CN108226654B - 一种全自动介质损耗测量系统 - Google Patents

一种全自动介质损耗测量系统 Download PDF

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    • G01R27/2694—Measuring dielectric loss, e.g. loss angle, loss factor or power factor

Abstract

本发明提供一种全自动介质损耗测量系统，其包括：西林电桥电路主体结构；连接在所述西林电桥电路主体结构的电桥上的闭环控制处理模块；连接在所述西林电桥电路主体结构的一桥臂上的调容模块；连接在所述西林电桥电路主体结构的另一桥臂上的调阻模块；其中，所述闭环控制处理模块采用闭环控制的方式自动调节所述调容模块内的电容值和所述调阻模块内的电阻值，以测量所述损耗测量系统上连接的介质的损耗。该测量系统利用PWM(脉冲宽度调制)技术可高精度且无级连续调节电阻值和电容值的大小，采用闭环控制可实现自动调节电阻值和电容值，从而无需人工手动调节电阻和电容，保证人身安全。

Description

一种全自动介质损耗测量系统
技术领域
本发明涉及电力系统内的测量领域，尤其涉及一种全自动介质损耗测量系统。
背景技术
对于传统的采用西林电桥电路结构的介质损耗测量系统，电阻和电容需要手动调节，一方面，传统的可调电阻和可调电容无法实现连续可调，调节精度无法保证；另一方面，传统的西林电桥需人工反复调节电阻、电容才可达到电桥平衡，操作繁琐，费时费力，且当试品需接地，西林电桥采用反接法的电路连接方式时，电桥调节部分处于高电位之下，手动调节具有一定危险性。
传统的西林电桥使用检流计来判断电桥是否平衡，检流计内包含电流线圈回路，这种测量微小电流的方式极易受到干扰，包括桥臂对地杂散电流的影响、外界电场的干扰、外界磁场的干扰等等。
到目前还没有一种集安全、高效、高精度、抗干扰、全自动等优点于一体的西林电桥电路结构的介质损耗测量系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种全自动介质损耗测量系统，既具备高精度、抗干扰又能保证操作人员的安全，填补了现有技术的空白。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种全自动介质损耗测量系统，其可包括：
西林电桥电路主体结构；
连接在所述西林电桥电路主体结构的电桥上的闭环控制处理模块；
连接在所述西林电桥电路主体结构的一桥臂上的调容模块；
连接在所述西林电桥电路主体结构的另一桥臂上的调阻模块；
其中，所述闭环控制处理模块采用闭环控制的方式自动调节所述调容模块内的电容值和所述调阻模块内的电阻值，以测量所述损耗测量系统上连接的介质的损耗。
在可选的实施例中，所述闭环控制处理模块包含采样电阻、信号放大器、滞环比较器和脉冲宽度调制变换器，其中，所述采样电阻连接在所述电桥上，所述信号放大器的输入端连接在所述采样电阻的两端，所述滞环比较器连接在所述信号放大器的输出端，所述脉冲宽度调制变换器连接在所述滞环比较器的输出端，其中，
所述采样电阻用于在所述测量系统接入被测介质的情况下产生电位差；
所述信号放大器用于放大所述采样电阻产生的所述电位差；
所述滞环比较器用于将所述信号放大器放大后的电位差与参考电位差进行比较，以生成跟踪误差，并根据所述跟踪误差产生相应的控制指令；
所述脉冲宽度调制变换器用于根据所述控制指令向所述调容模块和所述调阻模块输出对应的脉冲信号用于调节所述调容模块的电容值和所述调阻模块的电阻值，直至所述跟踪误差小于一定阈值。
在可选的实施例中，当所述跟踪误差为正时，所述滞环比较器用于产生减小脉冲信号的占空比的控制指令；
所述脉冲宽度调制变换器用于输出占空比减小的脉冲信号给所述调容模块和所述调阻模块。
在可选的实施例中，当所述跟踪误差为负时，所述滞环比较器用于产生增加脉冲信号的占空比的控制指令；
所述脉冲宽度调制变换器用于输出占空比增加的脉冲信号给所述调容模块和所述调阻模块。
在可选的实施例中，所述脉冲宽度调制变换器输出给所述调容模块和所述调阻模块的脉冲信号的幅值相同，但占空比不同。
在可选的实施例中，所述滞环比较器的参考电位差为0。
在可选的实施例中，当所述跟踪误差小于一定阈值时，将可调电容模块的等效电容值作为测量系统上的介质的损耗角正切值，由此得出所述被测介质的损耗角。
在可选的实施例中，所述一定阈值为所述滞环比较器的滞环宽度。
在可选的实施例中，所述调容模块为一个可变电感、一个电容以及两个互补导通的开关形成的可调电容电路结构。
在可选的实施例中，所述调容模块为一个可变电阻、一个电容以及两个互补导通的开关形成的可调电容电路结构。
在可选的实施例中，所述互补导通的开关由绝缘栅极双极型晶体管形成。
本发明实施例的有益效果在于：
本发明的全自动介质损耗测量系统，一方面，利用PWM(脉冲宽度调制)技术调节电阻值和电容值的大小，可做到电阻值和电容值的无级连续调节，调节精度高且可靠性高；一方面，采用闭环控制，可实现电阻值和电容值的自动调节，使整个电桥自动达到平衡，完成介质损耗测量，简便高效；另一方面，无需人工手动调节电阻值和电容值，保证人身安全。
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是本发明一种全自动介质损耗测量系统的一个实施例的结构示意图。
图2是本发明一种全自动介质损耗测量系统的一个实施例的整体电路图。
图3是本发明一种全自动介质损耗测量系统的一个实施例中PWM开关电路原理图。
图4是本发明一种全自动介质损耗测量系统的一个实施例中调容模块电路图。
图5是本发明一种全自动介质损耗测量系统的一个实施例中调阻模块电路图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
本发明实施例提供一种全自动介质损耗测量系统，如图1所示，其至少可包括：包括桥臂B1-B4和电桥B5的西林电桥电路主体结构、连接在所述电桥B5上的闭环控制处理模块1、连接在桥臂B3上调阻模块3以及连接在桥臂B2上的调容模块2。另外，本实施例中，在西林电桥电路主体结构的桥臂B1上串接被测介质，本实施例中用有损电介质的串联等值电路来表示所述被测介质，即被测介质由Rx和Cx串联组成；在西林电桥电路主体结构的桥臂B2上串接有标准电容Cn。在本实施例中，所述闭环控制处理模块1采用闭环控制的方式自动调节所述调容模块2的电容值和所述调阻模块3的电阻值，以测量所述损耗测量系统上连接的介质的损耗。
作为举例，本实施例中，调容模块2和调阻模块3均采用了PWM技术(即脉冲宽度调制技术)。如图2的电路图，调容模块2可简单表示为可变电阻R3，调阻模块3可简单表示为可变电容C4。在可选的实施例中，可变电阻R3和可变电容C4分别为电阻值或电容值可调的包括电感器和电容器或电阻器和电容器的综合电路(例如，图3-图5所示的电路)而不是单个的可调电阻器或可调电容器。
其中，闭环控制处理模块1进一步可包含有：连接在电桥B5上的采样电阻11；与采样电阻11相连的信号放大器12；与信号放大器12相连的滞环比较器13；与滞环比较器相连的PWM变换器14，在本实施例中，信号放大器12的输入端连接在采样电阻11的两端，滞环比较器13连接在信号放大器12的输出端，脉冲宽度调制变换器14连接在滞环比较器13的输出端。
进一步，如图2所示，西林电桥电路主体结构的桥臂B1上接入被测介质的情形下，采样电阻11两端存在电位差U，其电位差U传入信号放大器12放大为电位差ΔU，滞环比较器13将经过放大后的电位差值ΔU与滞环比较器13中预设的参考电位差u进行差值计算后得到跟踪误差e，根据跟踪误差e的正负数值由滞环比较器13输出相应的控制指令给PWM变换器14，由PWM变换器14向调容模块2和调阻模块3输出相应的脉冲信号(例如，PWM变换器14可向调容模块2和调阻模块3输出幅值相同但占空比不同的脉冲信号)用于改变可变电阻R3和可变电容C4的值，直至跟踪误差e的绝对值逐渐减小到一定阈值，例如减小到位于滞环宽度之内时，电桥达到平衡，此时，便可测量被测介质的介质损耗。作为举例，本实施例中，预设的参考电位差u设置为0，即跟踪误差e＝±ΔU，当e为正的ΔU时，减少调容模块2和调阻模块3中脉冲波的占空比；当e为负的ΔU时，增加调容模块2和调阻模块3中脉冲波的占空比。
另外，本实施例中，在西林电桥电路主体结构的桥臂B1上串接被测介质，本实施例中用有损电介质的串联等值电路来表示所述被测介质，即被测介质由Rx和Cx串联组成；在西林电桥电路主体结构的桥臂B2上串接有标准电容Cn，在桥臂B4上串接与调容模块并联的定值电阻R4。此外，整个电路通过电源9供电。定值电阻R4的取值通常取为(104/π)Ω，当电桥达到平衡时，即可推导出被测介质的损耗角正切为：tanδ＝C4。
在本发明的一个实施例中，为了进一步增加电路的抗干扰能力，可变电容C4为可调电容电路而非单纯的单个电容器。其工作原理的电路图如图3所示，根据PWM(即脉冲宽度调制)原理，其中K1和K2互补导通，调节K1和K2的占空比ρ即可变电感L两端的等效电压，从而改变流经电感L的电流大小，并联一个电容C既可控制电感值的大小还可起到滤波的作用。这样的PWM开关电路可实现电容值的改变。
为了进一步提高可变电容C4的调节精度，即可作为连续可调电容使用，其等效电路可设计为如图4的电路结构图，其中由IGBT(绝缘栅双极型晶体管)A、IGBTB、IGBTC和IGBTD构成电感调节部分。当电压处于正半周t1时，IGBTA模块的开关管打开，IGBTB、IGBTC和IGBTD关闭，其中IGBTB虽然有门极开通信号，但是由于自身承受反向电压而无法开通，电流由IGBTA和IGBTB的反并联二极管和电感流回电压源。t2时刻IGBTA开关管关闭，给IGBTC和IGBTD门极开通信号，由于电感电流不能突变，IGBTC无法导通，IGBTD开通，电感电流经IGBTC的二极管和IGBTD形成续流回路。同理在电压源负半周仍然互补开通。调节IGBT开关的占空比ρ，即可改变流经电感L的电流大小，等同于改变接入外电路的等效电感的大小，该部分电路与电容C并联后，整体对外等效为可变电容C4。由于IGBT占空比ρ连续可调，对外等效为电容C4的连续可调。在IGBT最高频率之内，提高IGBT开关的频率，即可进一步提高电感调节的精度，从而进一步提高电容C4调节的精度。这样就使得调容模块2具有了高精度且连续可调的功能。
同理，在本发明中，可变电阻R3也并非简单的可变电阻器，其采用与调容模块2同样的电路结构和原理进行等效代替，如图5所示，只需要将图4中电感L换成电阻R即可实现可变电阻R3；同理，改变两对互补的IGBT开关的占空比ρ，即可改变电阻R3的阻值。本发明实施例的可变电阻R3(也即调阻模块3)具有了高精度且连续可调的功能。其工作原理与上述的可变电容C4的等效电路一样，在此对其不进行赘述。
当然在其他可选的实施例中，可变电阻R3和可变电容C4的可调节范围大小可根据实际需求进行选择。
通过上述说明可知，本发明的有益效果在于：
采用全自动介质损耗测量系统，一方面，利用PWM(脉冲宽度调制)技术调节电阻值和电容值的大小，可做到电阻值和电容值的无级连续调节，调节精度高且可靠性高；一方面，采用闭环控制，可实现电阻值和电容值的自动调节，使整个电桥自动达到平衡，完成介质损耗测量，简便高效；另一方面，无需人工手动调节电阻值和电容值，保证人身安全。以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种全自动介质损耗测量系统，其特征在于，由西林电桥电路主体结构、连接在所述西林电桥电路主体结构的电桥上的闭环控制处理模块、连接在所述西林电桥电路主体结构的一桥臂上的调容模块以及连接在所述西林电桥电路主体结构的另一桥臂上的调阻模块组成；
其中，所述闭环控制处理模块采用闭环控制的方式自动调节所述调容模块内的电容值和所述调阻模块内的电阻值，以测量所述损耗测量系统上连接的介质的损耗；
所述闭环控制处理模块包含采样电阻、信号放大器、滞环比较器和脉冲宽度调制变换器，其中，所述采样电阻连接在所述电桥上，所述信号放大器的输入端连接在所述采样电阻的两端，所述滞环比较器连接在所述信号放大器的输出端，所述脉冲宽度调制变换器连接在所述滞环比较器的输出端，其中，
所述采样电阻用于在所述测量系统接入被测介质的情况下产生电位差；
所述信号放大器用于放大所述采样电阻产生的所述电位差；
所述滞环比较器用于将所述信号放大器放大后的电位差与参考电位差进行比较，以生成跟踪误差，并根据所述跟踪误差产生相应的控制指令；
所述脉冲宽度调制变换器用于根据所述控制指令向所述调容模块和所述调阻模块输出对应的脉冲信号用于调节所述调容模块的电容值和所述调阻模块的电阻值，直至所述跟踪误差小于一定阈值。
2.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，当所述跟踪误差为正时，所述滞环比较器用于产生减小脉冲信号的占空比的控制指令；
所述脉冲宽度调制变换器用于输出占空比减小的脉冲信号给所述调容模块和所述调阻模块。
3.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，当所述跟踪误差为负时，所述滞环比较器用于产生增加脉冲信号的占空比的控制指令；
所述脉冲宽度调制变换器用于输出占空比增加的脉冲信号给所述调容模块和所述调阻模块。
4.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，所述脉冲宽度调制变换器输出给所述调容模块和所述调阻模块的脉冲信号的幅值相同，但占空比不同。
5.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，所述滞环比较器的参考电位差为0。
6.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，当所述跟踪误差小于一定阈值时，将可调电容模块的等效电容值作为测量系统上的介质的损耗角正切值，由此得出所述被测介质的损耗角。
7.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，所述一定阈值为所述滞环比较器的滞环宽度。
8.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，所述调容模块为一个可变电感、一个电容以及两个互补导通的开关形成的可调电容电路结构。
9.根据权利要求1所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，所述调阻模块为一个可变电阻、一个电容以及两个互补导通的开关形成的可调电阻电路结构。
10.根据权利要求8或9所述的全自动介质损耗测量系统，其特征在于，所述互补导通的开关由绝缘栅极双极型晶体管形成。
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