CN112881763A - 一种交流恒流负载电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流恒流负载电路，包括提供交流电的供电电路、PWM信号隔离传输电路、直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二，直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二反向并联，供电电路为两组反向并联的直流线性恒流负载电路供电；PWM信号隔离传输电路用于接收并隔离前级单元输送来的占空比可变的PWM信号并根据PWM信号输出两路直流电压信号，以调节直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二的回路电流大小。本发明能有效的提高对断路器等电器元件进行电流特性测试的测试精度。

Description

一种交流恒流负载电路

技术领域

本发明涉及一种交流恒流负载电路，属于负载电路领域。

背景技术

在工业生产过程中，经常需要对断路器、开关、交流接触器、机械开关、电子开关、电流互感器等器件进行动作性能检测以及对其设定额定电流、动作电流、短路保护电流等。目前的检测方法是使用专用的交流恒流源或交流可恒流变频电源进行检测。现有的交流恒流源均采用大功率晶体管结合数控技术，利用PWM原理，产生交流恒流电流。其优点是可控性好，电流频率可调。但由于其设计原理所限，造成该技术的交流恒流源系统复杂、成本高，且由于采用单片机及软件技术，现行PWM技术生产的恒流源最根本的问题是电流的跟随性，即电流的调整随负载变化的实时性，受单片机速度和软件的算法影响，不能做到实时调整。这就导致在测试断路器、接触器触点时，电流从0缓慢调节至工作电流，PWM技术恒流源能够正常工作。如果断路器或接触器触点在断开的状态下，设定PWM技术交流恒流源一个非0的测试电流，然后闭合被测断路器或接触器，PWM技术的交流恒流源将出现电流过冲或缓慢上升的情况，具体发生什么情况，完全取决于PWM技术的恒流源软件算法。由于其设计原理，无论何种算法，都不能完全避免过冲或缓升。在测试断路器动作时间的应用中，这样的过冲或缓升，对测量的准确度产生严重影响。甚至有些场合，如铁路产品检修规程中对断路器的检测要求中明确要求：闭合断路器，测试电流直接施加于断路器。这就导致现行PWM技术的交流恒流源，无法满足上述要求的测试。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种交流恒流负载电路。

本发明所采用的技术方案为：

一种交流恒流负载电路，其特征在于：包括提供交流电的供电电路、PWM信号隔离传输电路、直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二，直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二反向并联；供电电路为两组反向并联的直流线性恒流负载电路供电，并和两组反向并联的直流线性恒流负载电路形成交流恒流源，PWM信号隔离传输电路用于接收并隔离前级单元输送来的占空比可变的PWM信号并根据PWM信号输出两路直流电压信号，以调节直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二的回路电流大小。

优选的是，直流线性恒流负载电路一包括运算放大器U1.1、运算放大器U1.2、场效应管Q1、场效应管Q2、二极管D1、二极管D2、电阻R3和电阻R4，二极管D1的正极、二极管D2的正极均与供电电路的Port1端连接，二极管D2的负极与场效应管Q1的漏极连接，二极管D1的负极与场效应管Q2的漏极连接，场效应管Q1的栅极与运算放大器U1.1的1脚连接，场效应管Q1的源极与电阻R3的一端连接，场效应管Q2的栅极与运算放大器U1.2的1脚连接，场效应管Q2的源极与电阻R4的一端连接，运算放大器U1.1的3脚与PWM信号隔离传输电路连接，运算放大器U1.1的2脚与运算放大器U1.2的5脚连接且连接线与场效应管Q1的源极与电阻R3一端之间的连接线连通，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、运算放大器U1.1的4脚以及运算放大器U1.2的4脚相连接并与供电电路的Port2端连接，运算放大器U1.1的8脚以及运算放大器U1.2的8脚分别与电源电压VCC1连接；

直流线性恒流负载电路二包括运算放大器U2.1、运算放大器U2.2、场效应管Q3、场效应管Q4、二极管D3、二极管D4、电阻R7和电阻R8，二极管D3的正极、二极管D4的正极均与供电电路的Port2端连接，二极管D3的负极与场效应管Q4的漏极连接，二极管D4的负极与场效应管Q3的漏极连接，场效应管Q4的栅极与运算放大器U2.2的7脚连接，场效应管Q4的源极与电阻R8的一端连接，场效应管Q3的栅极与运算放大器U2.1的1脚连接，场效应管Q3的源极与电阻R7的一端连接，运算放大器U2.2的5脚与PWM信号隔离传输电路连接，运算放大器U2.2的6脚与运算放大器U2.1的3脚连接且连接线与场效应管Q4的源极与电阻R8一端的连接线连通，电阻R8的另一端、电阻R7的另一端、运算放大器U2.2的4脚以及运算放大器U2.1的4脚相连接并供电电路的Port1端连接，电阻R8的另一端、电阻R7的另一端、运算放大器U2.2的4脚以及运算放大器U2.1的4脚相连接并通过运算放大器U2.2的4脚端连接线接地，且运算放大器U2.2的8脚以及运算放大器U2.1的8脚分别与电源电压VCC2连接。

进一步的优选，PWM信号隔离传输电路包括PWM信号隔离传输电路一和PWM信号隔离传输电路二，PWM信号隔离传输电路一包括光耦U4、电阻R1、电阻R2、电阻R10、电容C1和电容C3 ，PWM信号隔离传输电路二包括光耦U5、电阻R5、电阻R6、电阻R11、电容C2和电容C4，光耦U4的2脚与前级单元输入信号INPUT1连接，光耦U4的3脚与光耦U5的2脚连接，光耦U4的5脚接GND1并与电容C3的一端连接，光耦U4的6脚与电容C3的另一端连接并与电阻R10、电阻R2的一端连接，光耦U4的8脚与电阻R10的另一端连接并与电源+5V1连接，电阻R2的另一端与运算放大器U1.1的3脚连接并与电容C1、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端接GND1，电容C1的另一端与电阻R1的另一端连接并通过电阻R1端口线接GND1，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、运算放大器U1.1的4脚以及运算放大器U1.2的4脚的连接线也与电阻R1的另一端连接并通过电阻R1端口线接GND1；电阻R2和电容C1形成积分电路，将前级单元传输的PWM信号积分成稳定的直流电压送至运算放大器U1.1的3脚；

光耦U5的3脚与前级单元输入信号INPUT2连接，光耦U5的5脚接GND2并与电容C4的一端连接，光耦U5的6脚与电容C4的另一端连接并与电阻R11、电阻R5的一端连接，光耦U5的8脚与电阻R11的另一端连接并与电源+5V2连接，电阻R5的另一端与运算放大器U2.2的6脚连接并与电容C2、电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接GND2，电容C2的另一端与电阻R6的另一端连接并通过电阻R6端口连接线接GND2；电阻R5和电容C2形成积分电路，将前级单元传输的PWM信号积分成稳定的直流电压送至运算放大器U2.2的5脚。

进一步的优选，供电电路的Port1与供电电路的Port2之间接交流电源，且交流电源产生的正弦交流电流的正半周经过供电电路的Port1端供入直流线性恒流负载电路一，交流电源产生的正弦交流电流的负半周经过供电电路的Port2端供入直流线性恒流负载电路二。

进一步的优选，在供电电路的Port2端还连接有负载R9，供电电路的Port2端与负载R9的Port2-1端连接，负载R9通过供电线路与交流电源连接，其中负载R9的Port4-1与供电线路的Port4端连接，供电线路另一端端口Port3与交流电源连接。

本发明的有益效果在于：

本发明采用纯硬件设计，在电流产生的过程中没有额外运算和相应时间问题，电流自动调节响应时间理论上接近0，即调节好预设的电流值，闭合被测负载断路器，电路可以迅速、稳定的输出至所预设的电流值，能有效地解决目前市面上现有的数控交流恒流源或变频电源输出电流只能在被测断路器闭合的状态下，将输出电流由0逐渐调节到额定测试电流值，在较大的给定电流的情况下，闭合被测试的空断路器，市面上普通的数控交流恒流源会出现瞬间保护停机或电流瞬间超过设定值很大，然后逐渐自动回调至设定值的问题。

本发明尤其适用于在负载突变的状态下，对断路器等电器元件进行电流特性的测试，如断路器的脱扣时间测试等，能有效的提高测试精度。

附图说明

图1为本发明的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体的介绍。

如图1所示：一种交流恒流负载电路，其特征在于：包括提供交流电的供电电路、PWM信号隔离传输电路、直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二，直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二反向并联；供电电路为两组反向并联的直流线性恒流负载电路供电，并和两组反向并联的直流线性恒流负载电路形成交流恒流源，PWM信号隔离传输电路用于接收并隔离前级单元输送来的占空比可变的PWM信号并根据PWM信号输出两路直流电压信号，以调节直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二的回路电流大小。

参见图1所示，直流线性恒流负载电路一包括运算放大器U1.1、运算放大器U1.2、场效应管Q1、场效应管Q2、二极管D1、二极管D2、电阻R3和电阻R4，二极管D1的正极、二极管D2的正极均与供电电路的Port1端连接，二极管D2的负极与场效应管Q1的漏极连接，二极管D1的负极与场效应管Q2的漏极连接，场效应管Q1的栅极与运算放大器U1.1的1脚连接，场效应管Q1的源极与电阻R3的一端连接，场效应管Q2的栅极与运算放大器U1.2的1脚连接，场效应管Q2的源极与电阻R4的一端连接，运算放大器U1.1的3脚与PWM信号隔离传输电路连接，运算放大器U1.1的2脚与运算放大器U1.2的5脚连接且连接线与场效应管Q1的源极与电阻R3一端之间的连接线连通，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、运算放大器U1.1的4脚以及运算放大器U1.2的4脚相连接并与供电电路的Port2端连接，运算放大器U1.1的8脚以及运算放大器U1.2的8脚分别与电源电压VCC1连接；

直流线性恒流负载电路二包括运算放大器U2.1、运算放大器U2.2、场效应管Q3、场效应管Q4、二极管D3、二极管D4、电阻R7和电阻R8，二极管D3的正极、二极管D4的正极均与供电电路的Port2端连接，二极管D3的负极与场效应管Q4的漏极连接，二极管D4的负极与场效应管Q3的漏极连接，场效应管Q4的栅极与运算放大器U2.2的7脚连接，场效应管Q4的源极与电阻R8的一端连接，场效应管Q3的栅极与运算放大器U2.1的1脚连接，场效应管Q3的源极与电阻R7的一端连接，运算放大器U2.2的5脚与PWM信号隔离传输电路连接，运算放大器U2.2的6脚与运算放大器U2.1的3脚连接且连接线与场效应管Q4的源极与电阻R8一端的连接线连通，电阻R8的另一端、电阻R7的另一端、运算放大器U2.2的4脚以及运算放大器U2.1的4脚相连接并供电电路的Port1端连接，电阻R8的另一端、电阻R7的另一端、运算放大器U2.2的4脚以及运算放大器U2.1的4脚相连接并通过运算放大器U2.2的4脚端连接线接地，且运算放大器U2.2的8脚以及运算放大器U2.1的8脚分别与电源电压VCC2连接。

参见图1所示，PWM信号隔离传输电路包括PWM信号隔离传输电路一和PWM信号隔离传输电路二，PWM信号隔离传输电路一包括光耦U4、电阻R1、电阻R2、电阻R10、电容C1和电容C3 ，PWM信号隔离传输电路二包括光耦U5、电阻R5、电阻R6、电阻R11、电容C2和电容C4，光耦U4的2脚与前级单元输入信号INPUT1连接，光耦U4的3脚与光耦U5的2脚连接，光耦U4的5脚接GND1并与电容C3的一端连接，光耦U4的6脚与电容C3的另一端连接并与电阻R10、电阻R2的一端连接，光耦U4的8脚与电阻R10的另一端连接并与电源+5V1连接，电阻R2的另一端与运算放大器U1.1的3脚连接并与电容C1、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端接GND1，电容C1的另一端与电阻R1的另一端连接并通过电阻R1端口线接GND1，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、运算放大器U1.1的4脚以及运算放大器U1.2的4脚的连接线也与电阻R1的另一端连接并通过电阻R1端口线接GND1；电阻R2和电容C1形成积分电路，将前级单元传输的PWM信号积分成稳定的直流电压送至运算放大器U1.1的3脚；

光耦U5的3脚与前级单元输入信号INPUT2连接，光耦U5的5脚接GND2并与电容C4的一端连接，光耦U5的6脚与电容C4的另一端连接并与电阻R11、电阻R5的一端连接，光耦U5的8脚与电阻R11的另一端连接并与电源+5V2连接，电阻R5的另一端与运算放大器U2.2的6脚连接并与电容C2、电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接GND2，电容C2的另一端与电阻R6的另一端连接并通过电阻R6端口连接线接GND2；电阻R5和电容C2形成积分电路，将前级单元传输的PWM信号积分成稳定的直流电压送至运算放大器U2.2的5脚。

参见图1所示，在供电电路的Port2端还连接有负载R9，供电电路的Port2端与负载R9的Port2-1端连接，负载R9通过供电线路与交流电源连接，其中负载R9的Port4-1与供电线路的Port4端连接，供电线路另一端端口Port3与交流电源连接；端口Port1连接的连接线和与端口Port2连接的连接线之间的电路，视为一个两端网络，该两端网络形成一个交流恒流负载，该交流恒流负载通过端口Port1、Port3间的交流供电，形成交流恒流源，且负载R9接在交流恒流输出端Port2和Port4之间，在一定范围内，被测负载R9的大小，不影响回路的电流大小。

PWM信号隔离传输电路一和PWM信号隔离传输电路二为两路高速光耦电路，用以接收并隔离占空比可变的PWM信号，其目的是在光耦U4、U5的二次侧产生两路隔离的、电压大小相同的直流电压信号，用于调节直流线性恒流负载电路一、直流线性恒流负载电路二的恒定电流大小，PWM信号隔离传输电路一和PWM信号隔离传输电路二的电压仅受控于PWM占空比、电路中电容、电阻的精度以及供电电源电压的大小。

运算放大器U1.1与场效应管Q1、运算放大器U1.2与场效应管Q2分别组成两路自动跟踪的直流线性恒流负载电路一；运算放大器U2.1与场效应管Q3、运算放大器U2.2与场效应管Q4分别组成另外的两路自动跟踪的直流线性恒流负载电路二，直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二，其设计为对称结构，电路的参数、特性接近和一致，参见图1所示，直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二反向并联，即：直流线性恒流负载电路一的S1极接直流线性恒流负载电路二的D2极；直流线性恒流负载电路一的D1极接直流线性恒流负载电路二的S2极。

在直流线性恒流负载电路中的场效应管的漏极，正向串联一个二极管，以实现在场效应管导通时，只有正向电流可以流过此回路，当供电电路的Port1端和端口Port3之间接入一个交流电流时，交流电源的正半周，将流过直流线性恒流负载电路一，此时电路电流的大小决定于直流线性恒流负载电路一；此时直流线性恒流负载电路二中的场效应管Q3和Q4也处于开通状态，由于二极管D3和D4的存在，正半周的电流，将不能流过直流线性恒流负载电路二；当交流电源的负半周来临时，交流电源的负半周电流将流过直流线性恒流负载电路二，此时电路电流的大小决定于直流线性恒流负载电路二；直流线性恒流负载电路1中的场效应管Q1和Q2也处于开通状态，由于二极管D1和D2的存在，负半周的电流，将不能流过直流线性恒流负载电路一；正负半周的恒流电流分别流过负载R9，电流在负载R9中合成为一个完整的正弦波。

本实施例中采用两个独立的双运算放大器U1.1、U1.2、U2.1和U2.2，以及场效应管Q1、Q2、Q3、Q4及部分电阻，组成两路标准的直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二。直流线性恒流负载电路一输入控制电压通过电阻R2输入到运算放大器U1.1的3脚即运算放大器U1.1的同相输入端；运算放大器U1.2的5脚即运算放大器U1.2的同相输入端接电阻R3上端，即R3两端的电压就是运算放大器U1.2的输入电压，确保流过场效应管Q2的电流，始终跟随流过场效应管Q1的电流大小变化而变化。直流线性恒流负载电路二通过电阻R5输入到运算放大器U2.2的5脚即同相输入端；运算放大器U2.1的3脚即同相输入端接场效应管Q4 的电阻R8上端，即电阻R8两端的电压就是运算放大器U2.2的输入电压，确保流过场效应管Q3的电流，始终跟随流过Q4的电流大小变化而变化。供电电路的Port1端和Port2端之间接入交流电源，电压大小决定于电路元件的选型，通常电流源无需过高的电压，多为几伏至几十伏之间。在用于检测交流空气断路器的保护电流值时，选AC15V的交流电源供电即可，将端口Port2和Port4短路，调节PWM输入信号INPUT1和INPUT2的信号占空比，可以调节输出稳定电流的大小，再去除端口Port2和Port4的短接线，接入被测空气断路器，可实现空气断路器动作电流交流测试试验。因为电路的恒流特性，回路的线电阻、空气断路器的接触电阻等，均不会影响回路电流的大小，这是普通测量电路无法实现的。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种交流恒流负载电路，其特征在于：包括提供交流电的供电电路、PWM信号隔离传输电路、直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二，所述直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二反向并联；所述供电电路为两组反向并联的直流线性恒流负载电路供电，并和两组反向并联的直流线性恒流负载电路形成交流恒流源，所述PWM信号隔离传输电路用于接收并隔离前级单元输送来的占空比可变的PWM信号并根据PWM信号输出两路直流电压信号，以调节直流线性恒流负载电路一和直流线性恒流负载电路二的回路电流大小。

2.根据权利要求1所述的一种交流恒流负载电路，其特征在于，所述直流线性恒流负载电路一包括运算放大器U1.1、运算放大器U1.2、场效应管Q1、场效应管Q2、二极管D1、二极管D2、电阻R3和电阻R4，所述二极管D1的正极、二极管D2的正极均与供电电路的Port1端连接，二极管D2的负极与所述场效应管Q1的漏极连接，二极管D1的负极与所述场效应管Q2的漏极连接，场效应管Q1的栅极与所述运算放大器U1.1的1脚连接，场效应管Q1的源极与所述电阻R3的一端连接，场效应管Q2的栅极与所述运算放大器U1.2的1脚连接，场效应管Q2的源极与所述电阻R4的一端连接，所述运算放大器U1.1的3脚与PWM信号隔离传输电路连接，运算放大器U1.1的2脚与运算放大器U1.2的5脚连接且连接线与场效应管Q1的源极与电阻R3一端之间的连接线连通，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、运算放大器U1.1的4脚以及运算放大器U1.2的4脚相连接并与供电电路的Port2端连接，运算放大器U1.1的8脚以及运算放大器U1.2的8脚分别与电源电压VCC1连接；

所述直流线性恒流负载电路二包括运算放大器U2.1、运算放大器U2.2、场效应管Q3、场效应管Q4、二极管D3、二极管D4、电阻R7和电阻R8，所述二极管D3的正极、二极管D4的正极均与供电电路的Port2端连接，二极管D3的负极与所述场效应管Q4的漏极连接，二极管D4的负极与所述场效应管Q3的漏极连接，场效应管Q4的栅极与所述运算放大器U2.2的7脚连接，场效应管Q4的源极与所述电阻R8的一端连接，场效应管Q3的栅极与所述运算放大器U2.1的1脚连接，场效应管Q3的源极与所述电阻R7的一端连接，所述运算放大器U2.2的5脚与PWM信号隔离传输电路连接，运算放大器U2.2的6脚与运算放大器U2.1的3脚连接且连接线与场效应管Q4的源极与电阻R8一端的连接线连通，电阻R8的另一端、电阻R7的另一端、运算放大器U2.2的4脚以及运算放大器U2.1的4脚相连接并供电电路的Port1端连接，电阻R8的另一端、电阻R7的另一端、运算放大器U2.2的4脚以及运算放大器U2.1的4脚相连接并通过运算放大器U2.2的4脚端连接线接地，且运算放大器U2.2的8脚以及运算放大器U2.1的8脚分别与电源电压VCC2连接。

3.根据权利要求2所述的一种交流恒流负载电路，其特征在于，所述PWM信号隔离传输电路包括PWM信号隔离传输电路一和PWM信号隔离传输电路二，所述PWM信号隔离传输电路一包括光耦U4、电阻R1、电阻R2、电阻R10、电容C1和电容C3 ，所述PWM信号隔离传输电路二包括光耦U5、电阻R5、电阻R6、电阻R11、电容C2和电容C4，所述光耦U4的2脚与前级单元输入信号INPUT1连接，光耦U4的3脚与所述光耦U5的2脚连接，光耦U4的5脚接GND1并与所述电容C3的一端连接，光耦U4的6脚与电容C3的另一端连接并与电阻R10、电阻R2的一端连接，光耦U4的8脚与电阻R10的另一端连接并与电源+5V1连接，电阻R2的另一端与运算放大器U1.1的3脚连接并与电容C1、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端接GND1，电容C1的另一端与电阻R1的另一端连接并通过电阻R1端口线接GND1，所述电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、运算放大器U1.1的4脚以及运算放大器U1.2的4脚的连接线也与电阻R1的另一端连接并通过电阻R1端口线接GND1；电阻R2和电容C1形成积分电路，将前级单元传输的PWM信号积分成稳定的直流电压送至运算放大器U1.1的3脚；

所述光耦U5的3脚与前级单元输入信号INPUT2连接，光耦U5的5脚接GND2并与所述电容C4的一端连接，光耦U5的6脚与电容C4的另一端连接并与电阻R11、电阻R5的一端连接，光耦U5的8脚与电阻R11的另一端连接并与电源+5V2连接，电阻R5的另一端与运算放大器U2.2的6脚连接并与电容C2、电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接GND2，电容C2的另一端与电阻R6的另一端连接并通过电阻R6端口连接线接GND2；电阻R5和电容C2形成积分电路，将前级单元传输的PWM信号积分成稳定的直流电压送至运算放大器U2.2的5脚。

4.根据权利要求3所述的一种交流恒流负载电路，其特征在于，所述供电电路的Port1与供电电路的Port2之间接交流电源，且交流电源产生的正弦交流电流的正半周经过供电电路的Port1端供入直流线性恒流负载电路一，交流电源产生的正弦交流电流的负半周经过供电电路的Port2端供入直流线性恒流负载电路二。

5.根据权利要求4所述的一种交流恒流负载电路，其特征在于，在供电电路的Port2端还连接有负载R9，所述供电电路的Port2端与负载R9的Port2-1端连接，负载R9通过供电线路与交流电源连接，其中负载R9的Port4-1与供电线路的Port4端连接，供电线路另一端端口Port3与交流电源连接。

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