CN111896907B - 一种基于功率放大器的电流快速放大系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于功率放大器的电流快速放大系统及方法，包括主电源模块、主控制模块和电流快速放大模组，主电源模块与主控制模块相连，若干电流快速放大模组并联，连接到主电源模块，每组电流快速放大模组包括两个信号分析模块和一个负载，两个所述信号分析模块并联，信号分析模块的输入端与主电源模块相连，输出端连接到负载上；判断负载工作状态，改变电流的开关频率，使电流放大器电流输出维持在峰值，其优点在于，改变电流放大方式，通过功率放大器对基波电流进行放大，提高功率因数。采用多个5‑10KW的电源模块并联作为主电源模块，提高电源的稳定性。同时小功率的电源开关频率相对较高，为电流互感器上提供足够的感性负载。

Description

一种基于功率放大器的电流快速放大系统及方法

技术领域

本申请涉及试验电路中的电路快速放大技术，尤其涉及一种基于功率放大器的电流快速放大系统及方法。

背景技术

继电保护作为保证电力系统安全稳定运行的主要技术措施，保护效果受到为电力系统内提供电流信息的电流互感器影响，尤其是电流互感器暂态特性的影响。电流互感器的暂态特性差，会造成继电保护的误动和拒动，威胁电力系统的安全稳定运行。因此，需要对接入电力系统的电流互感器的性能进行试验或者检测。

对电流互感器进行试验和检测，需要能快速响应并输出大电流的试验设备。目前，进行电流互感器的试验和检测，均是选用大功率电源，并使用工频变压对大功率电源进行降压隔离处理，保证能顺利产生能接入试验设备的大电流。

但是，采用上述方法进行试验，产生的功率因数低。且大功率电源的开关频率低，电流互感器上的感性负载无法形成足够的负载电压，实际电流无法满足试验要求。

发明内容

为了在电流互感器试验和检测中，试验设备能够提供快速响应并输出的大电流，本申请的目的在于提供一种基于功率放大器的电流快速放大系统及其方法。

基于上述目的，本申请的基于功率放大器的电流快速放大系统，包括主电源模块、主控制模块和电流快速放大模组，所述主电源模块与主控制模块相连，若干电流快速放大模组并联，连接到主电源模块，所述电流快速放大模组包括两个信号分析模块和负载，两个所述信号分析模块并联，信号分析模块的输入端与主电源模块相连，输出端连接到同一个负载；

所述信号分析模块包括依次连接的控制开关、滤波器、高宽带DA转换器、功率放大器和高速电流传感器，所述控制开关连接到主电源模块，所述高速电流传感器接入负载；

所述控制开关、高速电流传感器和负载均通过反馈电路与主控制模块相连接；

所述主控制模块被配制为执行以下步骤：

设定最大电流量的值输入控制模块中，通过最大电流计算出负载的最大电感量；

根据控制开关工作时占空比，确定输出滤波电感，并设定主电源模块的电流开关频率；

设定滤波器的滤波模式，将同一电流快速放大模组内其中一个滤波器的滤波模式设定为输出谐波电流的模式，另一个滤波器的滤波模式设定为输出暂态电流的模式；

接收到高速电流传感器反馈的感应电流数值和负载反馈的负载电感量，计算实际输出电感量；

对照负载的最大输出电感量，判断负载工作状态，改变电流的开关频率，使电流放大器电流输出维持在峰值。

为了提高电流放大的效率，并联的两个所述信号分析模块中的功率放大器分别采用全桥开关放大器和全桥线性放大器。

可选的，所述负载为电流互感器，所述电流互感器的控制端接入控制模块。

可选的，所述主电源模块为若干个电压在5-10KW的电源并联组成。

本申请中的大电流快速产生方法，基于功率放大器的电流快速放大系统实现，包括以下步骤：

选取若干组独立的电流快速放大模组，并通过控制模块统一控制所述电流快速放大模组的控制开关；

电源模块的电流分别通过并联的信号分析模块的滤波器，滤波器分别选择输出谐波电流和输出暂态电流；

根据最大电流确定负载的最大电感量，并根据开关工作的占空比确定输出滤波电感，设定电流的开关频率，并控制主电源模块输出电流；

经过滤波处理的暂态电流和谐波电流分别通过并联的高速DA转换器进行电流采样，并通过功率放大器对电流进行放大，经过放大后的暂态电流作为初始阶段的暂态电流信号输入电流互感器中；

谐波电流经过功率放大器放大，将电流放大到峰值后，暂态电流输出完成，切断控制开关，停止输出暂态电流，持续输出谐波电流信号；

高速电流传感器感应放大后的谐波电流，并通过反馈电路反馈到控制模块；同时，电流互感器中的感应电流通过反馈电路反馈到控制模块；

主控制模块根据接收到的谐波电流和感应电流，实时监测谐波电流状态；

监测到谐波电流未处于峰值，主控制模块根据感应电流电流互感器的实际输出电感量，对比电流互感器的最大输出电感量，判断电流互感器工作状态，改变电流频率，使电流放大器达到电流输出峰值。

为了提高电流的放大效果，所述谐波电流通过全桥开关放大器进行信号放大，暂态信号通过全桥线性放大器进行信号放大。

本申请中，电流互感器的工作状态的判断方法：计算电流互感器的最大滤波电感量，并与反馈的电流互感器实际输出滤波电感进行对比，判断电流互感器的工作状态。

可选的，所述电流互感器的输出滤波电感为

其中：U为负载最大电压，s为电流上升时间，I为最大电流。

可选的，根据输出负载的最大电感量、最大负载电压和开关占空比确定输出负载的感抗。

本申请中，改变电流放大方式，通过功率放大器对基波电流进行放大，提高功率因数。采用多个5-10KW的电源模块并联作为主电源模块，提高电源的稳定性。同时小功率的电源开关频率相对较高，为电流互感器上提供足够的感性负载。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本申请的系统及方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的目的在于提供一种基于功率放大器的电流快速放大系统及其方法。

本申请中，基于功率放大器的电流快速放大系统，主要由主电源模块、主控制模块和电流快速放大模组组成，主电源模块为若干个电压在5-10KW的电源并联组成。

主电源模块与主控制模块相连，若干组电流快速放大模组并联，对每个电流快速放大模组分别进行编号，编号存储到主控制模块中。所有的电流快速放大模组均连接到主电源模块。主控制模块的信号输入端连接到操作台。

每组电流快速放大模组包括两个信号分析模块和一个负载，两个信号分析模块并联，信号分析模块的信号输入端与主电源模块相连，信号输出端与该电流快速放大模组中的负载相连；

信号分析模块包括依次连接的控制开关、滤波器、高带宽DA转换器、功率放大器和高速电流传感器，其中，控制开关连接到主电源模块，高速电流传感器接入负载。

同一个电流快速放大模组内的含有两个并联的滤波器，滤波器对电流进行滤波，过滤后分别输出谐波电流和暂态电流。其中，谐波电流信号放大的功率放大器为全桥开关放大器，暂态电流信号的功率放大器为全桥线性放大器。

控制开关、高速电流传感器和负载均通过反馈电路与主控制模块相连接。负载为电流互感器。

本申请中，模块之间均通过光纤通信，提高长距离通信的抗干扰能力、通信速率和数据的精确度。输入电流信号的延时小于20us，相位准确度误差小于1°。

如图1所示，本申请的基于功率放大器的电流快速放大系统快速放大电流的具体操作方法，主要包括以下步骤，以一组电流快速放大模组为例：

步骤S1：根据实验要求，在控制台输入试验所需的最大电流和最大负载电压，主控制模块计算出电流互感器输出的最大电感量，并根据开关工作的占空比确定滤波电感，以此为依据，设定主电源模块的开关频率，主电源模块输出基波电流。

步骤S2：主控制模块控制信号分析模块内的控制开关开启，主电源模块的基波电流通过并联的滤波器的滤波处理，输出谐波电流和暂态电流。

步骤S3：经过滤波处理的电流通过高速DA转换器转化后输出模拟信号，进入功率放大器对电流进行放大；经过放大后的暂态电流作为初始阶段的暂态电流信号输入电流互感器中。

步骤S4：谐波电流经过功率放大器，将电流放大到峰值后，暂态电流输出完成，切断控制开关，停止输出暂态电流，持续输出谐波电流信号。

步骤S5：放大后的电流经过高速电流传感器后，进入电流互感器中，高速电流传感器感应谐波电流，并反馈到主控制模块。

步骤S6：谐波电流进入电流互感器，电流互感器中的感应电流通过反馈电路反馈到控制模块。

步骤S7：控制模块根据接收到的谐波电流和感应电流，计算电流互感器的实际输出滤波电感，与电流互感器的最大输出滤波电感进行对比，判断电流互感器的工作状态，改变主电源模块的开关频率，使电流放大器的电流保持峰值输出。

步骤S5中，谐波电流信号通过全桥开关放大器进行信号放大，暂态电流信号通过全桥线性放大器进行信号放大，经过放大的电流谐波畸变率小于0.2％，非线性误差小于0.2％，电流输出精度误差小于0.5％。

步骤S5中，计算谐波电流通过全桥开关放大器将谐波电流放大到峰值的时间，并将全桥线性放大器中暂态电流放大到峰值的时间设定成与之一致的时间。

需要进行多组电流快速放大模组进行实验时：

根据实验要求，选取若干组并联的电流快速放大模组；

通过控制台输入所选的电流快速放大模组的编号，发送到主控制模块中，主控制模块根据编号选取电流快速放大模组，统一控制被选取的电流快速放大模组；

根据实验要求，在控制台输入每组电流快速放大所需的最大电流和最大负载电压，主控制模块计算出电流互感器输出的最大电感量，并根据开关工作的占空比确定滤波电感，以此为依据，分别设定主电源模块的开关频率，主电源模块输出基波电流；

每组电流快速放大模组均参照上述步骤S1-S7进行实验。

实施例1：

实验需求为输出最大电流2000A，电流上升时间小于500us，输出时间小于10s，谐波频率0-100kHz，设备的带载电压能力为50V。负载为电流互感器。

选取一组电流快速放大模组进行实验，操作台将所选的电流快速放大模组的编号和所需的电流类型信息发送到主控制模块中，由主控制模块统一控制被选取的电流快速放大模组的控制开关；并将滤波器的滤波模式分别设定成暂态电流和谐波电流。

主控制模块根据最大电流确定电流互感器的最大电感量：

已知则带载的峰值电压为50×1.414＝70.7V；

输出最大电流为2000A，则最大峰值电流为2000×1.414＝2828A；

实验中电流上升时间最大为500uS；

且

易得负载的最大电感量

因此设备输出的电感负载必须小于12.5uH。

根据开关工作的占空比和计算所得的设备输出电感确定输出的滤波电感：

控制开关工作时大于80％的占空比，因此，滤波电感为输出负载感抗的4倍，即L＝50uH，开关频率设定为100kHz。

打开分析模块内的控制开关，主电源模块的输出电流通过滤波器的滤波处理改变为谐波电流和暂态电流。

滤波电流通过全桥开关放大器，开关频率为100kHz，全桥开关放大器电压80V，滤波电感为50uH。

电流从0A到峰值(2828A)所需的时间

将暂态电流全桥线性放大器的电流上升时间设定为450uS，输出时间设定为2.45mS。

暂态电流提供初始阶段的暂态电流信号，2.45mS后，谐波电流达到峰值，暂态信号输出完成，切断控制开关，持续输出谐波电流信号。

谐波电流输出过程中，高速电流传感器感应放大后的谐波电流，并反馈到主控制模块中，电流互感器中的感应电流通过反馈电路反馈到控制模块。

主控制模块根据接收高速电流传感器的反馈信息，判断谐波电流的输出状态；

判断谐波电流无法满足实验需求时，通过电流互感器反馈的感应电流计算电流互感器的实际输出电感量；

并将电流互感器的实际输出电感量与最大输出电感量12.5uH对比；

根据实际输出电感量的变化，调整改变开关频率，使谐波电流维持峰值输出。

本申请中，改变电流放大方式，通过功率放大器对基波电流进行放大，提高功率因数。采用多个5-10KW的电源模块并联作为主电源模块，提高电源的稳定性。同时小功率的电源开关频率相对较高，为电流互感器上提供足够的感性负载。

采用多个电源模块并联，无需大功率器件，可减轻电源重量，便于现场的搬运和测试，提高实验装备的实用性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于功率放大器的电流快速放大系统，其特征在于，包括主电源模块、主控制模块和电流快速放大模组，所述主电源模块与主控制模块相连，若干电流快速放大模组并联，连接到主电源模块，每组所述电流快速放大模组包括两个信号分析模块和一个负载，两个所述信号分析模块并联，信号分析模块的输入端与主电源模块相连，输出端连接到同一电流快速放大模组内的负载上；

所述信号分析模块包括依次连接的控制开关、滤波器、高宽带DA转换器、功率放大器和高速电流传感器，所述控制开关连接到主电源模块，所述高速电流传感器接入负载；

所述控制开关、高速电流传感器和负载均通过反馈电路与主控制模块相连接；

所述主控制模块被配制为执行以下步骤：

设定最大电流量的值输入控制模块中，通过最大电流计算出负载的最大电感量；

根据控制开关工作时占空比，确定输出滤波电感，并设定主电源模块的电流开关频率；

设定滤波器的滤波模式，将同一电流快速放大模组内其中一个滤波器的滤波模式设定为输出谐波电流的模式，另一个滤波器的滤波模式设定为输出暂态电流的模式；

接收到高速电流传感器反馈的感应电流数值和负载反馈的负载电感量，计算实际输出电感量；

对照负载的最大输出电感量，判断负载工作状态，改变电流的开关频率，使电流放大器电流输出维持在峰值。

2.根据权利要求1所述的基于功率放大器的电流快速放大系统，其特征在于，并联的两个所述信号分析模块中的功率放大器分别采用全桥开关放大器和全桥线性放大器。

3.根据权利要求1所述的基于功率放大器的电流快速放大系统，其特征在于，所述负载为电流互感器，所述电流互感器的控制端接入控制模块。

4.根据权利要求1所述的基于功率放大器的电流快速放大系统，其特征在于，所述主电源模块为若干个电压在5-10KW的电源并联组成。

5.一种电流快速放大方法，基于权利要求1-4任一项所述的基于功率放大器的电流快速放大系统，其特征在于，包括以下步骤：

选取若干组独立的电流快速放大模组，并通过控制模块统一控制所述电流快速放大模组的控制开关；

电源模块的电流分别通过并联的信号分析模块的滤波器，滤波器分别选择输出谐波电流和输出暂态电流；

根据最大电流确定负载的最大电感量，并根据开关工作的占空比确定输出滤波电感，设定电流的开关频率，并控制主电源模块输出电流；

经过滤波处理的暂态电流和谐波电流分别通过并联的高速DA转换器进行电流采样，并通过功率放大器对电流进行放大，经过放大后的暂态电流作为初始阶段的暂态电流信号输入电流互感器中；

谐波电流经过功率放大器放大，将电流放大到峰值后，暂态电流输出完成，切断控制开关，停止输出暂态电流，持续输出谐波电流信号；

高速电流传感器感应放大后的谐波电流，并通过反馈电路反馈到控制模块；同时，电流互感器中的感应电流通过反馈电路反馈到控制模块；

主控制模块根据接收到的谐波电流和感应电流，实时监测谐波电流状态；

监测到谐波电流未处于峰值，主控制模块根据感应电流电流互感器的实际输出电感量，对比电流互感器的最大输出电感量，判断电流互感器工作状态，改变电流频率，使电流放大器达到电流输出峰值。

6.根据权利要求5所述的电流快速放大方法，其特征在于，所述谐波电流通过全桥开关放大器进行信号放大，暂态信号通过全桥线性放大器进行信号放大。

7.根据权利要求5所述的电流快速放大方法，其特征在于，所述电流互感器的工作状态的判断方法：计算电流互感器的最大滤波电感量，并与反馈的电流互感器实际输出滤波电感进行对比，判断电流互感器的工作状态。

8.根据权利要求7所述的电流快速放大方法，其特征在于，所述电流互感器的输出滤波电感为

其中：U为负载最大电压，s为电流上升时间，I为最大电流。

9.根据权利要求7所述的电流快速放大方法，其特征在于：根据输出负载的最大电感量、最大负载电压和开关占空比确定输出负载的感抗。

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