CN219918482U - 一种匝间测试仪充电模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于直流充电领域，涉及一种匝间测试仪充电模块，给匝间测试仪的高压储能电容充电，包括依次电性连接的变压器、整流滤波单元、逆变控制单元和升压整流单元，调压控制单元与逆变控制单元电性连接，电压测量单元分别与升压整流单元、调压控制单元和MCU电性连接，MCU和调压控制单元电性连接。本实用新型充电更快，充电电流小，同时还能够保证每次充电电压和充电时间基本一致，电压充电控制环路采用了硬件闭环，充电电压到位时，充电模块及时停止充电，响应时间更快，电压精度更高，利用更简单的逆变结构代替交流电源，小型高频变压器代替工频变压器的方式，明显减小了重量和体积，成本也低，同时还便于匝间测试仪后期集成。

Description

一种匝间测试仪充电模块

技术领域

本实用新型属于基于电变量调节的直流充电技术领域，具体涉及一种匝间测试仪充电模块，用于给匝间测试仪的高压储能电容充电。

背景技术

电机或者线圈类产品进行匝间测试时，匝间测试仪需要快速给被测品提供所需要的高电压脉冲，通过振荡电路产生层间电势差，根据层间放电情况来判断线圈的绝缘性能。其中高电压脉冲是通过测试仪内部的高压储能电容放电实现的，这就需要通过充电模块对匝间测试仪内部的高压储能电容进行快速充电，快速、稳定的给匝间测试仪的高压储能电容充电是匝间测试的关键环节。

给高压储能电容充电的方式有很多种，但是，由于匝间测试仪是面向工厂的测量产品，为了更好的适应市场需求和各种工况，电容充电模块也需要适配匝间测试仪以满足市场需求。第一个要求是充电模块能够快速稳定给高压储能电容充电，原因如下：线圈类产品对测试测量的节拍要求很高，快速给高压储能电容充电达到所需要的电压是缩短匝间测试仪测试时间的必需条件；另一方面，匝间连续冲击间隔时间越短，被测品的检出率越高，提升流入市场的产品的质量。第二个要求是充电模块给高压储能电容充电的电压精度要高，电容电压偏高或者偏低都会影响最终匝间测量的振荡波形和结果，保证高压储能电容电压精度的关键因素是，充电过程中当电容电压达到目标值时能够及时停止充电，避免出现过冲问题，反之，电压不够目标值继续充电，直到电压值达标停止。第三个要求是充电模块的体积和质量要小，工厂产线留给匝间测试仪的操作空间有限，所以仪器的体积也是影响产品市场适应性的关键因素，充电模块是功率模块，自身的体积和质量对匝间测试仪的体积影响很大，所以充电模块需要小型化。

目前常用的匝间测试仪充电方案是：通过交流电压源、工频变压器和半波整流电路，组成充电装置给高压储能电容充电，交流源的输出电压可以根据给定值在固定范围内变化，交流电压经过固定变比的工频变压器升压，再经过半波整流，交流电压变直流电压给高压储能电容充电。

上述方案应用于匝间测试仪，虽然能够满足匝间测试仪的基本需求，但是在实际使用中存在以下技术问题：问题一，采用半波（脉动直流量）给高压储能电容充电，电容上的每次电压值是有波动的，如果保证电容电压的稳定性，那么充电时间会出现不一致的问题。问题二，高压储能电容停止充电的控制是采用数字环路采集电容电压，经过计算判断，MCU下发停止指令实现的，这个数字环路虽然精度较高，但是在匝间测试仪这种对响应速度要求较高的产品中没有硬件停止响应快，电容停止充电慢的话存在充过压的问题，进而影响高压储能电容上的电压精度。问题三，5kV工频变压器体积大，重量大，集成到匝间测试仪时，增加了匝间测试仪的质量和体积，不符合小型化的要求。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型针对现有高压储能电容充电方案的技术问题，设计了一种匝间测试仪充电模块。本实用新型所采用的技术方案如下：

一种匝间测试仪充电模块，包括：依次电性连接的变压器、整流滤波单元、逆变控制单元和升压整流单元，调压控制单元与逆变控制单元电性连接，电压测量单元分别与升压整流单元、调压控制单元和MCU电性连接，MCU和调压控制单元电性连接。

优选的，所述的电压测量单元包括依次电性连接的电压采样电路、电压测量电路和模数转换器电路，电压采样电路与升压整流单元电性连接，模数转换器电路与MCU电性连接。

优选的，所述的调压控制单元包括：电压反馈电路、PI控制器和目标值给定电路，电压反馈电路的输入端和电压采样电路的输出端相连，电压反馈电路和目标值给定电路的输出端分别与PI控制器的输入端相连，目标值给定电路的输入端与MCU电性连接。

优选的，所述的逆变控制单元包括相互电性连接的PWM控制器和逆变电路，逆变电路与整流滤波单元电性连接，PWM控制器输入端与PI控制器输出端电性连接，PWM控制器输出端与逆变电路输入端相连，逆变电路包括两个半桥MOSFET。

优选的，所述的整流滤波单元包括依次电性连接的桥式整流电路、滤波电路和等分电压电路，等分电压电路与逆变电路电性连接。

优选的，所述的升压整流单元包括电性连接的高频变压器和倍压整流电路，高频变压器的初级与逆变电路的输出端连接，高频变压器的次级与倍压整流电路连接。

优选的，所述的变压器是自耦降压变压器。

优选的，所述的电压测量单元上配置以太网模块。

本实用新型的有益效果：

此充电模块采用半桥逆变和倍压整流的拓扑结构，输出幅值可调的直流电压给高压储能电容充电，这种充电方式充电更快，充电电流小，同时还能够保证每次充电电压和充电时间基本一致，规避上述问题一。同时电压充电控制环路采用了硬件闭环，充电电压到位时，充电模块及时停止充电，响应时间更快，电压精度更高，规避上述问题二。关于体积和质量的问题，新方案中删除工频变压器，并且利用更简单的逆变结构代替交流电源，小型高频变压器代替工频变压器的方式，明显减小了重量和体积，成本也低，同时还便于匝间测试仪后期集成，规避上述问题三。

附图说明

图1是本实用新型实施例的匝间测试仪充电模块的结构和原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，是本实用新型实施例的匝间测试仪充电模块的结构和原理示意图。一种匝间测试仪充电模块，包括：依次电性连接的变压器、整流滤波单元、逆变控制单元和升压整流单元，调压控制单元与逆变控制单元电性连接，电压测量单元分别与升压整流单元、调压控制单元和MCU电性连接，MCU和调压控制单元电性连接。

所述的变压器是自耦降压变压器，作用是将市电降压。

所述的整流滤波单元包括桥式整流电路、滤波电路和等分电压电路，作用是将交流电压整流后再滤波变成直流电压，同时将直流电压通过电阻二等分电压，为后面的逆变控制单元的逆变电路提供母线电压。

所述的逆变控制单元包括相互电性连接的PWM控制器和逆变电路。逆变电路与等分电压电路电性连接，PWM控制器输入端与调压控制单元的PI控制器输出端电性连接，其中PWM控制器可以输出两路互补PWM，PWM的占空比是随着PWM控制器输入端电平的改变实时改变。PWM控制器输出端与逆变电路输入端相连，逆变电路包括两个半桥MOSFET，PWM控制器输出的两路互补的PWM信号，驱动两个半桥MOSFET交替导通，输出SPWM信号。

所述的调压控制单元包括：电压反馈电路、PI控制器和目标值给定电路（数模转换器）。电压反馈电路的输入端和电压测量单元的电压采样电路的输出端相连，电压反馈电路和目标值给定电路的输出端都与PI控制器的输入端相连，PI控制器的输出端连接PWM控制器。PI控制器通过比较反馈量和给定量的差异，输出与差异值反相的电压控制信号作为控制信号输出。

所述的升压整流单元包括高频变压器和倍压整流电路。高频变压器的初级与逆变电路的输出端连接，将输入的高频SPWM信号幅值放大。高频变压器的次级与倍压整流电路连接，将放大后的SPWM信号整流成直流电压同时放大固定的倍数，此时输出的高压直流电压信号用来给高压储能电容充电。

所述的电压测量单元包括电压采样电路、电压测量电路和模数转换器电路。电压测量电路将采样后的高压储能电容电压进行滤波调理，然后将电容电压信号传输到模数转换器中，实时采集计算，便于匝间表实时显示电容充电波形和电压值。

同时电压测量单元上配置以太网模块，用于充电模块和外部主机通信，以完成对充电相关参数配置下发和电容充电波形和电压值的上传显示。

本实用新型实施例的匝间测试仪充电模块的工作流程如下：市电接入充电模块，通过变压器降压，整流滤波单元将交流电压变为直流电压，作为逆变电路的母线电压。外部主机将充电参数（给定值）通过以太网下发给充电模块上的MCU，MCU控制数模转换器。根据设置参数输出给定目标值，当给定值和反馈量有差异时，此差异值在PI控制器的作用下变成直流信号作用于PWM 控制器，使PWM 控制器输出两路相应占空比的互补PWM波形，互补PWM波形能够驱动逆变电路的两路MOSFET导通，将直流母线电压转变成SPWM信号，SPWM信号经过高频变压器和倍压整流电路的作用产生高压直流电压信号，用于给高压储能电容充电。当充电电压达到目标电压时，PI控制器能够及时响应并停止PWM控制器工作，保证电压的准确性。充电过程中，当流经MOSFET的充电电流超过阈值时，过流保护机制及时做出响应，通知MCU停止DAC输出并硬件触发PWM控制器停止工作。高压储能电容充电的同时，电压测量单元保证实时测量电容电压，将高压储能电容电压数字化通过以太网上传给外部主机更加直观地显示出来，便于试验分析。

本实用新型实施例的充电模块，使用半桥逆变+高频变压器+倍压整流的拓扑架构实现了基于匝间测试仪的高压储能电容充电，充电快效率高成本低；采用PI控制器设计了电压闭环调节方式，实现了精度高、稳定性强、响应快的闭环控制系统。经过验证证明其具有充电快，效率高、低成本、体积小的优点，更适用于匝间测试仪的开发和集成。

本实用新型实施例的充电模块，与现有方案比，高压储能电容充电更快，电容电压精度高，电压重复性好；用较低成本实现了高效稳定准确的闭环电压控制，其响应速度快，对不同规格的高压储能电容适用性广泛；体积更小，质量更轻，成本更低，有助于匝间测试仪小型化轻量化开发。

本实用新型实施例中，未详细描述的技术特征均为现有技术或者常规技术手段，在此不再赘述。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，包括：依次电性连接的变压器、整流滤波单元、逆变控制单元和升压整流单元，调压控制单元与逆变控制单元电性连接，电压测量单元分别与升压整流单元、调压控制单元和MCU电性连接，MCU和调压控制单元电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的电压测量单元包括依次电性连接的电压采样电路、电压测量电路和模数转换器电路，电压采样电路与升压整流单元电性连接，模数转换器电路与MCU电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的调压控制单元包括：电压反馈电路、PI控制器和目标值给定电路，电压反馈电路的输入端和电压采样电路的输出端相连，电压反馈电路和目标值给定电路的输出端分别与PI控制器的输入端相连，目标值给定电路的输入端与MCU电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的逆变控制单元包括相互电性连接的PWM控制器和逆变电路，逆变电路与整流滤波单元电性连接，PWM控制器输入端与PI控制器输出端电性连接，PWM控制器输出端与逆变电路输入端相连，逆变电路包括两个半桥MOSFET。

5.根据权利要求4所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的整流滤波单元包括依次电性连接的桥式整流电路、滤波电路和等分电压电路，等分电压电路与逆变电路电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的升压整流单元包括电性连接的高频变压器和倍压整流电路，高频变压器的初级与逆变电路的输出端连接，高频变压器的次级与倍压整流电路连接。

7.根据权利要求1所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的变压器是自耦降压变压器。

8.根据权利要求1所述的一种匝间测试仪充电模块，其特征在于，所述的电压测量单元上配置以太网模块。