CN112098916A - 直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统及方法。目前使用的直电能表检定装置大多不具备测试条件，无法完全满足直流电能表检定的需要。本发明采用的技术方案为：直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，包括直流电流源和纹波电流源；所述直流电流源输出的直流电流和纹波电流源输出的交流电流通过电流耦合单元进行耦合，经电流输出单元输出带有纹波的直流电流。本发明使用两个独立的电流源，采用电路的叠加定理，产生稳定的直流电流信号，并带有可调频率、赋值的纹波电流信号，从而可完成测量和评价直流纹波对直流电能表计量的影响。
Description
技术领域
本发明属于直流电能表检定装置中直流电流源领域，具体地说是一种直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统及方法。
背景技术
当前随着电动汽车行业的快速发展和直流充电桩的大量建设，直流电能表的应用越来越广泛。2017年5月发布了静止式直流电能表国家标准，并于12月份实施，作为直流充电桩的计量核心，对直流电能计量的要求越来越高，即需要如何测量和评价直流纹波对电能表的影响。目前使用的直电能表检定装置大多不具备测试条件，无法完全满足直流电能表检定的需要。
为此，有必要提出一种直流电能表检定装置直流电流回路叠加纹波的系统及方法，满足直流电流纹波对直流电能表的影响量测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统及方法，其使用两个独立的电流源，采用电路的叠加定理，产生稳定的直流电流信号，并带有可调频率、幅值的纹波电流信号。
为达到以上目的，本发明是通过以下技术方案实现：直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，包括直流电流源和纹波电流源；
所述的直流电流源包括第一数字控制单元、第一DA发生器、PI调节器、低通滤波器、第一V/I转换器、第一反馈电路和第一AD采样器，所述的第一数字控制单元接收到上位机的升源命令后，通过第一DA发生器产生直流小信号，直流小信号和第一反馈电路信号经PI调节器进行积分运算，产生的电压由低通滤波器进行滤波，去除高频信号，再由第一VI转换器将输入电压线性转换为直流电流。
所述的纹波电流源包括第二数字控制单元、第二DA发生器、前置放大器、第二VI转换器、第二反馈电路和第二AD采样器；所述的第二数字控制单元接收到上位机的升源命令后，通过第二DA发生器产生交流小信号，交流小信号和第二反馈电路电压信号由前置放大器进行幅值放大，再由第二VI转换器将输入电压线性转换为交流电流；
所述直流电流源输出的直流电流和纹波电流源输出的交流电流通过电流耦合单元进行耦合，经电流输出单元输出带有纹波的直流电流。
电路的叠加定理指出：对于一个线性系统，一个含多个独立源的双边线性电路的任何支路的响应（电压或电流），等于每个独立源单独作用时的响应的代数和，此时所有其他独立源被替换成它们各自的阻抗。本发明利用叠加定理，采用两个高内阻的线性电流源，一个产生直流电流，一个产生交流电流，通过直接耦合的方式，可以产生带纹波的直流电流。
进一步地，所述的第一反馈电路和第二反馈电路均采用高精度（小于1‰）的互感器和与其串联的低温漂（小于10ppm）的取样电阻，确保反馈信号的稳定。
进一步地，所述的电流耦合单元包括一与直流电流源输出高端串联的单向可控硅，直流电流源的输出高端与纹波电流源的输出高端相连，直流电流源的输出低端与纹波电流源的输出低端相连。采用单向可控硅防止交流电流会有一部分流入直流电流源中。
进一步地，所述的系统还包括人机界面控制单元、通讯单元、显示单元和按键单元，人机界面控制单元分别与两组电流源的数字控制单元进行通讯，人机界面控制单元通过通讯单元与上位机的通讯，控制电流源的输出，实现远程控制，人机界面控制单元与显示单元和按键单元相连，通过按键单元设置电流源的电流输出幅值、频率和纹波含量，显示单元用于显示直流电流输出幅值、纹波电流输出幅值和频率。
进一步地，所述的第一DA发生器和第二DA发生器均采用16位高速转换芯片，可以得到高精度和准确度的电压小信号；所述的第一AD采样器和第二AD采样器均采用18位高速SAR ADC，实现精确测量幅值，再通过数字控制单元实时修正输出值，得到准确稳定的电流。
进一步地，所述的第一数字控制单元和第二数字控制单元均由CPU和通讯电路组成，用于与人机界面控制单元通讯，控制升源、降源和读取测量值。
进一步地，所述的第一V/I转换器和第二V/I转换器为大功率MOS管，用于输出大电流。
本发明采用的另一技术方案为：采用上述系统进行直流电流回路叠加纹波的方法，其采用直流电流源和纹波电流源，直流电流源产生直流电流，纹波电流源产生交流电流，直流电流和交流电流通过直接耦合的方式，产生带纹波的直流电流。
进一步地，采用双闭环调节控制，内环由反馈电路调节，外环由数字控制单元调节，保证了电流源输出的稳定和准确。
进一步地，所述的AD采样器用于测量输出电流的幅值，所述的数字控制单元通过人机界面控制单元下发的升源值与读取到的测量值之间的偏差进行计算，通过DA发生器输出的小信号来进行调节。
本发明具有的有益效果如下：本发明使用两个独立的电流源，采用电路的叠加定理，产生稳定的直流电流信号，并带有可调频率、赋值的纹波电流信号，从而可完成测量和评价直流纹波对直流电能表计量的影响。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明耦合单元的电路图。
具体实施方式
本发明为一种直流电能表检定装置中直流电流输出回路叠加纹波的系统，下面通过实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图1，图1描述了直流电能表检定装置中直流电流回叠加纹波的系统，包括人机界面控制单元、直流电流源、纹波电流源、通讯单元、显示单元和按键单元。
直流电流源包括第一数字控制单元、第一DA发生器、PI调节器、低通滤波器、第一VI转换器、第一反馈电路和第一AD采样器；第一数字控制单元接收到上位机的升源命令后，通过第一DA发生器产生直流小信号，直流小信号与第一反馈电路信号经PI调节器进行积分运算，产生的电压由低通滤波器进行滤波，去除高频信号，再由第一VI转换器将电压线性转换为电流。第一AD采样器采样电流幅值，第一数字控制单元通过升源值与输出值进行外环修正，保证幅值的准确性。
纹波电流源包括第二数字控制单元、第二DA发生器、前置放大器、第二VI转换器、第二反馈电路和第二AD采样器；第二数字控制单元接收到上位机的升源命令后，通过第二DA发生器产生交流小信号，交流小信号和第二反馈电路电压信号由前置放大器进行幅值放大，再由第二VI转换器将电压线性转换为电流。第二AD采样器采样电流幅值，第二数字控制单元通过升源值与输出值进行外环修正，保证幅值的准确性。
直流电流源的输出和纹波电流源通过电流耦合单元进行耦合，可输出带有纹波含量的直流电流；电流耦合单元如图2所示，直流电流源和交流电流源的输出经过继电器，防止在只使用直流电流源时受到交流源干扰，直流电流源输出高端经过一个大电流单向可控硅，防止交流电流会有一部分流入直流电流源。人机界面控制单元分别与两组电流源的数字控制单元进行通讯，通过与上位机的通讯可远程控制电流源的输出。人机界面控制单元与显示单元和按键单元相连，通过按键可以设置电流输出幅值、频率和纹波含量，显示单元可以显示直流电流幅值，纹波电流幅值、频率等相关数据。
本发明中，数字控制单元采用了高速CPU，D/A转换器采用了高速D/A转换芯片，AD采样器采用了高速、高分辨率的AD芯片和高精度电压基准芯片。D/A转换芯片采用ADI 16位高速转换芯片，转精度高，稳定性好，CPU采用ST公司32位处理器，电压基准芯片采用ADI品牌，拥有极低的噪声和极小的温度系数，AD芯片采用ADI 18位高速采样芯片，采样速度快，精度高。
本发明中，根据叠加定理，两个电流源电流相互叠加，需要在一个线性系统中，故本发明中电流源均采用线性功率放大器，直流电流和纹波电流的耦合采用直接耦合方式，由于电流源并非理想电流源，故直流源输出串接一个单相可控硅，防止电流分流。电流源V/I转换器采用大功率MOS管输出电流，保证了电流源的稳定性和可靠性；并且采用了双闭环调节控制，内环由反馈电路调节，外环由数字控制单元调节，保证了电流源输出的稳定和准确。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中单元技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，包括直流电流源和纹波电流源，其特征在于，
所述的直流电流源包括第一数字控制单元、第一DA发生器、PI调节器、低通滤波器、第一V/I转换器、第一反馈电路和第一AD采样器，所述的第一数字控制单元接收到上位机的升源命令后，通过第一DA发生器产生直流小信号，直流小信号和第一反馈电路信号经PI调节器进行积分运算，产生的电压由低通滤波器进行滤波，去除高频信号，再由第一VI转换器将输入电压线性转换为直流电流；
所述的纹波电流源包括第二数字控制单元、第二DA发生器、前置放大器、第二VI转换器、第二反馈电路和第二AD采样器；所述的第二数字控制单元接收到上位机的升源命令后，通过第二DA发生器产生交流小信号，交流小信号和第二反馈电路电压信号由前置放大器进行幅值放大，再由第二VI转换器将输入电压线性转换为交流电流；
所述直流电流源输出的直流电流和纹波电流源输出的交流电流通过电流耦合单元进行耦合，经电流输出单元输出带有纹波的直流电流。
2.根据权利要求1所述的直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，其特征在于，所述的第一反馈电路和第二反馈电路均采用精度小于1‰的互感器和与其串联的低温漂取样电阻。
3.根据权利要求1或2所述的直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，其特征在于，所述的电流耦合单元包括一与直流电流源输出高端串联的单向可控硅，直流电流源的输出高端与纹波电流源的输出高端相连，直流电流源的输出低端与纹波电流源的输出低端相连。
4.根据权利要求1或2所述的直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，其特征在于，还包括人机界面控制单元、通讯单元、显示单元和按键单元，人机界面控制单元分别与两组电流源的数字控制单元进行通讯，控制升降源和读取输出电流值，人机界面控制单元通过通讯单元与上位机的通讯，控制电流源的输出，人机界面控制单元与显示单元和按键单元相连，通过按键单元设置电流源的电流输出幅值、频率和纹波含量，显示单元用于显示直流电流输出幅值、纹波电流输出幅值和频率。
5.根据权利要求1或2所述的直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，其特征在于，所述的第一DA发生器和第二DA发生器均采用16位高速转换芯片，所述的第一AD采样器和第二AD采样器均采用18位高速SAR ADC。
6.根据权利要求1或2所述的直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，其特征在于，所述的第一数字控制单元和第二数字控制单元均由数字信号处理CPU和通讯电路组成，用于与人机界面控制单元通讯，控制升源、降源和读取测量值。
7.根据权利要求1或2所述的直流电能检定装置中直流电流回路叠加纹波的系统，其特征在于，所述的第一V/I转换器和第二V/I转换器为大功率MOS管，用于输出大电流。
8.利用权利要求1-7任一项所述系统进行直流电流回路叠加纹波的方法，其特征在于，采用直流电流源和纹波电流源，直流电流源产生直流电流，纹波电流源产生交流电流，直流电流和交流电流通过直接耦合的方式，产生带纹波的直流电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，采用双闭环调节控制，内环由反馈电路调节，外环由数字控制单元调节。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的AD采样器用于测量输出电流的幅值，所述的数字控制单元通过人机界面控制单元下发的升源值与读取到的测量值之间的偏差进行计算，通过DA发生器输出的小信号来进行调节。
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