CN107422201A - 一种多功能线圈类设备综合参数测试装置 - Google Patents

一种多功能线圈类设备综合参数测试装置 Download PDF

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周睿
蔡晓峰
赵煦
吴敏博
李卫彬
王月强
瞿卫东
陆忠心
黄冬
王寅超
林瑶
邢婧
金海敏
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Abstract

本发明公开了一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，包含：主控板；分别与主控板连接的程控试验电源模块与测量单元模块，以及显示控制部件；隔离变压器，其输入端与程控试验电源模块的输出端连接；主控板通过串口控制程控试验电源模块输出电压连续可调的正弦波试验电源且控制测量单元模块有序工作；正弦波试验电源通过隔离变压器的输出端输出；隔离变压器的输出端设有电压传感器与电流传感器；测量单元模块将所述电压传感器与电流传感器实时采集到的电压与电流信号进行计算并将计算结果输出；显示控制部件接收并显示、打印、存储计算结果。本发明具有减少试验设备数量，降低现场劳动强度，试验工作更加高效、可靠的优点。

Description

一种多功能线圈类设备综合参数测试装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种多功能线圈类设备综合参数测试装置。
背景技术
线圈类设备(如各类变压器、互感器等)在电力系统的各类设备中占有极其重要的地位，而其电气试验项目较其他设备而言项目往往更多且更复杂。目前市场上针对线圈类设备每项试验基本都需配置一套专用试验仪器，且试验仪器都较为笨重。因此完成一个设备的试验往往需要多台仪器。受限于场地及电源等因素，在现场工作中需要反复将仪器搬前搬后以及多次重复接线，工作效率较低。
现有技术中，在对互感器和电力变压器进行电气试验时，一般都是采用分立的检测设备进行测试的。试验电源通常采用电源控制箱(调压器)进行调节。再配合各种电压表、电流表和功率表等表计进行测量。电源控制箱主要是由一台自耦调压器构成的，通常需要人工操作调节，试验过程需要人工边观察表计边调节电压，还得记录相应的测量结果。对操作人员的要求比较高，操作过程也比较繁琐，不利于实现自动测量。随着电子技术的发展，迎来了数字化的时代，测量仪器也朝着智能化，数字化发展，目前大部分的测量仪器都已经实现数字化，但在工频耐压、空负载及伏安特性等试验中还是普遍采用自耦调压器作为试验电源，基本上以手工操作为主。试验时需要现场连接电源控制箱和测量表计，比较费时费力，自动化程度不高。
通过对目前多种专用测试仪器的研究发现，大部分的仪器都可以由三部分组成：试验电源、测量系统、控制显示人机系统。很多功能模块是可以共用的。如果将各功能模块有机组合到一台仪器之中，使一台仪器具备完成多种试验项目的功能，代替传统的分立仪器测试的模式，这样可以减少试验设备数量，降低现场劳动强度，使得试验工作更加高效、可靠。而且仪器的自动化程度更高，减少现场接线，还能避免不同厂家不同仪器数据报告格式不一致等问题。
目前国内外在综合性电气试验装置的研究方面还是比较少见，大多数仪器还都存在功能单一，不同厂家的设备输出结果的格式也不统一，对后期的数据分析整理归档也造成很多麻烦。
发明内容
本发明提供一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，通过将数字化可程控的电子调压器与多功能测量表计进行一体化设计，实现使得测试装置具有高度智能化、多功能的测量装置的目的。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，包含：主控板；分别与所述主控板连接的程控试验电源模块与测量单元模块，以及显示控制部件；所述主控板控制所述程控试验电源模块输出电压连续可调的正弦波试验电源，以及控制所述测量单元模块进行测量，并向所述显示控制部件反馈计算结果；所述测量单元模块采集并计算待测线圈类设备的试验时的电压与电流信号，以及将计算结果向所述主控板输出；所述显示控制部件显示、打印、存储所述计算结果。
优选地，所述主控板为高性能数字信号处理器，采用型号为BLNT-MCB-11的32位ARM单片机。
优选地，所述测试装置进一步设有隔离变压器，其输入端与所述程控试验电源模块的输出端连接；所述隔离变压器的输出端输出正弦波试验电源。
优选地，所述程控试验电源模块进一步包含：波形发生器，其生成并连续输出正弦模拟信号；三角调制波发生器，其生成并输出双向三角载波；所述波形发生器与三角调制波发生器的输出端与比较电路模块的输入端连接；SPWM调制模块，其输入端与所述比较电路模块的输出端连接；所述大功率IPM开关模块，其输入端与所述SPWM调制模块的输出端连接；整流器，其与大功率IPM开关模块连接；低通滤波器，其输入端与所述大功率IPM开关模块的输出端连接。
优选地，所述波形发生器进一步包含：所述波形发生器的时钟发生器产生的脉冲驱动所述波形发生器的计数器，所述计数器输出扫描波形数据ROM的地址线，并依次将所述ROM中正弦变化的数据输出至所述波形发生器的D/A转换器的输入端，所述D/A转换器的输出端输出正弦模拟信号。
优选地，所述程控试验电源模块进一步设有数字调幅电路，所述数字调幅电路设有的D/A转换器接收所述波形发生器产生的正弦模拟信号，设置所述D/A转换器的调幅数据，对所述正弦模拟信号的调幅，并通过所述D/A转换器输出经调幅后的正弦信号。
优选地，所述SPWM调制模块进一步包含：所述SPWM调制模块进一步设有反相器、第一功率驱动模块与第二功率驱动模块；所述反相器的输入端与比较电路模块的输出端连接，所述反相器的输出端与第二功率驱动模块的第一端连接；所述第二功率驱动模块的第二端与大功率IPM开关模块的输入端连接；所述第一功率驱动模块的第一端与比较电路模块的输出端连接，其第二端与大功率IPM开关模块的输入端连接。
优选地，所述测试装置进一步设有设置在所述隔离变压器的输出端与所述测试装置的电源输出端之间的电压传感器与电流传感器。
优选地，所述测量单元模块进一步包含：
电压滤波放大模块与电流滤波放大模块，分别将所述电压传感器与电流传感器采集的电压与电流信号数据进行滤波放大处理并输出；
高速A/D转换器，其将所述经滤波放大处理的电压与电流的模拟信号对应转换为电压与电流的数字信号，并保存在所述显示控制模块设有的数据存储器中；计算电压、电流的有效值，以及有功功率和功率因数并输出；
式中：Ui、Ii是电压电流瞬时采样值，N为每周期采样点数，U为电压有效值，I为电流有效值，P为有功功率，为功率因数。
优选地，所述显示触控部件进一步包含：显示器，打印机，存储器与联机接口；所述显示器显示主控板反馈的测量结果，所述打印机打印所述测量结果；所述存储器存储所述测量单元模块采集与计算的电压，电流结果；所述联机接口用于联机操作。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
通过利用SPWM调制技术取代传统的试验调压，从而实现自动化调压，并且通过单片机原理，使得多类测试集中在一台小巧的仪器上测量并计算，最终自动打印报告，省去人为的计算工作，极大提高现场操作的安全性、便捷性，大幅提升现场作业效率。
通过将程控试验电源、测量系统、控制显示人机系统各功能模块有机组合到一台仪器之中，使一台仪器具备完成多种试验项目的功能，代替传统的分立仪器测试的模式，这样可以减少试验设备数量，降低现场劳动强度，使得试验工作更加高效、可靠。而且仪器的自动化程度更高，减少现场接线，还能避免不同厂家不同仪器数据报告格式不一致等问题。
本发明包含了电压互感器耐压(感应耐压或工频耐压)、空载电流、伏安特性等试验功能，还能用于变压器的空载试验、负载试验以及耐压试验。该设备一旦在各电网公司和设备厂家投入使用，必将直接为电力检测检修工作带来极大的便利，有效保证电网的安全运行，提高电网的安全水平，避免重大事故的发生，其次其产生的直接或间接的经济效益是巨大的。
附图说明
图1为本发明一种多功能线圈类设备综合参数测试装置的整体结构框图；
图2为本发明一种多功能线圈类设备综合参数测试装置的程控试验电源装置的波形发生器的结构框图；
图3为本发明一种程控试验电源装置的波形发生器发出的正弦信号数字调幅电路原理框图；
图4为本发明一种多功能线圈类设备综合参数测试装置的程控试验电源装置的结构框图；
图5为本发明一种多功能线圈类设备综合参数测试装置的程控试验电源SPWM调制原理的示意图；
图6为本发明一种多功能线圈类设备综合参数测试装置的多功能测量表计电路结构框图；
图7为本发明一种多功能线圈类设备综合参数测试装置的人机交互流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，包含：主控板；分别与所述主控板连接的程控试验电源模块与测量单元模块，以及显示控制部件；隔离变压器，其输入端与所述程控试验电源模块的输出端连接；所述主控板通过串口控制所述程控试验电源模块输出电压连续可调的正弦波试验电源；所述正弦波试验电源通过所述隔离变压器的输出端输出。
结合如图2至图5所示，所述程控试验电源装置进一步包含：波形发生器，三角调制波发生器，比较电路模块，SPWM调制模块，大功率IPM开关模块与低通滤波器。
所述波形发生器与三角调制波发生器的输出端与所述比较电路模块的输入端连接，所述比较电路模块的输出端与所述SPWM调制模块的输入端连接，所述SPWM调制模块的输出端与所述大功率IPM开关模块的输入端连接，所述大功率IPM开关模块的输出端与所述低通滤波器的输入端连接；
所述三角调制波发生器用于生成并输出双向三角载波。
如图2所示，所述波形发生器进一步包含:时钟发生器，计数器，波形数据ROM模块与D/A转换器。
所述波形发生器的工作原理为：通过所述波形发生器的时钟发生器产生的脉冲，去驱动所述波形发生器的计数器，所述计数器输出用于扫描波形数据ROM的地址线，这样依次将所述ROM中正弦变化的数据输出至所述波形发生器的D/A转换器的输入端，通过D/A转换器的输出端输出正弦模拟信号。
如图3所示，所述程控试验电源装置进一步设有数字调幅电路，将所述波形发生器产生的正弦模拟信号输入到调幅电路设有的D/A转换器中，主控机通过设置所述D/A转换器的调幅数据，实现对所述正弦模拟信号的调幅，并通过所述D/A转换器输出经调幅后的正弦信号。
所述程控试验电源模块进一步设有整流器采用模数-数模变换，将输入50Hz，220V交流的市电整流成300V无高频、低频电压瑕疵的纯净直流电压，输入大功率IPM开关模块。
如图4所示，所述经调幅后的正弦信号作为反馈电压，所述双向三角载波作为采样电压，通过所述比较电路模块，将所述反馈电压与采样电压比例比较控制占空比并输出稳压信号，所述SPWM调制模块接收所述稳压信号，所述稳压信号分为两路，其中一路直接输出至所述SPWM调制模块设有的第一功率驱动模块，另一路通过所述SPWM调制模块设有的信号放大电路模块对所述稳压信号进行放大并输出至所述SPWM调制模块设有的第二功率驱动模块。
如图5所示，通过所述第一与第二功率驱动模块对所述稳压信号进行SPWM调制：即输入所述第一功率驱动模块的稳压信号进一步分为两个极性相反的参考正弦波μg和-μg，所述第二功率驱动模块中的稳压信号为双向三角载波μc，所述参考正弦波μg和-μg与双向三角载波μc交截产生的功率开关驱动信号进行调制；所述参考正弦波含有2个基波μg和-μg。所述μg基波与所述三角波μc交截产生μa和与其互补信号
所述-μg基波与μc基波交截也产生μb信号和信号。疏忽电压μo的正半周是由μa和μb的与逻辑决定的。当μa，μb为高电平时，使得μo＝μd；当μa或μb有一个为低电平时，使得μo＝0。
因为在正半周内，μa的高电平一直比μb的低电平区宽，使得输出电压μo中只包含μd和0两个电平。
同理，在负半周输出电压μo由μa和的与逻辑决定，它只包含0和-μd两个电平。μd在一个载波周期内有两次状态转变。
将上述经正弦波脉宽调制技术(简称SPWM)调制后的信号通过功率驱动电路即大功率IPM开关模块与低通滤波器进行处理，通过与所述程控试验电源连接的隔离变压器进行输出；即可输出电压连续可调的正弦波试验电源。
综上所述，电压连续可调的正弦波试验电源是装置的关键部分，它在主控板的控制下，输出可连续调压的试验电源。该电源运用了数字波形合成技术以及大功率SPWM脉宽调制技术，实现了调幅电源输出。控试验电源是大功率部件，使用中为了保护试验设备和被试品的安全，设计有多种保护功能，如过流过压过温等保护功能。在硬件及软件中都设计了保护功能。
所述测试装置的隔离变压器的输出端与所述测试装置设有的电源输出端之间设有电压传感器与电流传感器；
所述测量单元模块将所述电压传感器与电流传感器实时采集到的电压与电流信号进行计算并将计算结果输出；即
如图6所示，所述测量单元通过串行接口与主控板连接，其对电压、电流信号进行实时采样并计算，并输出电压、电流、有功功率、功率因数及频率等电参量。所述单片机采用了高性能的双16位模数转换器作为主要的数据采集芯片，保证了测量的高精度。所述主控板控制所述测量单元自动对所述隔离变压器输出电流电压进行检测采集。
测量原理采用同步高速采样技术，即通过其设有的电压传感器与电流传感器对电压和电流信号进行同步采样，将采样得到的电压与电流数据分别通过电压滤波放大模块与电流滤波放大模块进行滤波放大处理，并输出，将经滤波放大处理的电压与电流信号经过16位高速A/D转换器分别将所述经滤波放大处理的电压与电流的模拟信号转换为电压与电流的数字信号；并保存在所述测量单元模块设有的数据存储器中，然后将采样数据根据电工学原理将采集的数据按公式1～4根据所述测量单元模块采集的电流与电压数据计算出电压、电流的有效值，以及有功功率和功率因数等结果。
其中：Ui、Ii是电压电流瞬时采样值，N为每周期采样点数，U为电压有效值，I为电流有效值，P为有功功率，为功率因数。
所述测量单元模块将所述各电参数的计算结果输出至所述主控板，所述主控板接收并分别将所述计算结果反馈给所述显示触控部件与联机接口；
所述联机接口进一步包含外存接口与通讯接口，用于联机操作。
所述显示控制部件接收所述主控板反馈的所述计算结果信息，并通过所述显示控制部件设有的液晶显示器显示，作业人员可在所述液晶显示器上读取最终测试结果。
所述显示控制部件设有的微型打印机将所述计算结果打印以及通过显示控制部件设有的非易失性存贮器进行存储。
所述显示触控部件发送控制所述程控试验电源和测量表计进行有序工作的指令到主控板，所述主控板执行，实现使所述多功能线圈类设备综合参数测试装置可根据用户预设的功能进行自动测量。
所述主控板为高性能数字信号处理器，采用型号为BLNT-MCB-11的32位ARM单片机。主机工作的核心为主控板，主控板由32位ARM单片机实现，主要负责人机界面设计、变频电源控制、测量单元数据读取以及数据结果显示、打印、存储，通讯等工作。所有测量过程都在主控板的控制下完成。
如图7所示，所述显示控制部件进一步设有按键，所述按键进一步包含有方向键上、下、左、右共四个以及“确认”键，所述确认键是用于确认已通过方向键选择的菜单项，并实现该菜单项所示的相应功能；根据所述按键反馈来控制测量单元模块与程控试验电源模块并将结果通过声音，如蜂鸣器，图象反馈给操作人员，移动当前光标状态或者改变所选位置的值；例如施加电压数值的大小目的是在多个菜单中选择某项试验内容或用来改变某个所选位置的数值；当按键为确认键时，根据光标所指内容的不同进行不同的处理，例如为选择菜单时进入相应的菜单，为功能菜单时实现相应的功能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，包含：
主控板；分别与所述主控板连接的程控试验电源模块与测量单元模块，以及显示控制部件；
所述主控板控制所述程控试验电源模块输出电压连续可调的正弦波试验电源，以及控制所述测量单元模块进行测量，并向所述显示控制部件反馈计算结果；
所述测量单元模块采集并计算待测线圈类设备的试验时的电压与电流信号，以及将计算结果向所述主控板输出；
所述显示控制部件显示、打印、存储所述计算结果。
2.如权利要求1所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述主控板为高性能数字信号处理器，采用型号为BLNT-MCB-11的32位ARM单片机。
3.如权利要求2所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述测试装置进一步设有隔离变压器，其输入端与所述程控试验电源模块的输出端连接；所述隔离变压器的输出端输出正弦波试验电源。
4.如权利要求1所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述程控试验电源模块进一步包含：
波形发生器，其生成并连续输出正弦模拟信号；
三角调制波发生器，其生成并输出双向三角载波；
所述波形发生器与三角调制波发生器的输出端与比较电路模块的输入端连接；SPWM调制模块，其输入端与所述比较电路模块的输出端连接；
所述大功率IPM开关模块，其输入端与所述SPWM调制模块的输出端连接；
整流器，其与大功率IPM开关模块连接；
低通滤波器，其输入端与所述大功率IPM开关模块的输出端连接。
5.如权利要求4所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述波形发生器进一步包含：
所述波形发生器的时钟发生器产生的脉冲驱动所述波形发生器的计数器，所述计数器输出扫描波形数据ROM的地址线，并依次将所述ROM中正弦变化的数据输出至所述波形发生器的D/A转换器的输入端，所述D/A转换器的输出端输出正弦模拟信号。
6.如权利要求5所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述程控试验电源装置进一步设有数字调幅电路：
所述数字调幅电路设有的D/A转换器接收所述波形发生器产生的正弦模拟信号，设置所述D/A转换器的调幅数据，对所述正弦模拟信号的调幅，并通过所述D/A转换器输出经调幅后的正弦信号。
7.如权利要求4所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述SPWM调制模块进一步包含：所述SPWM调制模块进一步设有反相器、第一功率驱动模块与第二功率驱动模块；所述反相器的输入端与比较电路模块的输出端连接，所述反相器的输出端与第二功率驱动模块的第一端连接；所述第二功率驱动模块的第二端与大功率IPM开关模块的输入端连接；所述第一功率驱动模块的第一端与比较电路模块的输出端连接，其第二端与大功率IPM开关模块的输入端连接。
8.如权利要求1所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述测试装置进一步设有设置在所述隔离变压器的输出端与所述测试装置的电源输出端之间的电压传感器与电流传感器。
9.如权利要求1所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，所述测量单元模块进一步包含：
电压滤波放大模块与电流滤波放大模块，分别将所述电压传感器与电流传感器采集的电压与电流信号数据进行滤波放大处理并输出；
高速A/D转换器，其将所述经滤波放大处理的电压与电流的模拟信号对应转换为电压与电流的数字信号，并保存在所述显示控制模块设有的数据存储器中；
计算电压、电流的有效值，以及有功功率和功率因数并输出；
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式中：Ui、Ii是电压电流瞬时采样值，N为每周期采样点数，U为电压有效值，I为电流有效值，P为有功功率，为功率因数。
10.如权利要求1所述一种多功能线圈类设备综合参数测试装置，其特征在于，
所述显示触控部件进一步包含：显示器，打印机，存储器与联机接口；
所述显示器显示主控板反馈的测量结果，
所述打印机打印所述测量结果；
所述存储器存储所述测量单元模块采集与计算的电压，电流结果；
所述联机接口用于联机操作。
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