便携式工频恒流源装置的设计与应用

便携式工频恒流源装置的设计与应用

杜彦巍，卞胜，孔卫平，赵毅

(国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄050051)

摘要：介绍便携式工频恒流源装置的结构和功能，从单元方案、抗干扰等方面分析该装置的关键技术，说明该装置的应用情况及效果，并提出改进建议。

关键词：便携式；工频；恒流源；装置；电力系统

收稿日期：2014-12-23

作者简介：杜彦巍 (1978-)，男，高级工程师，主要从事继电保护工作。

中图分类号：TN86

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2015)02-0004-02

Abstract:This paper introduces the structure and function of the portable constant current source device,analyzes the key techniques such as unit plan,EMI used on the device,introduces the filed application status of this portable current source and also gives the improvement suggestion.

Design and Application of Portable Power Frequency Constant Current Source Device

Du Yanwei,Bian Sheng,Kong Weiping,Zhao Yi

(State Grid Hebei Electric Power Company Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051，China)

Key words:portable;power frequency;constant current source;device;power system

随着电力工业的发展，电力网络中各种低压电气基础元器件需求量大量增加。元件的可靠性高低直接影响系统运行的可靠性高低，因此对元件的可靠性进行试验十分必要。

恒流源作为稳定电源的分支，在电光源、电化学、通信、测量技术、电子仪器等方面被广泛应用，其作为一项技术在电源的研究领域中有很大的发展空间。在电子元件，如继电保护装置的试验、检测应用中，不同型号产品的额定参数及特性差别很大，经常需要根据待测器件型号的不同，调整测量电路中的参数值。电力系统检修工作中，常需要稳定可靠的恒流源。目前，恒流装置应用最广泛的为手动式或数字式的交流恒流调节设备。目前的数字式恒流源装置比手动式恒流源装置体积小，但还是不便于携带，需要外接电源。在电力系统检修工作中，常常由于外接电源的限制导致使用受限。因此需要研究一种便携紧凑式恒流源装置，能够提供1 A或5 A的恒流源，满足电力系统需求。

1装置结构设计

整机以单片机为中心，如图 1所示。键盘(或触摸屏)和LCD构成人机接口；DSP和恒流源电路一起实现恒流输出功能；DC-DC电源由锂电池供电，转换输出合适的电压为各部分电路供电；电源管理电路负责锂电池电量检测、充放电管理以及DC-DC电源的监测与控制。

图1　系统结构示意

a. 恒流源。恒流源的原理比较简单，本质上就是对输出电流采样再反馈到输入端形成闭环控制。该装置采用模拟电路直接实现，也可以对输出电流作数字采样，由单片机进行运算后控制放大电路的输入，达到恒流的目的。数字恒流源调整方便，功能丰富，但电路较为复杂。

b. 电池及电源管理。选用锂电池，性能好，价格稍高。目前笔记本电脑的电池容量在4～6 Ah的水平，足够支撑本仪器的应用。从电池寿命和安全的角度考虑，具体设计时应重点关注充放电管理，防止过充电、过放电和过热等情况。还需要实现电量检测功能。

c. DC-DC电源。这一部分电路将电池提供的电能转换成各种电压的电源供给其余电路。可选择各种DC-DC电源模块实现。

d. 单片机。单片机负责控制各部分电路的工作，接收键盘或触摸屏传来的操作命令，通过LCD显示相关信息。还可以实现串口和USB通信的功能。该装置采用“DSP+单片机”的方案,选用性价比较高的ARM7系列单片机。

e. 人机接口。选用320*240带触摸屏的彩色LCD，无需另外设计键盘，还可提升产品档次。

f. 外壳。对于样机拟选购适合的标准机箱，只需要做简单的加工即可。对于将来的批量产品，需要进行专门的开模设计。

2装置关键技术

2.1　单元方案设计

该装置的关键技术体现在装置的恒流源输出模块和抗干扰模块，以保证电源输出的效率高，散热性能好，抗干扰能力强的特点。鉴于本恒流源需要输出不同的电流，且需要监测负载的状态，故采用数字恒流源方案，其基本结构见图2。

图2　恒流源结构

功率放大电路输出的电流同时流过负载和采样电阻，采样电阻的阻值已知，故其上的电压与输出电流成正比。此电压被电流测量电路放大到合适的电平送到A/D转换器(内置于DSP)，转换得到数字里昂，经计算即可知道输出电流的大小，然后调整功率放大电路的驱动信号即可使输出电流达到设定的目标值。

50 Hz工频信号在音频频带内，所以可以考虑采用音频功放作为恒流源的功率放大器。音频功效选用线性功效。目前音频功放分为线性和非线性两大类，线性功放包括通常所说的A类和AB类，而非线性功放主要是D类。线性功放的优点在于信号质量好，失真小，缺点是效率不高；非线性功放的失真指标稍差，但效率更高。

D类功放采用PWM工作模式，工作时处于开关状态，效率较高。D类功放工作原理如图 3所示，它是将模拟信号转换成PWM开关信号，经放大后通过低通滤波器还原出原来的模拟信号。此电路的损耗主要来自功率MOSFET的开关和低通滤波器。

图3　D类放大器工作原理

为了能够妥善处理电路效率和散热的问题，设计拟采用非线性功率放大的方案。采用分立器件来构建功率放大器。TI的DSP控制器TMS320F280X具有高分辨率的PWM输出，同时具有内置的12 bit ADC，结合PWM放大器和电流测量信号放大电路就能实现恒流源，是一种简洁的电路方案。具体设计时，经计算后确定散热方式。由于整机功耗较大，有必要采用风扇实行风冷散热。

2.2　系统抗干扰设计

大电流恒流源由于工作环境恶劣(如强大的电流，电网电压受到高次谐波噪声的污染，电场引发的磁场，感性负载造成的浪涌等)，要求系统有很好的抗干扰能力。对于单片机微型计算机实时控制系统而言，具有高可靠性和强抗干扰能力也是系统长期稳定运行的前提和保证。

微机控制系统中的干扰，一般是指各种外部和内部的干扰源产生的各种电器瞬变信号，通过一定的途径(例如电源线或信号传输线)耦合到系统内部，以及系统内部之间的窜扰，对系统正常工作造成一定的影响。

针对恒流源可能受到的干扰，为了抑制地线噪声，地线的布置应遵守以下规则。

a. 地线尽量要粗，如果地线较细，则地线电阻较大，从而造成接地点位随电流的变化而变化，致使信号电平不稳，导致电路的抗干扰能力下降。该项目中主要地线的宽度均在3 mm以上。

b. 将地线构成环路，可以缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

c. 采用元器件单点接地避免电位差，提高抵抗噪声能力。

d. 可以采取屏蔽措施对外来干扰进行屏蔽，在设计过程中需要对整体结构进行EMC分析。

3功能介绍

该便携式工频恒流源装置的主要功能包括以下几个方面：

a. 可采用交、直流供电，恒流输出1 A和5 A，采用按键切换输入与输出电流，频率50 Hz；

b. 持续供流大于30 min，损耗功率低；

c. 具备低电压及电流开路报警功能；

d. 具备充放电功能。

4应用情况及效果

目前，在现场对继电保护装置消缺更换插件后、新间隔验收调试过程中，均要对二次回路进行二次通流。每次通流时均要进行接试验电源，试验台，特别是户外TA通流，接试验电源工作费时费力，均要穿越围栏到电源箱处接线，以至每次通流工作均需配备3名以上的工作人员进行试验台操作，占用人力资源大。

使用便携式工频恒流源装置达到了以下效果：每1名工作人员均可熟练使用该装置进行现场试验，规范现场文明生产，不穿越围栏进行工作，提高安全指数。在确保验证二次回路的前提下，接试验电源的平均时间由原来的10 min降低到1 min；将启动试验台，试验线的平均时间由原来的10 min降低到2 min；转移动作地点的平均时间由10 min降低为1 min。完全避免了穿越围栏进行接试验线的方式，将危险因素减低为零。

5建议

针对实际应用情况，该便携式工频恒流源装置需要进行调试和改进，改进建议如下。

a. 开关电源在频繁开启过程中存在接触不良等情况，应更换启动开关，再调试其他触点。

b. 实际的通流试验中，电流精度达不到要求，通入5 A电流时，装置显示为4.9 A，而通入装置的电流实际只为4.71 A。下一步的调试中应增大装置内部电阻，使精度达到允许范围。

c. 装置的体积和外观设计不能达到使用人员的要求，要咨询专业设计人员进行专门的外观设计，合理布置内部元器件，使装置满足使用要求。

本文责任编辑：杨秀敏