，注意，此时频率可以重新设置。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，其特征在于，包括由3根电缆相连的电源柜和控制仪；电源柜用于输出变频正弦电压，输出电压范围为0～300V，输出频率为35Hz～65Hz，输出电流0～30A，前面板安装有用于测量接地电阻的电压和电流值的电压表和电流表；控制仪用于控制电源柜输出变频正弦电压，包括变频主电路和控制系统，变频主电路包括输入电路、整流滤波电路、含驱动电路和缓冲电路的逆变电路、输出滤波电路以及输出控制电路；控制系统包括单片机、PWM信号产生电路、信号采集电路、输入输出控制电路以及电源模块；信号采集电路用于采集端电压信号、负载电流信号、感应电压信号以及感应电流。
2.根据权利要求1所述的基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，其特征在于，输入电路包括保护断路器Q1、输入接触器JC1和软启动电阻R1；保护断路器Q1用于在电源输入侧短路时提供保护；当接通主电源后，220V工频交流电通过软启动电阻R1给后续滤波电容充电；软启动结束后，由单片机通过继电器板的继电器J2控制输入接触器JC1工作，输入接触器JC1工作后主触头闭合，将软启动电阻R1切除，输入电路进入工作状态。
3.根据权利要求1所述的基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，其特征在于，整流滤波电路包括二极管整流桥和滤波电容器组C1。
4.根据权利要求1所述的基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，其特征在于，逆变电路采用电压型逆变器，逆变桥主电路由两个半桥绝缘栅双极性晶体管IGBT组成。
5.根据权利要求1所述的基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，其特征在于，输出滤波电路包括输出变压器和交流滤波电容器组C2，变压器的漏感和交流滤波电容器组C2组成输出LC滤波器；输出控制电路包括断路器Q2、输出接触器JC2以及输出接触器；断路器Q2用于在电源输出端过载或短路时提供保护，输出接触器用于接通输出至负载；当需要电源输出时，单片机控制继电器板上的继电器J3工作，其常开触点接通输出接触器JC2的线圈回路，输出接触器JC2工作，主触头闭合，电源输出。
6.根据权利要求1所述的基于微机控制和信号处理的接地阻抗测试仪，其特征在于，单片机采用AVR128单片机，人机交互采用独立式键及VFD显示；PWM信号产生电路采用集成芯片8382生成PWM信号，通过系统总线与单片机连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170829 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |