CN107272792B - 一种用于断路器测试的恒流源装置 - Google Patents

一种用于断路器测试的恒流源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于断路器测试的恒流源装置，包括电流发生器和在线前馈补偿控制器；电流发生器接交流电压源和断路器，其包括依序连接的整流桥电路、全桥逆变电路、LCR滤波电路和变压器；在线前馈补偿控制器接电流发生器，其包括电压互感器、电流互感器、阻抗在线识别及前馈补偿控制单元和PWM调制驱动单元；其中，阻抗在线识别及前馈补偿控制单元通过电压互感器接变压器的初级线圈，通过电流互感器接变压器的次级线圈，以及通过PWM调制驱动单元与全桥逆变电路中每一个MOS管的栅极均相连。实施本发明，无需设置电流引导波，不仅能够有效缩短校验时间及提高检测效率，而且能够确保测试电流精度。

Description

一种用于断路器测试的恒流源装置
技术领域
本发明涉及断路器测试技术领域，尤其涉及一种用于断路器测试的恒流源装置。
背景技术
断路器广泛应用于工业、民用的各个领域，能够承载正常工作电流，并且可以在规定时间内分断工作回路故障电流，是配电系统中大量使用的重要电气产品，因此断路器在出厂前需对其保护特性进行测试，具体为通过产生高精度标准电流对断路器的分断能力和分断可靠性进行验证。由此可见，电流发生装置的精度及其动态响应速度对断路器测试结果有重要影响。
目前，现有的电流发生装置是向断路器测试回路施加小电流引导波，并通过引导波产生的电压和电流的幅值及相位差对回路等效阻抗进行预估，且进一步在预估的基础上通过比例-积分控制(PI控制)等方法输出所需要的测试电流对断路器进行保护特性校验。由于需要设置引导波，从而导致断路器的保护特性校验时间较长，检测效率低下。此外，对于不同类型的断路器产品，其阻抗均不同，采用传统PI控制无法消除测试阻抗变化对输出电流精度的影响，使得测试电流精度无法得到保证。
因此，亟需一种电流发生装置，无需设置电流引导波，不仅能够有效缩短校验时间及提高检测效率，而且能够确保测试电流精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种用于断路器测试的恒流源装置，无需设置电流引导波，不仅能够有效缩短校验时间及提高检测效率，而且能够确保测试电流精度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于断路器测试的恒流源装置，包括电流发生器和在线前馈补偿控制器；其中，
所述电流发生器的一端外接交流电压源，另一端与断路器相连，其包括依序连接的整流桥电路、全桥逆变电路、LCR滤波电路和变压器；其中，所述整流桥电路外接所述交流电压源；所述变压器与所述断路器相连，其包括匝数比为n:1的初级线圈和次级线圈；
所述在线前馈补偿控制器与所述电流发生器相连，其包括电压互感器、电流互感器、阻抗在线识别及前馈补偿控制单元和PWM调制驱动单元；其中，所述电压互感器的一端与所述变压器的初级线圈相连，另一端与所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的第一输入端相连，用于采样所述变压器初级线圈侧电压；所述电流互感器的一端与所述变压器的次级线圈相连，另一端与所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的第二输入端相连，用于采样所述变压器次级线圈侧电流；所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的输出端与所述PWM调制驱动单元的输入端相连，用于对所述变压器的采样电压和采样电流进行分段识别，通过PI算法对所述分段识别的采样电压和采样电流进行计算并求解预设的数学模型，得到输出给所述PWM调制驱动单元的调制电压；所述PWM调制驱动单元的输出端与所述全桥逆变电路中每一个MOS管的栅极均相连，用于根据所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元输出的调制电压，确定对所述整流桥电路进入所述全桥逆变电路时电压调制的占空比并进行调制。
其中，所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的预设数学模型为其中，
Ui为输出给所述PWM调制驱动单元的调制电压；n为所述变压器的匝数比；R1为所述LCR滤波电路中电阻值；C为所述LCR滤波电路中电容值；L1为所述LCR滤波电路中电感值；ω为所述变压器的采样电压的相位；I/ o为所述断路器的额定输出电流；
R为所述断路器的等效电阻，L为所述断路器的等效电感；其中，
[t0,t1]为所述变压器的采样电压和采样电流的第一段采样时间；[t1,t2]为所述变压器的采样电压和采样电流的第二段采样时间；uo为所述断路器的电压变量，io为所述断路器的电流变量。
其中，所述PWM调制驱动单元输出的占空比为其中，UVDC为所述整流桥电路进入所述全桥逆变电路的电压。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1)本发明通过在线前馈补偿控制器的电压互感器和电流互感器分别获取电压发生器中与断路器相连的变压器的采样电压和采样电流，并将采样电压和采样电流同时反馈至阻抗在线识别及前馈补偿控制单元，得到模型参数并求解预设数学模型，进而经PWM调制驱动单元将脉宽控制信号加载到全桥逆变电路中的每一个MOS管上，从而实现带阻抗补充功能的整体闭环控制，整个过程无需设置电流引导波，从而有效缩短校验时间，提高检测效率；
2)、本发明阻抗在线识别及前馈补偿控制单元结合前馈补偿和PI串联复合控制的算法，可以根据电网电压波动或负载阻抗发生变化进行快速闭环调整，能快速输出高精度交流恒流，确保断路器保护特性校验过程的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的用于断路器测试的恒流源装置的系统结构示意图；
图2为图1本发明实施例中提供的用于断路器测试的恒流源装置的工作原理图；
图3为图1中在线前馈补偿控制器采样变压器次级线圈侧的电流电压波形图；
图4为图1中变压器简化模型的等效电路图；
图5为图4中变压器理想模型的等效电路图；
图6为图1中全桥逆变电路的等效电路图；
图7为本发明实施例中提供的用于断路器测试的恒流源装置应用场景中采样变压器次级线圈侧的电流电压波形图；
图8为本发明实施例中提供的用于断路器测试的恒流源装置与现有技术中的恒流源装置分别对幅值为150A的断路器保护特性测试时输出电流波形的对比图；
图9为本发明实施例中提供的用于断路器测试的恒流源装置与现有技术中的恒流源装置分别对幅值为200A的断路器保护特性测试时输出电流波形的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种用于断路器测试的恒流源装置，包括电流发生器1和在线前馈补偿控制器2；其中，
电流发生器1的一端外接交流电压源U0，另一端与断路器MT相连，其包括依序连接的整流桥电路11、全桥逆变电路12、LCR滤波电路13和变压器14；其中，整流桥电路11外接交流电压源U0；变压器14与断路器MT相连，其包括匝数比为n:1的初级线圈和次级线圈；
在线前馈补偿控制器2与电流发生器1相连，其包括电压互感器21、电流互感器22、阻抗在线识别及前馈补偿控制单元23和PWM调制驱动单元24；其中，电压互感器21的一端与变压器14的初级线圈相连，另一端与阻抗在线识别及前馈补偿控制单元23的第一输入端a1相连，用于采样述变压器14初级线圈侧电压；电流互感器22的一端与变压器14的次级线圈相连，另一端与阻抗在线识别及前馈补偿控制单元23的第二输入端a2相连，用于采样变压器14次级线圈侧电流；阻抗在线识别及前馈补偿控制单元23的输出端a3与PWM调制驱动单元24的输入端相连，用于对变压器14的采样电压和采样电流进行分段识别，通过PI算法对所述分段识别的采样电压和采样电流进行计算并求解预设的数学模型，得到输出给PWM调制驱动单元24的调制电压；PWM调制驱动单元24的输出端与全桥逆变电路12中每一个MOS管的栅极均相连，用于根据所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元输出的调制电压，确定对整流桥电路11进入全桥逆变电路12时电压调制的占空比并进行调制。
更进一步的，阻抗在线识别及前馈补偿控制单元23的预设数学模型为其中，
Ui为输出给PWM调制驱动单元24的调制电压；n为变压器14的匝数比；R1为LCR滤波电路13中电阻值；C为LCR滤波电路13中电容值；L1为LCR滤波电路13中电感值；ω为变压器14的采样电压的相位；I/ o为断路器MT的额定输出电流；
R为断路器MT的等效电阻，L为断路器MT的等效电感；其中， [t0,t1]为变压器14的采样电压和采样电流的第一段采样时间；[t1,t2]为变压器14的采样电压和采样电流的第二段采样时间；uo为断路器MT的电压变量，io为断路器MT的电流变量。
如图2所示，为本发明实施例中用于断路器测试的恒流源装置的工作原理图，为避免测量噪声对阻抗识别收敛性和精度的影响，因此阻抗在线识别及前馈补偿控制单元23的预设数学模型是基于断路器等效阻抗模型分段积分建立的，并结合前馈补偿和PI串联复合控制算法，该数学模型具体实现方式如下：
由于断路器测试回路可以采用一阶微分方程进行等效，即：
式(1)中L表示断路器的等效电感，R表示等效电阻。对方程(1)进行求解，可以得到如图3所示的电流电压波形，设断路器两端电压变量为uo，电流变量为io，由基尔霍夫电压定律得到：
观察方程(2)可以发现，求解控制电压时需要对电流求导数，由于实际测量信号中包含大量噪声，直接对测量信号求导数会产生系统不收敛性，因而提出分段积分的方法对阻抗参数进行识别。对方程(2)两边同时进行积分运算，得到：
式中t0和t1分别表示分段时间的起始和结束时刻。从式(3)可知，方程包含L和R两个未知参数，需要再建立一组方程才能够对其进行求解。同理，再对另一段时间[t1,t2]进行积分计算，将两组方程进行联立，可以得到：
方程(4)中的积分运算可以用符号代替，简写得到：
对(5)联立求解，可以得到：
其中电流、电压间的相移可以表示为：
此时，将断路器的等效电路简化至电流发生器的变压器输出端，得到变压器的简化模型(如图4所示)，设为图2中全桥逆变电路输出电压、电流， 分别为变压器原边(即初级线圈侧)电压、电流，分别为变压器副边(即次级线圈侧)电压，电流，R1、L1和C分别为LCR滤波电路中电阻值、电感值和电容值，R为断路器的等效电阻，L为断路器的等效电感，n为变压器匝数比。
将图4的变压器的简化模型转换成如图5所示的理想变压器，同时有：
式(8)中，R2、L2为变压器副边折算至原边的电阻、电感。
令：
则在正弦稳态条件下可以得到如下方程：
对方程组(10)进行联立求解，则电压信号可以表示为：
对方程(11)两边进行取模计算，可以得到：
Ui＝|Zeq|Io (12)
将方程(9)、(10)代入式(12)，得到阻抗在线识别及前馈补偿控制单元所需的数学模型：
式(13)中，I/ o为断路器的额定输出电流。
更进一步的，PWM调制驱动单元24输出的占空比为其中，UVDC为整流桥电路11进入全桥逆变电路12的电压。
如图6所示，为全桥逆变电路的等效电路图，UVDC表示AC-DC(即整流桥电路11进入全桥逆变电路12)的输出电压，表示全桥逆变电路12在LCR滤波电路13之前的电压。若稳定，则全桥逆变电路12中MOS管的占空比为：
采用(14)，即可在给定需要输出的电流峰值I′o(即断路器的额定输出电流)的条件下，得到所需的占空比p′，进而通过控制每一个MOS管的电压脉宽大小和占空比，实现在线前馈补偿控制。
如图7至图9所示，对本发明实施例中用于断路器测试的恒流源装置的应用场景做进一步说明：
正弦序列：一个周波内取360个点。
阻抗识别：每20个点(≈1.1ms)为一个积分周期，第一次识别需要40个点，之后每20个点更新一次负载阻抗。
计算过程：在(0,π)区间内，给定一个较小的p值输出，阻抗识别得到负载阻抗角φ和所需的占空比p′；在(π,∞)区间内，在θ＝π+φ时刻使p＝p′，之后程序不断更新负载阻抗和p值。
将本发明实施例中用于断路器测试的恒流源装置对断路器保护特性测试电流与现有技术中的恒流源装置分别对幅值为150A和200A断路器保护特性测试电流进行对比(如图8和图9所示)。实线曲线部分表示传统检测方法，向负载回路施加小电流引导波。虚线曲线部分是本发明实施例中用于断路器测试的恒流源装置输出电流的波形。经过对比可以发现，本发明实施例中用于断路器测试的恒流源装置在测试过程中无需引导波，检测效率得到提升。此外，由于采用了在线阻抗识别技术，同时结合了前馈补偿与PI串联复合控制的算法，电流精度受阻抗变化的影响得到补偿，恒流源输出精度得到保证。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1)本发明通过在线前馈补偿控制器的电压互感器和电流互感器分别获取电压发生器中与断路器相连的变压器的采样电压和采样电流，并将采样电压和采样电流同时反馈至阻抗在线识别及前馈补偿控制单元，得到模型参数并求解预设数学模型，进而经PWM调制驱动单元将脉宽控制信号加载到全桥逆变电路中的每一个MOS管上，从而实现带阻抗补充功能的整体闭环控制，整个过程无需设置电流引导波，从而有效缩短校验时间，提高检测效率；
2)、本发明阻抗在线识别及前馈补偿控制单元结合前馈补偿和PI串联复合控制的算法，可以根据电网电压波动或负载阻抗发生变化进行快速闭环调整，能快速输出高精度交流恒流，确保断路器保护特性校验过程的可靠性。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于断路器测试的恒流源装置，其特征在于，包括电流发生器和在线前馈补偿控制器；其中，
所述电流发生器的一端外接交流电压源，另一端与断路器相连，其包括依序连接的整流桥电路、全桥逆变电路、LCR滤波电路和变压器；其中，所述整流桥电路外接所述交流电压源；所述变压器与所述断路器相连，其包括匝数比为n:1的初级线圈和次级线圈；
所述在线前馈补偿控制器与所述电流发生器相连，其包括电压互感器、电流互感器、阻抗在线识别及前馈补偿控制单元和PWM调制驱动单元；其中，所述电压互感器的一端与所述变压器的初级线圈相连，另一端与所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的第一输入端相连，用于采样所述变压器初级线圈侧电压；所述电流互感器的一端与所述变压器的次级线圈相连，另一端与所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的第二输入端相连，用于采样所述变压器次级线圈侧电流；所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的输出端与所述PWM调制驱动单元的输入端相连，用于对所述变压器的采样电压和采样电流进行分段识别，通过PI算法对所述分段识别的采样电压和采样电流进行计算并求解预设的数学模型，得到输出给所述PWM调制驱动单元的调制电压；所述PWM调制驱动单元的输出端与所述全桥逆变电路中每一个MOS管的栅极均相连，用于根据所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元输出的调制电压，确定对所述整流桥电路进入所述全桥逆变电路时电压调制的占空比并进行调制；
所述阻抗在线识别及前馈补偿控制单元的预设数学模型为其中，
Ui为输出给所述PWM调制驱动单元的调制电压；n为所述变压器的匝数比；R1为所述LCR滤波电路中电阻值；C为所述LCR滤波电路中电容值；L1为所述LCR滤波电路中电感值；ω为所述变压器的采样电压的相位；I/ o为所述断
路器的额定输出电流；
R为所述断路器的等效电阻，L为所述断路器的等效电感；其中，i1＝Δi1；i2＝Δi2； [t0,t1]为所述变压器的采样电压和采样电流的第一段采样时间；[t1,t2]为所述变压器的采样电压和采样电流的第二段采样时间；uo为所述断路器的电压变量，io为所述断路器的电流变量，Δi1对应于t0时刻到t1时刻的电流增量，Δi2对应于t1时刻到t2时刻的电流增量。
2.如权利要求1所述的用于断路器测试的恒流源装置，其特征在于，所述PWM调制驱动单元输出的占空比为其中，UVDC为所述整流桥电路进入所述全桥逆变电路的电压。
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Application publication date: 20171020

Assignee: Yueqing Institute of industry, Wenzhou University

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2020330000105

Denomination of invention: A constant current source device for circuit breaker test

Granted publication date: 20191029

License type: Common License

Record date: 20201125