CN111505357A - 一种大截面导体电气特性参数测试用电源 - Google Patents

一种大截面导体电气特性参数测试用电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大截面导体电气特性参数测试用电源,包括负载,D/A转换器,用于产生输入的电压信号U;电压控制电流源单元,用于以差压方式感测输入信号和反馈信号,并按照一定比率关系将电压转换为电流输出;单位增益反相器单元,用于在单位增益下将主电压控制电流源单元的输出反相,提供一个‑1的增益,驱动负载的负端;单位增益同向器单元,用于在单位增益下将单位增益反相器单元的输出同向,提供一个1的增益,驱动负载的负端。对于大截面导体交流电气参数的测试有着更强的电流输出能力和较高的输出精度;同时可实现负载无功补偿的优化,这种方式巧妙的规避了大截面导体无功补偿问题。

Description

一种大截面导体电气特性参数测试用电源
技术领域
本发明属于电源设计领域,具体涉及一种用于大截面导体电压、直流电阻、和交流等效电阻等电气特性参数测试用可编程电源。
背景技术
电力电缆的线芯、大型电机的线棒、GIS和GIL的导电回路等是电力系统中常见的大截面导体形式,大截面导体具有电阻小、电感大的特点。传统直流电阻的测试由于采用直流作为激励,所以无功损耗部分可忽略不计,但在交流激励时大截面导体的无功损耗比较大,要求电源的容量也比较高,存在电压过激现象,对电源提出更加严格的要求。
发明内容
为满足大截面导体电气参数测试应用场合的实际需求,提升电流源输出能力和稳定性,并在尽量大电流输出的情况下,保证电流源的工作安全,本发明设计了提出了一种差分+并联模式的,可用于大截面导体电压、直流电阻、和交流等效电阻等电气特性参数测试用可编程电源。
实现上述技术目的,达到上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现:
一种大截面导体电气特性参数测试用电源,包括:由D/A转换器、两个并联的电压控制电流源单元、负载、单位增益反相器单元和单位增益同相器单元;
D/A转换器,用于产生输入的电压信号U;
电压控制电流源单元,用于以差压方式感测输入信号和反馈信号,并按照一定比率关系将电压转换为电流输出;
单位增益反相单元,用于在单位增益下将主电压控制电流源单元的输出反相,提供一个-1的增益,驱动负载的负端;
单位增益同相器单元,用于在单位增益下将单位增益反相单元的输出同相,提供一个1的增益,驱动负载的负端;
所述负载正端与所述电压控制电流源单元的输出端相连,所述负载负端与所述单位增益反相器和单位增益同相器单元的输出端相连,所述单位增益反相器单元的输入端与所述电压控制电流源单元的输出端相连,所述单位增益同相器单元的输入端与所述单位增益反相器单元的输出端相连。
作为本发明的进一步改进,所述的电压控制电流源单元的输出端并联连接到负载的正端,所述单位增益反相器单元和单位增益同相器单元的输出端并联连接到负载的负端。
作为本发明的进一步改进,所述单位增益反相器单元的输入端与任一所述电压控制电流源单元的输出端相连,其输出端与所述单位增益同向器单元的输入端连接。
作为本发明的进一步改进,所述电压控制电流源单元、所述单位增益同相器单元或所述单位增益反相器单元包括功率放大器A、输入电阻Ri、反馈电阻RF和感测电阻RS;
所述感测电阻RS串联在所述功率放大器A的输出端和所述负载的输入端之间;
所述反馈电阻RF跨接所述功率放大器A的输出端和输入端;
所述功率放大器A的输出端经输入电阻Ri接入电压信号。
作为本发明的进一步改进,所述电压控制电流源单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出并联后与负载正端相连,所述单位增益同相器单元或所述单位增益反相器单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出并联后与负载负端相连。
作为本发明的进一步改进,还包括变压器,在所述变压器的二次侧设有2个绕组,所述负载连接至其中一个绕组中,另一个绕组与无功补偿单元相连;
所述电压控制电流源单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出与变压器正端相连,所述单位增益同相器单元或所述单位增益反相器单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出并联后与变压器负端相连。
作为本发明的进一步改进,所述电压控制电流源单元中功率放大器A的反相输入端通过Ri与所述D/A转换器输出端连接,同相输入端通过Ri与地相接;
所述单位增益反相器单元中的功率放大器A的反相输入端通过输入电阻Ri连接到所述电压控制电流源单元中的输出端,同相输入端接地;
所述单位增益同向器单元中功率放大器A的同相输入端通过反馈电阻RF与所述单位增益反相器单元中的功率放大器A中的输出端连接,同时通过输入电阻Ri接地。
作为本发明的进一步改进,所述电压控制电流源单元中还包括与功率放大器A同相输入端连接的一个由CC和RC串联的补偿支路。
作为本发明的进一步改进,在所述功率运算放大器A负供电电源VS-与输出端之间,和正供电电源VS+与输出端之间分别接入一个恢复二极管D。
作为本发明的进一步改进,所述无功补偿单元包括通过数字I/O控制开关和若干个并联的补偿电容,通过数字I/O控制开关开断调整补偿电容C0~Cn的接入。
本发明的有益效果:
第一,通过引入电压控制电流源并联输出,增强了电流源电路输出能力,使电压控制电流源在保证输出精度的同时能获得电流2倍输出;
第二,利用单位增益反相器和单位增益同向器输出并联作用于负载的负端,增强了电流源电路电压输出能力,使电流源能获得电压2倍输出;
第三,为大电流源的研制提供了新的方法,设计有补偿和电压过激保护支路,在实现无功补偿的情况下抑制负载电压的过激和保障放大器的安全运行从而进一步提升电流源电路的输出能力。
附图说明
图1为可编程电流源电路结构图;
图2为采用变压器耦合的可编程电流源电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例一
本实施方式为以功率放大器为基础的采用差分+并联模式的大功率电流源电路,应用于大截面导体直流电阻、电位差和交流等效电阻测试。其原理图如图1所示,最大输出电流峰值为50A,包括:D/A转换器输出的电压信号U;功率运算放大器A1~A4及所接入的正负供电电源VS+,VS-;输入电阻Ri、Ri2和Ri4;反馈电阻RF、RF2和RF4;感测电阻Rs所连接成的具有两个并联的电压控制电流源S、单位增益反相器S2和单位增益同向器S3结构的电源电路。
具体的连接方式为:所述D/A转换器输出的电压信号U与功率运算放大器A1和A3的反相输入端通过Ri连接,放大器同相输入端通过Ri接地,所述反馈电阻RF跨接A1和A3的反相与输出端之间,并通过感测电阻Rs并联连接到负载正端,同时在A1和A3的同相输入端与负载正端之间也跨接反馈电阻RF;所述功率运算放大器A2的反相输入端通过Ri2连接到A1的输出端,放大器A2同相输入端接地,所述反馈电阻RF2跨接A2的反相输入端与输出端之间,并通过感测电阻Rs连接到负载的负端;所述功率运算放大器A4的同相输入端通过RF4连接到A2的输出端,放大器A4的同相、反相输入端通过Ri4接地,所述反馈电阻RF4跨接A4的反相输入端与输出端之间,并通过感测电阻Rs连接到负载的负端,该支路与上述放大器A1和A3的输出端经感测电阻Rs连接到负载正端支路直接串接负载形成回路。
另外所述功率运算放大器A1和A3同相输入端与地之间接入一个由CC和RC串联补偿支路;所述四个功率运算放大器A1~A4负供电电源VS-与输出端和输出端与正供电电源VS+之间分别接入一个快速恢复二极管D。
连接如图1所示的电路的一种实施例如下:
所述D/A转换器输出的电压信号U幅值为0~±10V。
所述率运算放大器A1~A4均为Apex PA52。
所述功率运算放大器正负供电电源VS+,VS-分别为+28V,-28V。
输入电阻Ri、Ri2和Ri4阻值均为10kΩ。
反馈电阻RF、RF2和RF4阻值均为10kΩ。
感测电阻Rs1、Rs2、Rs3和Rs4阻值均为0.4Ω。
快速恢复二极管D为MUR440G。
串联补偿支路CC和RC的数值需要根据Apex PA52和负载性能参数求得,并依据实测结果进行微调。
进一步地,为了规避当前制造工艺缺陷和降低温升引起的阻值变化,四个感测电阻Rs1~Rs4都采用5个精度为0.1%的2Ω/50W大功率铝壳电阻并联获得0.4欧的高精度、低温漂、大功率小阻值电阻。
进一步地,可由电路基本原理推导所述采用功率放大器并联大功率电流源的输入输出关系为:
Figure BDA0002437112550000041
当电压U幅值为10V时,能在负载上获得稳定50A幅值的电流输出。
具体实施例二
本实施是在实施例一的基础上对负载部分进行改进,通过施加编程电流源电路+变压器模式实现的200A大电流的输出,应用于大截面导体交流电位差、交流等效电阻和阻抗的测试。其原理图如图2所示,最大输出电流峰值为200A。
具体的改进方式为,在负载位置增加三绕组变压器和无功补偿单元,该变压器二次侧有2个绕组,一个绕组接有负载,另一个绕组接有无功补偿单元,该单元通过数字I/O控制开关开断,调整补偿电容C0~Cn的接入。
基于此,实施例二中的电路连接结构为:所述D/A转换器输出的电压信号U与功率运算放大器A1和A3的反相输入端通过Ri连接,放大器同相输入端通过Ri接地,所述反馈电阻RF跨接A1和A3的反相与输出端之间,并通过感测电阻Rs并联连接到变压器绕组Ns的正端,同时在A1和A3的同相输入端与变压器绕组Ns的正端之间也跨接反馈电阻RF;所述功率运算放大器A2的反相输入端通过Ri2连接到A1的输出端,放大器A2同相输入端接地,所述反馈电阻RF2跨接A2的反相输入端与输出端之间,并通过感测电阻Rs连接到变压器绕组Ns的负端;所述功率运算放大器A4的同相输入端通过RF4连接到A2的输出端,放大器A4的同相、反相输入端通过Ri4接地,所述反馈电阻RF4跨接A4的反相输入端与输出端之间,并通过感测电阻Rs连接到变压器绕组Ns的负端,该支路与上述所述放大器A1和A3的输出端经感测电阻Rs连接到变压器绕组Ns正端支路直接串接Ns形成回路。
在实施例二中,所述D/A转换器输出的电压信号U幅值为0~±5V,频率30~300Hz。
所述率运算放大器A1~A4均为Apex PA52。
所述功率运算放大器正负供电电源VS+,VS-分别为+28V,-28V。
所述三绕组变压器,匝数选择Ns=20匝,Nx=2匝,N=200匝。
输入电阻Ri、Ri2和Ri4阻值均为10kΩ。
反馈电阻RF、RF2和RF4阻值均为10kΩ。
感测电阻Rs1、Rs2、Rs3和Rs4阻值均为0.5Ω。
所述三绕组隔离变压器铁芯材料采用硅钢片。
可由电路基本原理推导所述采用功率放大器并联大功率电流源的输入输出关系为:
Figure BDA0002437112550000051
当电压U幅值为5V时,能在变压器绕组Ns上获得稳定20A幅值的电流输出。
进一步地,可由电路基本原理推导所述负载上的电流与输入关系为:
Figure BDA0002437112550000052
当电压U幅值为5V时,能在变压器二次侧负载上获得稳定200A幅值的电流输出。
综上可以看出,对于大截面导体交流电气参数的测试存在无功损耗大、电源效率低和存在电压反激(负载上的电压高于输出电压)的特点,本发明所设计的电路结构,通过引入单位增益反相器和单位增益同相器,以及2个电流源的并联方式实现电流2倍输出,通过引入差分方式实现电压2倍输出,利用电磁感应在变压器二次侧获得电流的倍增,这种电路与传统电流源电路相比有着更强的输出能力并且相比较采用大功率达林顿管等功率器件获得大电流的方法本电路又有着较高的输出精度;同时该电流源电路设计一个无功补偿和过压抑制支路,其中无功补偿支路也可在变压器绕组中增加接入容性无功补偿单元的补偿绕组,实现负载无功补偿的优化,这种方式巧妙的规避了大截面导体无功补偿问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:包括:由D/A转换器、两个并联的电压控制电流源单元、负载、单位增益反相器单元和单位增益同相器单元;
D/A转换器,用于产生输入的电压信号U;
电压控制电流源单元,用于以差压方式感测输入信号和反馈信号,并按照一定比率关系将电压转换为电流输出;
单位增益反相单元,用于在单位增益下将主电压控制电流源单元的输出反相,提供一个-1的增益,驱动负载的负端;
单位增益同相器单元,用于在单位增益下将单位增益反相单元的输出同相,提供一个1的增益,驱动负载的负端;
所述负载正端与所述电压控制电流源单元的输出端相连,所述负载负端与所述单位增益反相器和单位增益同相器单元的输出端相连,所述单位增益反相器单元的输入端与所述电压控制电流源单元的输出端相连,所述单位增益同相器单元的输入端与所述单位增益反相器单元的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述的电压控制电流源单元的输出端并联连接到负载的正端,所述单位增益反相器单元和单位增益同相器单元的输出端并联连接到负载的负端。
3.根据权利要求1所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述单位增益反相器单元的输入端与任一所述电压控制电流源单元的输出端相连,其输出端与所述单位增益同向器单元的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述电压控制电流源单元、所述单位增益同相器单元或所述单位增益反相器单元包括功率放大器A、输入电阻Ri、反馈电阻RF和感测电阻RS
所述感测电阻RS串联在所述功率放大器A的输出端和所述负载的输入端之间;
所述反馈电阻RF跨接所述功率放大器A的输出端和输入端;
所述功率放大器A的输出端经输入电阻Ri接入电压信号。
5.根据权利要求4所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述电压控制电流源单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出并联后与负载正端相连,所述单位增益同相器单元或所述单位增益反相器单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出并联后与负载负端相连。
6.根据权利要求4所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:还包括变压器,在所述变压器的二次侧设有2个绕组,所述负载连接至其中一个绕组中,另一个绕组与无功补偿单元相连;
所述电压控制电流源单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出与变压器正端相连,所述单位增益同相器单元或所述单位增益反相器单元中的输出端从功率放大器A的输出端经感测电阻RS输出并联后与变压器负端相连。
7.根据权利要求5或6所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述电压控制电流源单元中功率放大器A的反相输入端通过Ri与所述D/A转换器输出端连接,同相输入端通过Ri与地相接;
所述单位增益反相器单元中的功率放大器A的反相输入端通过输入电阻Ri连接到所述电压控制电流源单元中的输出端,同相输入端接地;
所述单位增益同向器单元中功率放大器A的同相输入端通过反馈电阻RF与所述单位增益反相器单元中的功率放大器A中的输出端连接,同时通过输入电阻Ri接地。
8.根据权利要求5或6所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述电压控制电流源单元中还包括与功率放大器A同相输入端连接的一个由CC和RC串联的补偿支路。
9.根据权利要求5或6所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:在所述功率运算放大器A负供电电源VS-与输出端之间,和正供电电源VS+与输出端之间分别接入一个恢复二极管D。
10.根据权利要求6所述的一种大截面导体电气特性参数测试用电源,其特征在于:所述无功补偿单元包括通过数字I/O控制开关和若干个并联的补偿电容,通过数字I/O控制开关开断调整补偿电容C0~Cn的接入。
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