CN114062753A - 一种全自动电压源仿真负荷调零箱及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种全自动电压源仿真负荷调零箱及其测试方法，包括CPU控制单元、通信单元、与CPU控制单元连接的显示单元，还包括：感应分压器TA与CPU控制单元电性连接；感应分压器Ta与CPU控制单元电性连接；移相器与感应分压器Ta电性连接；数字指零单元通过检测绕组分别与感应分压器TA和移相器电性连接，采集零磁通电流互感器和电流比较仪的检测绕组的电流信号，并把结果反馈至CPU控制单元。本发明解决了传统的电压源仿真负荷调零调零死角，人为干预较多及操作不灵活的问题，操作简单，一键式调节，使工作范围扩大至400Hz，实现了自主跟随、仿真负荷线性输出，负反馈智能控制，提高了工作效率及测试精度。

Description

一种全自动电压源仿真负荷调零箱及其测试方法

技术领域

本发明涉及电测量领域，具体涉及一种全自动电压源仿真负荷调零箱及其测试方法。

背景技术

电压源仿真负荷调零箱是通过调节仿真负荷输出，使零磁通电流互感器、电流比较仪在使用时工作磁通无线接近零磁通的装置。传统的电压源仿真负荷调零箱采用人工手动操作存在以下弊端：1、采用外附指针式指零仪与负荷调零箱组合使用，十分笨重，不方便携带：2、手动操作完全依赖人眼识别检流仪是否到达零位，测试精确度低；3、正交分量存在移相不到位的情况，有一定的调零死角；4、测试过程需多人同时操作调压器和调零箱的拨盘，调压器从1%电压量程缓慢上升到20%电压量程的过程中，需同时调节调零箱使检流仪指零，费时费力，测试效率低；5、只能工作在频率为50Hz左右的调零线路；6、不支持指零仪与负荷调零箱协调反馈控制，不能自动调零。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，提供一种全自动电压源仿真负荷调零箱及其测试方法，本发明采用嵌入式单片机控制技术，自动检测零磁通电流互感器、电流比较仪检测绕组信号，根据内附数字指零单元信号形成负反馈闭环系统，自动输出仿真负荷，调节补偿电流，使零磁通电流互感器、电流比较仪工作磁通接近于零磁通。

为了达到上述目的，进而采取的技术方案如下：

一种全自动电压源仿真负荷调零箱，包括CPU控制单元、通信单元、与CPU控制单元连接的显示单元，还包括：调零箱，所述调零箱包括感应分压器TA、感应分压器Ta、移相器和数字指零单元；

感应分压器TA，与CPU控制单元电性连接，接收CPU控制单元发出的调节指令；

感应分压器Ta，与CPU控制单元电性连接，接收CPU控制单元发出的调节指令；

移相器，与感应分压器Ta电性连接，用于调节电压相位至不同角度作为正交分量通过感应分压器Ta输入工作回路；

数字指零单元，通过检测绕组分别与感应分压器TA和移相器电性连接，采集零磁通电流互感器和电流比较仪的检测绕组的电流信号，并把结果通过A/D转换器反馈至CPU控制单元，数字指零单元包括电阻R0、电阻RS1、电阻RS2、运算放大器A1、运算放大器A2、差分放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、可调电阻Rp、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2，所述电阻R0接入数字指零单元的输入端I0，电阻RS1、电阻RS2分别与运算放大器A1的Vp端、运算放大器A2的Vp端串联连接在电阻R0两端，所述可调电阻Rp两端连接在运算放大器A1的Vo端与运算放大器A2的Vo端，电阻R1的尾端与运算放大器A1的Vn端连接，电阻R2的首端与运算放大器A2的Vn端连接，所述电阻R3首端接运算放大器A1的Vn端，尾端与电阻R5首端相接并接入运算放大器A3的Vo端，所述电阻R4首端接运算放大器A2的Vn端，尾端与电阻R6首端相接并一起接运算放大器A3的Vp端，所述电阻R5尾端与电阻R7首端相接并接入运算放大器A3的Vn端，电阻R7尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端与电阻R6尾端连接，同时，电阻R8首端与电阻R7尾端连接，电阻R8尾端与电容C2首端连接，电容C2尾端与电阻R6尾端连接，并从电容C2两端输出基准电压U0。

作为本发明进一步的改进：所述感应分压器TA包括比例绕组包括A₀-A₁₀、B₀-B₁₀、C₀-C₁₀、D₀-D₁₀和E₀-E₁₀五盘，各盘的匝数相应为前一盘匝数的1/10；

所述感应分压器Ta包括a₀-a₁₀、b₀-b₁₀、c₀-c₁₀、d₀-d₁₀和e₀-e₁₀五盘，各盘的匝数与感应分压器TA各盘的匝数依次相同。

作为本发明进一步的改进：所述移相器采用电容C、电阻R串联关系，接入稳压源电压，同时，电阻R接入线圈作为感应分压器Ta的初级线圈，此外，所述电容C容量为10～40μF，电阻R的阻值为2～15Ω。

作为本发明进一步的改进：所述数字指零单元实时采集检测绕组的电流信号，并把电流信号作为基准信号，通过隔离取样、放大、滤波转化为基准电压输送给A/D转换器，A/D转换器根据基准电压的频率和电压幅值匹配合适的控制数字量，得到可调电压数字信号反馈给CPU控制单元。

作为本发明进一步的改进：所述CPU控制单元采用STM32芯片。

作为本发明进一步的改进：所述显示单元采用OLED屏显示，可实时监视检测绕组电流的大小，以及仿真负荷输出结果。

作为本发明进一步的改进：所述通信单元与CPU控制单元通过modbus通讯协议实现实时数据信号的传输。

一种全自动电压源仿真负荷调零箱的检测方法，包括以下步骤：

第一步，上位机通过通信单元下发测试调零任务，稳压源自动升压至20%电压量程，调零箱开始全自动测试；

第二步，当测试开始时检测绕组中的电流大于50000nA或低于5nA，则发出报警；

第三步，调零箱分别进行同相分量和正交分量的极性判断，首先进行同相分量极性判断，控制感应分压器TA的第一盘A₀-A₁₀中的A₁闭合，变换同相极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为同相分量正确的极性；同理，接着进行正交分量的极性判断，控制感应分压器Ta的第一盘a₀-a₁₀中的a₁闭合，变换正交极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为正交分量正确的极性；

第四步，判断调零箱同相分量和正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器TA第一盘至第五盘的A₁、B₁、C₁、D₁和E₁，当检测绕组电流减小，则此盘为同相分量起始盘；同理，确定正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器Ta第一盘至第五盘的a₁、b₁、c₁、d₁和e₁，当检测绕组电流减小，则此盘为正交分量起始盘；

第五步，全盘判断时，感应分压器TA的五盘比例绕组按照优先级从高到低A₀-A₁₀、B₀-B₁₀、C₀-C₁₀、D₀-D₁₀至E₀-E₁₀排列，感应分压器Ta的五盘比例绕组同理按照优先级从高到低a₀-a₁₀、b₀-b₁₀、c₀-c₁₀、d₀-d₁₀至e₀-e₁₀排列，选择同相分量和正交分量起始盘中优先级最高盘作为判断开始，按照同相分量和正交分量同等优先级规则，各盘轮流依次循环判断，选定每盘检测绕组电流最小的档位，直至全部判断完成输出仿真负荷；

第六步，测试过程中，测试状态和检测绕组的电流通过通信单元实时反馈至上位机；

第七步，检测结束，调零箱通过通信单元发送仿真负荷输出值及调零结束信号至上位机，上位机将结果数据保存。

本发明的有益效果是：

本发明采用嵌入式单片机控制技术，自动检测零磁通电流互感器、电流比较仪检测绕组信号，根据内附数字指零单元信号形成负反馈闭环系统，自动输出仿真负荷，调节补偿电流，使零磁通电流互感器、电流比较仪工作磁通接近于零磁通；

本发明解决了传统的电压源仿真负荷调零人为干预较多，操作不灵活及调零死角的问题，操作简单，一键式调节，使工作范围扩大至400Hz，实现了自主跟随、仿真负荷线性输出，负反馈智能控制，提高了工作效率及测试精度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的控制系统原理图；

图2为本发明中涉及调零箱的电路原理图；

图3为本发明中涉及数字指零单元的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参考图1-3：

一种全自动电压源仿真负荷调零箱，包括CPU控制单元1、通信单元2、与CPU控制单元1连接的显示单元3，还包括：

感应分压器TA 4，与CPU控制单元1电性连接，接收CPU控制单元1发出的调节指令；

感应分压器Ta 5，与CPU控制单元1电性连接，接收CPU控制单元1发出的调节指令；

移相器6，与感应分压器Ta 5电性连接，用于调节电压相位至不同角度作为正交分量通过感应分压器Ta 5输入工作回路，所述移相器6采用电容C、电阻R串联关系，接入稳压源电压，同时，电阻R接入线圈作为感应分压器Ta 6的初级线圈，此外，所述电容C容量为10～40μF，电阻R的阻值为2～15Ω；

数字指零单元7通过检测绕组分别与感应分压器TA和移相器电性连接，采集零磁通电流互感器和电流比较仪的检测绕组的电流信号，并把结果通过A/D转换器反馈至CPU控制单元，数字指零单元包括电阻R0、电阻RS1、电阻RS2、运算放大器A1、运算放大器A2、差分放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、可调电阻Rp、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2，所述电阻R0接入数字指零单元的输入端I0，电阻RS1、电阻RS2分别与运算放大器A1的Vp端、运算放大器A2的Vp端串联连接在电阻R0两端，所述可调电阻Rp两端连接在运算放大器A1的Vo端与运算放大器A2的Vo端，电阻R1的尾端与运算放大器A1的Vn端连接，电阻R2的首端与运算放大器A2的Vn端连接，所述电阻R3首端接运算放大器A1的Vn端，尾端与电阻R5首端相接并接入运算放大器A3的Vo端，所述电阻R4首端接运算放大器A2的Vn端，尾端与电阻R6首端相接并一起接运算放大器A3的Vp端，所述电阻R5尾端与电阻R7首端相接并接入运算放大器A3的Vn端，电阻R7尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端与电阻R6尾端连接，同时，电阻R8首端与电阻R7尾端连接，电阻R8尾端与电容C2首端连接，电容C2尾端与电阻R6尾端连接，并从电容C2两端输出基准电压U0。

数字指零单元通过检测绕组8分别与感应分压器TA 4和移相器6电性连接，采集零磁通电流互感器和电流比较仪的检测绕组8的电流信号，并把结果通过A/D转换器9反馈至CPU控制单元1；也就是数字指零单元7实时采集检测绕组8的电流信号I0，并把电流信号I0作为基准信号，通过隔离取样、放大、滤波转化为基准电压U0输送给A/D转换器9，A/D转换器9根据基准电压的频率和电压幅值匹配合适的控制数字量，得到可调电压数字信号反馈给CPU控制单元1，CPU控制单元1采用STM32芯片控制,采集A/D转换器9转换后的电压数字信号，控制感应分压器TA 4和感应分压器Ta 5配合移相器6，调节同相分量和正交分量的大小，改变输出的仿真负荷，使得其近似于零磁通电流互感器、电流比较仪补偿绕组的等值负荷阻抗，此时检测绕组8电流小于0.1nA，再由内附的数字指零单元7反馈至CPU控制单元1，所述显示单元3采用OLED屏显示，可实时监视检测绕组8电流的大小，以及仿真负荷输出结果；所述通信单元2与CPU控制单元1通过modbus通讯协议实现实时数据的交互。

所述感应分压器TA 4包括比例绕组包括A₀-A₁₀、B₀-B₁₀、C₀-C₁₀、D₀-D₁₀和E₀-E₁₀五盘，各盘的匝数相应为前一盘匝数的1/10；所述感应分压器Ta 5包括a₀-a₁₀、b₀-b₁₀、c₀-c₁₀、d₀-d₁₀和e₀-e₁₀五盘，各盘的匝数与感应分压器TA 4各盘的匝数依次相同。

实施例一

根据上述内容，其中，所述电阻R0=500MΩ、电阻RS1=500Ω，电阻RS2=500Ω，电阻R1=51KΩ，电阻R2=51KΩ，电阻R3=10KΩ，电阻R4=10KΩ，电阻R5=10KΩ，电阻R6=10KΩ，电阻Rp=1KΩ，电阻R7=1KΩ，电阻R8=1KΩ，电容C1=0.1μF，电容C2=0.1μF；

所述电容C容量为30μF，电阻R的阻值为2Ω。

实施例二

依据上述内容，其中，所述电阻R0=100MΩ、电阻RS1=600Ω，电阻RS2=600Ω，电阻R1=76.8KΩ，电阻R2=76.8KΩ，电阻R3=10KΩ，电阻R4=10KΩ，电阻R5=20KΩ，电阻R6=20KΩ，电阻Rp=2KΩ，电阻R7=1KΩ，电阻R8=1KΩ，电容C1=0.1，电容C2=0.1μF；

所述电容C容量为40μF，电阻R的阻值为5Ω。

实施例三

依据上述内容，其中，所述电阻R0=10MΩ、电阻RS1= 1KΩ，电阻RS2= 1KΩ，电阻R1= 100KΩ，电阻R2= 100KΩ，电阻R3=10KΩ，电阻R4=10KΩ，电阻R5=19.2KΩ，电阻R6=19.2KΩ，电阻Rp=2.7KΩ，电阻R7=1KΩ，电阻R8=1KΩ，电容C1=0.1μF，电容C2=0.1μF；

所述电容C容量为40μF，电阻R的阻值为5Ω。

上述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱的检测方法，包括以下步骤：

第一步，上位机通过通信单元下发测试调零任务，稳压源自动升压至20%电压量程，调零箱开始全自动测试；

第二步，当测试开始时检测绕组中的电流大于50000nA或低于5nA，则发出报警；

第三步，调零箱分别进行同相分量和正交分量的极性判断，首先进行同相分量极性判断，控制感应分压器TA的第一盘A₀-A₁₀中的A₁闭合，变换同相极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为同相分量正确的极性；同理，接着进行正交分量的极性判断，控制感应分压器Ta的第一盘a₀-a₁₀中的a₁闭合，变换正交极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为正交分量正确的极性；

如：判断极性时，控制感应分压器TA第一盘A₁闭合，变换极性档位为负，检测绕组电流减小，则认为同相极性为负极性，接着控制感应分压器Ta第一盘a₁闭合，变换极性档位为正，检测绕组电流减小，则认为正交极性为正极性；

第四步，判断调零箱同相分量和正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器TA第一盘至第五盘的A₁、B₁、C₁、D₁、E₁，当检测绕组电流减小，则此盘为同相分量起始盘；同理，确定正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器Ta第一盘至第五盘的a₁、b₁、c₁、d₁、e₁，当检测绕组电流减小，则此盘为正交分量起始盘；

如：当控制感应分压器TA第一盘A₁闭合，检测绕组电流变大，则A₁复位，闭合B₁，当检测绕组电流减小，则认为B₀-B₁₀盘为同相分量起始盘，当控制感应分压器Ta第一盘a₁闭合，检测绕组电流减小，则认为a₀-a₁₀盘为正交分量起始盘；

第五步，全盘判断时，感应分压器TA的五盘比例绕组按照优先级从高到低A₀-A₁₀、B₀-B₁₀、C₀-C₁₀、D₀-D₁₀至E₀-E₁₀排列，感应分压器Ta的五盘比例绕组同理按照优先级从高到低a₀-a₁₀、b₀-b₁₀、c₀-c₁₀、d₀-d₁₀至e₀-e₁₀排列，选择同相分量和正交分量起始盘中优先级最高盘作为判断开始，按照同相分量和正交分量同等优先级规则，各盘轮流依次循环判断，选定每盘检测绕组电流最小的档位，直至全部判断完成输出仿真负荷；

如：当同相分量起始盘为B₀-B₁₀盘，正交分量起始盘为a₀-a₁₀盘，则从a₀-a₁₀盘开始进行增量判断，若a₇时电流最小，则该档位置于a₇，再对B₀-B₁₀盘进行增量判断，若B₂时电流最小，则该档位置于B₂，接着按照相同的方法依次判断b₀-b₁₀、C₀-C₁₀、c₀-c₁₀、D₀-D₁₀、d₀-d₁₀、E₀-E₁₀和e₀-e₁₀直至全部判断完成；

第六步，测试过程中，测试状态和检测绕组的电流通过通信单元实时反馈至上位机；

第七步，检测结束，调零箱通过通信单元发送仿真负荷输出值及调零结束信号至上位机，上位机将结果数据保存。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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之内。

Claims (8)

1.一种全自动电压源仿真负荷调零箱，包括CPU控制单元、通信单元、与CPU控制单元连接的显示单元，其特征在于，还包括：调零箱，所述调零箱包括感应分压器TA、感应分压器Ta、移相器和数字指零单元；

感应分压器TA，与CPU控制单元电性连接，接收CPU控制单元发出的调节指令；

感应分压器Ta，与CPU控制单元电性连接，接收CPU控制单元发出的调节指令；

移相器，与感应分压器Ta电性连接，用于调节电压相位至不同角度作为正交分量通过感应分压器Ta输入工作回路；

数字指零单元，通过检测绕组分别与感应分压器TA和移相器电性连接，采集零磁通电流互感器和电流比较仪的检测绕组的电流信号，并把结果通过A/D转换器反馈至CPU控制单元，数字指零单元包括电阻R0、电阻RS1、电阻RS2、运算放大器A1、运算放大器A2、差分放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、可调电阻Rp、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2，所述电阻R0接入数字指零单元的输入端I0，电阻RS1、电阻RS2分别与运算放大器A1的Vp端、运算放大器A2的Vp端串联连接在电阻R0两端，所述可调电阻Rp两端连接在运算放大器A1的Vo端与运算放大器A2的Vo端，电阻R1的尾端与运算放大器A1的Vn端连接，电阻R2的首端与运算放大器A2的Vn端连接，所述电阻R3首端接运算放大器A1的Vn端，尾端与电阻R5首端相接并接入运算放大器A3的Vo端，所述电阻R4首端接运算放大器A2的Vn端，尾端与电阻R6首端相接并一起接运算放大器A3的Vp端，所述电阻R5尾端与电阻R7首端相接并接入运算放大器A3的Vn端，电阻R7尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端与电阻R6尾端连接，同时，电阻R8首端与电阻R7尾端连接，电阻R8尾端与电容C2首端连接，电容C2尾端与电阻R6尾端连接，并从电容C2两端输出基准电压U0。

2.根据权利要求1所述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱，其特征在于：所述感应分压器TA包括比例绕组包括A₀-A₁₀、B₀-B₁₀、C₀-C₁₀、D₀-D₁₀和E₀-E₁₀五盘，各盘的匝数相应为前一盘匝数的1/10；

所述感应分压器Ta包括a₀-a₁₀、b₀-b₁₀、c₀-c₁₀、d₀-d₁₀和e₀-e₁₀五盘，各盘的匝数与感应分压器TA各盘的匝数依次相同。

3.根据权利要求1所述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱，其特征在于：所述移相器采用电容C、电阻R串联关系，接入稳压源电压，同时，电阻R接入线圈作为感应分压器Ta的初级线圈，此外，所述电容C容量为10～40μF，电阻R的阻值为2～15Ω。

4.根据权利要求1所述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱，其特征在于：所述数字指零单元实时采集检测绕组的电流信号，并把电流信号作为基准信号，通过隔离取样、放大、滤波转化为基准电压输送给A/D转换器，A/D转换器根据基准电压的频率和电压幅值匹配合适的控制数字量，得到可调电压数字信号反馈给CPU控制单元。

5.根据权利要求1所述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱，其特征在于：所述CPU控制单元采用STM32芯片。

6.根据权利要求1所述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱，其特征在于：所述显示单元采用OLED屏显示，可实时监视检测绕组电流的大小，以及仿真负荷输出结果。

7.根据权利要求1所述的一种全自动电压源仿真负荷调零箱，其特征在于：所述通信单元与CPU控制单元通过modbus通讯协议实现实时数据信号的传输。

8.一种全自动电压源仿真负荷调零箱的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，上位机通过通信单元下发测试调零任务，稳压源自动升压至20%电压量程，调零箱开始全自动测试；

第二步，当测试开始时检测绕组中的电流大于50000nA或低于5nA，则发出报警；

第三步，调零箱分别进行同相分量和正交分量的极性判断，首先进行同相分量极性判断，控制感应分压器TA的第一盘A₀-A₁₀中的A₁闭合，变换同相极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为同相分量正确的极性；同理，接着进行正交分量的极性判断，控制感应分压器Ta的第一盘a₀-a₁₀中的a₁闭合，变换正交极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为正交分量正确的极性；

第四步，判断调零箱同相分量和正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器TA第一盘至第五盘的A₁、B₁、C₁、D₁和E₁，当检测绕组电流减小，则此盘为同相分量起始盘；同理，确定正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器Ta第一盘至第五盘的a₁、b₁、c₁、d₁和e₁，当检测绕组电流减小，则此盘为正交分量起始盘；

第五步，全盘判断时，感应分压器TA的五盘比例绕组按照优先级从高到低A₀-A₁₀、B₀-B₁₀、C₀-C₁₀、D₀-D₁₀至E₀-E₁₀排列，感应分压器Ta的五盘比例绕组同理按照优先级从高到低a₀-a₁₀、b₀-b₁₀、c₀-c₁₀、d₀-d₁₀至e₀-e₁₀排列，选择同相分量和正交分量起始盘中优先级最高盘作为判断开始，按照同相分量和正交分量同等优先级规则，各盘轮流依次循环判断，选定每盘检测绕组电流最小的档位，直至全部判断完成输出仿真负荷；

第六步，测试过程中，测试状态和检测绕组的电流通过通信单元实时反馈至上位机；

第七步，检测结束，调零箱通过通信单元发送仿真负荷输出值及调零结束信号至上位机，上位机将结果数据保存。

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