CN204142944U - 基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，包括依次连接的第一高准确度表、高稳定性精密程控源、第二高准确度表和数显及人机界面模块，分别与所述第一高准确度表和高稳定性精密程控源连接的电流输出端子，以及分别与所述高稳定性精密程控源和第二高准确度表连接的电压输出端子。本实用新型所述基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，可以克服现有技术中人工劳动量大、误操作率高和校验难度大等缺陷，以实现人工劳动量小、误操作率低和校验难度小的优点。

Description

基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子设备的检测技术领域，具体地，涉及基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置。 

背景技术

发电机转子交流阻抗测试仪，是用于测量和分析发电机及调相机转子绕组交流阻抗的综合测量仪器，通过专门设计的测量电路可实现对有转子绕组的交流阻抗、功率、频率等参数的自动测量。在交流阻抗测试仪器的校准、检定与检测工作中，对过渡过程（包括过渡电阻和过渡时间）测量功能的检测是最重要的检测项目。近年来随着科学技术的发展，市场上出现的一体化的发电机转子交流阻抗测试仪，给广大电气试验人员提供了一种轻便、快捷、简单的测试仪器，并已得到广泛应用。但是对于这些一体化发电机转子交流阻抗测试仪，市场上还没有专门针对它们的校验检测装置，在它们的使用过程中它们自身的准确度得不到有效保证。因此在大规模开展交流阻抗测量的同时，交流阻抗测试仪器的校验及规范使用也显得日益重要。 

国内有少数单位开展了针对发电机转子交流阻抗测试仪的校准工作。由于缺乏针对性的校准规范，故采取的测量方案有诸多不足，主要在于无法有效地对测试仪器整个量程范围内的工作状况进行完善的检测与校准工作。另外，由于测试使用测试仪校准系统与真实电机转子绕组工作状况有差异，无法真实的模拟电机转子绕组实际工作状况。再者重新接线等操作增加了人为误操作的几率，不利于准确高效的完成校验、检测工作。 

目前，发电机转子交流阻抗测试仪的校准工作还需要广泛推广，亦缺乏完备的校准规范来约束发电机转子交流阻抗测试仪的校准工作，这种现状严重影响了测量的准确度及仪器的规范使用。考虑到市场上大量的发电机转子交流阻抗测试仪标称的最大允许误差以及已有的检测方法受测测量范围、准确度和便捷性所限，很难对发电机转子交流阻抗测试仪开展便捷、高效的校准、检定与检测工作。同时，发电机转子交流阻抗测试仪的校准装置在国内也尚未出现，甚至在国外也未见针对性的产品。发电机转子交流阻抗测量仪的规范及校验作为预防性试验的重要一环，无疑已成为工作需要突破的瓶颈。在此种背景下，在无法借鉴国内外成功经验的前提下，开展发电机转子交流阻抗测试仪校验方法及校验装置的研究已迫在眉睫。 

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在人工劳动量大、误操作率高和校验难度大等缺陷。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，以实现人工劳动量小、误操作率低和校验难度小的优点。 

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，包括依次连接的第一高准确度表、高稳定性精密程控源、第二高准确度表和数显及人机界面模块，分别与所述第一高准确度表和高稳定性精密程控源连接的电流输出端子，以及分别与所述高稳定性精密程控源和第二高准确度表连接的电压输出端子。 

进一步地，所述第一高准确度表，包括依次连接在所述电流输出端子与高稳定性精密程控源之间的电流传感器、第一信号调理模块、第一模数转换模块和第一测量计算模块。 

进一步地，所述高稳定性精密程控源，包括依次与所述数显及人机界面模块连接的主控制器、信号生成模块和前置调理模块，依次连接在所述前置调理模块和电流输出端子之间的电流信号生成模块、第一相位/幅值调节模块和第一放大器，以及依次连接在所述前置调理模块和电压输出端子之间的电压信号生成模块、第二相位/幅值调节模块和第二放大器。 

进一步地，所述第二高准确度表，包括依次连接在所述电压输出端子与主控制器之间的电压传感器、第二信号调理模块、第二模数转换模块和第二测量计算模块。 

本实用新型各实施例的基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，由于包括依次连接的第一高准确度表、高稳定性精密程控源、第二高准确度表和数显及人机界面模块，分别与第一高准确度表和高稳定性精密程控源连接的电流输出端子，以及分别与高稳定性精密程控源和第二高准确度表连接的电压输出端子；从而可以克服现有技术中人工劳动量大、误操作率高和校验难度大的缺陷，以实现人工劳动量小、误操作率低和校验难度小的优点。 

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。 

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中： 

图1为本实用新型基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置的结构示意图；

图2为本实用新型基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置与发电机转子交流阻抗测试仪的连接示意图；

图3为本实用新型中高精度电压采样模块的工作原理示意图；

图4为本实用新型中高精度电流采样模块的工作原理示意图；

图5为本实用新型中信号生成模块的工作原理示意图；

图6为本实用新型中前置调理模块的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

针对现有技术中存在的上述技术问题，根据本实用新型实施例，如图1和图2所示，提供了基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，特别是关于电力电子设备中的发电机转子交流阻抗测试仪的校验技术，具体的讲是一种发电机转子交流阻抗测试仪校验装置。该基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，能够快速准确的对交流阻抗测试仪进行校准检测，满足校准检测的需要，根据虚拟负载法产生稳定的电流源和电压源，并且通过幅值相位频率调节值预设阻抗值，从而实现对发电机转子交流阻抗测试仪多项测量功能的同步测量，为发电机转子交流阻抗测试仪的高准确度检测工作提供了技术方法和实践措施。 

本实用新型的技术方案，能够与被检的发电机转子交流阻抗测试仪相连接，包括高稳定性精密程控源、高准确度表、数显及人机界面模块，以及上述模块之间的联结及控制逻辑。高稳定性精密程控源，通过高准确度表的精密测量获得数据反馈，从而实现程控源的自动修正；高准确度表，可以实时采集电压电流等信号，并分别将采集到的数据反馈给高稳定性精密程控源和数显及人机界面模块；数显及人机界面模块，将高准确度表采集到的数据实时显示，并完成操作人员对高稳定性精密程控源的参数设定，实现了对发电机转子交流阻抗测试仪校验装置测量及控制。 

在本实用新型的技术方案中，虚拟负载法具体形式为：将功率源变成虚拟形式，包含了电流源模块与电压源模块；电流源模块，用于产生电流信号，并对输出端的电流值进行采样及反馈，得到标准的电流信号；电压源模块，用于产生电压信号，并对输出端的电压值进行采样及反馈，得到标准的电压信号。高准确度表具体包括：用于电流测量的高准确度表，包含了电流传感器、信号调理、模数转换、测量计算等模块；用于电压测量的高准确度表，包含了电流传感器、信号调理、模数转换、测量计算等模块。高稳定性精密程控源具体包括：主控制器、信号生成、前置调理、电流信号处理、电压信号处理、相位幅值调节、放大器等模块。 

发电机转子交流阻抗测试仪校验装置采用四端法测量原理校验发电机转子交流阻抗测试仪。发电机转子交流阻抗测试仪校验装置的电流电压端子分别接被试品的电流和电压端子，尽管被试品整体上看进去为二端口网络，但是发电机转子交流阻抗测试仪的电流输出回路和电压测量回路分别设计了相互电气隔离的测量端子。发电机转子交流阻抗测试仪的四端法测量原理是基于“虚拟负载法”研制发电机转子交流阻抗测试仪校验装置的必要前提条件。 

在本实用新型的技术方案中，高准确度表具体包括：电压采样模块，对电压信号采样，得到电压采样信号；电流采样模块，对电流信号采样，得到电流采样信号；信号调理模块，将采集到的信号滤波放大，与模数转换模块相连；模数转换模块，与的电压采样模块、电流采样模块相连接，用于对的电压采样信号、电流采样信号进行模数转换；测量计算模块，与的模数转换器相连接，用于对模数转换后的电压采样信号、电流采样信号进行快速傅立叶变换，得到测量结果，并反馈给主控模块。 

在本实用新型的技术方案中，高稳定性精密程控源具体包括：主控模块，用于接收操作人员对校验装置设定的各项参数，接收高准确度表反馈的各项量值，并作出相应的控制；信号生成模块，用于生成初始的电压信号、电流信号；相位幅值调节模块，与的波形生成模块相连接，用于对的电压信号、电流信号进行幅度和相位的调节；功率放大模块，与的相位调节模块相连接，用于将相位调节后的电压信号、电流信号进行功率放大；电流输出端子和电压输出端子，与的功率放大模块相连接，用于将功率放大后的电压信号、电流信号发送至的高准确度表以及被测的发电机转子交流阻抗测试仪。 

总的来说，本实用新型的技术方案，是将这种包含高稳定度精密程控源和高准确度表构成的紧密源表创造性的运用于发电机转子交流阻抗测试仪校验装置中，从而推进了此领域的技术进步。例如，在本实用新型的技术方案中：。 

测量计算模块

测量计算模块主要包括高精度电压测量模块和高精度电压测量模块。

1. 高精度电压采样模块 

高精度电压采样模块如图3所示，采用反相比例运算放大电路进行处理。电压源输出电压Uai通过R4,R25，R7/R10/R18，OP97进行比例衰减，换挡功能是通过控制SW11对R7/R10/R18三个电阻进行选择，R7/R10/R18这三个电阻决定了这个反馈网络的反馈系数。从而改变反相比例运算放大电路的输入输出关系。OP97是低功耗的工业级精密放大器，它非常适合用在精密积分器和采样保持电路中，把OP97的输出电压记为Uao’，则有

后面一级的R11，R12，AD706是对信号进行缓冲调理，这是一同相运算放大电路。AD706是一种更低功耗更低噪声的双通道双极性运算放大器，该期间实行内部补偿，提供单位增益。R11和R12阻值相同，其运算关系为：

其输出信号Uao送入A/D转换器，以充分满足A/D采样的输入电平要求。

2.高精度电流采样模块 

高精度电压采样模块如图4所示，采用反相比例运算放大电路进行处理。大电流信号通过100A：50mA 的电流互感器进行采样，然后经R3，R5进行分压，电流信号变成电压信号后送入OP97反相比例放大。这个电路中有两处换挡设置，分别为SW3和SW4，经不同的搭配可以有4种档位选择。

信号生成模块

信号生成模块主要功能是生成符合设计要求的标准正弦信号，本模块基于FPGA的DDS技术设计，DDS(Direct Digital Synthesis)是一种应用直接数字合成技术来产生信号波形的方法。DDS技术建立在采样定理的基础上，它首先对需要的信号波形进行采样、量化，然后存入存储器作为待产生信号的数据查询表。在输出信号波形时，从数据表依次读出数据，产生数字信号。

输入时钟频率和输出波形信号的频率关系如图所示。在图中T_o表示输出波形的周期，T_c为采样周期，2^N为ROM查询表寻址范围，K为频率控制字。由图5可知T_o=T_c*2^N/K，转换为频率可表示为f _o=f _c*K/2^N，f _c为时钟信号clk的频率。在本设计中N=16，即2^N=65536，因此信号的输出频率f _o=f _c*K/65536。 

前置调理模块

前置调理模块，也叫电流电压变换器，与前端信号生成模块的数模转换器相连接，用于将所述的电流信号变换为电压信号。电流/电压转换即I/V转换，是将输入的电流信号转换成满足一定关系的电压信号，转换后的电压相当一个输出可调的恒压源，其输出电压应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。如图6。

电流信号生成模块

电流信号生成模块主要功能是，对前置调理模块输出的电流信号进行相位幅值调节，并放大。

电压信号生成模块

电压信号生成模块主要功能是，对前置调理模块输出的电压信号进行相位幅值调节，并放大。

相位幅值条件模块

在相位幅值调节模块中，幅值放大由运放和小型精密互感器完成。相位调节我们采用了数字移相模式，其功能既可用硬件实现，也可用软件实现。在数字移相技术中，信号在进行采样和AD转换后，送入FPGA对输入（反馈）信号进行FFT变换，从而获得幅度值和相位，然后对相位比较，并采用数字式比例积分微分控制（数字PID），通过数值计算去逼近预设值。

本实用新型的技术方案，是将成熟技术，集成在一个空白领域，使得此校验装置实现智能化和高精度，避免传统方式需要重复搭建的复杂电路。 

在本实用新型的技术方案中，数显及人机界面模块具体包括：显示屏，用于显示操作选项及测量数据；键盘，用于设定各项参数。 

本实用新型的有益效果在于：综合运用了虚拟阻抗法设计的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，产生的标准信号被高准确度表实时采集，并将模拟量变换成数字量，并反馈给高稳定性精密程控源进行实时修正；此方法尽可能逼近预设值，从而满足发电机转子交流阻抗测试仪校验装置各项指标；解决了现有技术中对发电机转子交流阻抗测试仪校验时缺乏专用测量器具对其进行校验的问题，可以对发电机转子交流阻抗测试仪的交流阻抗、功率、频率等多项测量功能进行高准确度的同步检测，为发电机转子交流阻抗测试仪的高准确度检测工作提供了可靠的测试方法和测试依据。 

本实用新型为解决现有技术中对发电机转子交流阻抗测试仪检测时，缺乏专用校验器具对其进行校验的问题，从发电机转子交流阻抗测试仪的原理出发，研制了基于高稳定性精密的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，且该装置应完全满足校准检测的需要，能对目前国内大部分发电机转子交流阻抗测试仪进行校验。 

例如，图1为本实用新型实施例提供的一种发电机转子交流阻抗测试仪校验装置的结构示意图，由图1可知，发电机转子交流阻抗测试仪校验装置具体包括：高准确度表、高稳定性精密程控源、数显及控制模块，内部各模块间采用串口方式通信，由高稳定性精密程控源的主控装置统一控制各模块的工作，提高了发电机转子交流阻抗测试仪校验装置各模块的整体可靠性。 

基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置工作原理是：首先由数显及人机界面模块设定预设值，在主控模块的控制下，高稳定性精密程控源分别向电流输出端子和电压输出端子给出初始值，然后有高准确度表进行实时测量及反馈，将实时量值返给高稳定性精密程控源，以此为根据对校验装置的输出量进行多次逼近，从而达到对输出量修正的目的。 

图2为本实用新型实施例提供的一种发电机转子交流阻抗测试仪校验装置与发电机转子交流阻抗测试仪的连接示意图，由图1可知发电机转子交流阻抗测试仪校验装置的基本检测接线原理。发电机转子交流阻抗测试仪校验装置的电流输出端接至被检仪器发电机转子交流阻抗测试仪的电流输出端，交流阻抗测试仪校验装置的电压输出端接至被检仪器交流阻抗测试仪的电压输入端，被检仪器交流阻抗测试仪的调压器输入端之间采用大电流线与校验装置输出端相连。 

本校验装置采用的是虚拟负载法，校验装置的试验电压、试验电流分别独立输出，它们之间的相位差可调，以模拟各种负载状况。交流阻抗测试仪校验装置采用的是虚拟负载法，校验装置的试验电压、试验电流分别独立输出，它们之间的相位差可调，以模拟各种负载状况。 

综上所述，本实用新型提供了一种基于虚拟阻抗法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，解决了现有技术中对发电机转子交流阻抗测试仪检测时，缺乏专用校准器具对其进行校验的问题，可以对交流阻抗测试仪的交流阻抗等进行高准确度的同步测量，为发电机转子交流阻抗测试仪的高准确度检测工作提供了技术条件和实践依据。 

使用本实用新型的交流阻抗测试仪校验装置可以有效地甄别出各厂家各型号交流阻抗测试仪的优劣，能为今后交流阻抗测试仪器设备的选购提供参考依据，也可以作为产品合格与不合格的判断标准用于仪器设备的检测。 

本实用新型的交流阻抗测试仪校验装置对于交流阻抗测试仪生产厂家也十分有用，可以作为被试品用于产品开发中的研究；也可以用于生产过程中的对比校准，还可以作为产品出厂检验的测试仪器，今后还将开发出新功能，应用于更广泛的领域。 

本实用新型的交流阻抗测试仪校验装置填补了检测交流阻抗测试仪的空白，可以推动交流阻抗测试仪检测工作的开展。 

本实用新型的技术关键点是：能够获得实时反馈的高稳定性精密程控源，并具有数据修正的能力；在整个校验装置最末一级进行高准确度实时测量的电压、电流表计，并能采集到的模拟信号处理后变成数字量反馈给主控装置。 

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (4)

1.基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，其特征在于，包括依次连接的第一高准确度表、高稳定性精密程控源、第二高准确度表和数显及人机界面模块，分别与所述第一高准确度表和高稳定性精密程控源连接的电流输出端子，以及分别与所述高稳定性精密程控源和第二高准确度表连接的电压输出端子。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，其特征在于，所述第一高准确度表，包括依次连接在所述电流输出端子与高稳定性精密程控源之间的电流传感器、第一信号调理模块、第一模数转换模块和第一测量计算模块。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，其特征在于，所述高稳定性精密程控源，包括依次与所述数显及人机界面模块连接的主控制器、信号生成模块和前置调理模块，依次连接在所述前置调理模块和电流输出端子之间的电流信号生成模块、第一相位/幅值调节模块和第一放大器，以及依次连接在所述前置调理模块和电压输出端子之间的电压信号生成模块、第二相位/幅值调节模块和第二放大器。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟负载法的发电机转子交流阻抗测试仪校验装置，其特征在于，所述第二高准确度表，包括依次连接在所述电压输出端子与主控制器之间的电压传感器、第二信号调理模块、第二模数转换模块和第二测量计算模块。