低压电器检测用交流恒流源系统设计

赵 琛，刘维亭，魏海峰

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江212003）

低压电器检测用交流恒流源系统设计

赵 琛，刘维亭，魏海峰

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江212003）

为了进行低压电器中低压成套开关设备和控制设备的型式试验，提高检测效率和提升检测平台，提出一套模块化结构的低压电器产品检测装置，充分结合数字信号处理、电力电子技术和网络通讯等新技术，将温升检测功能、介电性能检测功能、保护电路有效性、电气间隙和爬电距离等功能集于一体，采用可编程控制器，实现检测装置的模块化组合，在PID控制理论下能够输出精确的交流电流，并进行现场试验数据的采集、处理，通过网络通讯对检测数据实时传输。实践表明，本设计具有速度快、精度高、实用性强等特点。

低压电器；交流恒流源；检测；模块化结构；PID控制

为保证电力系统的输、配电及电能转换正常、高效、节能工作，低压成套开关设备和控制设备的质量起到关键的作用，而通过高精度恒流源来进行温升、电流源热循环等型式试验是保证成套开关设备在电力系统中可靠、稳定、安全、经济运行的必要技术措施和手段[1]。交流恒流源是电器性能测试或试验的核心组件，其精确度和稳定性直接影响到整个系统的运行结果。在低压电器行业应用于温升、电流热循环、延时热脱扣等试验中时，市场上的恒流源在精度、稳定性、幅值、相位、价格等方面无法同时满足要求。本文所论述的低压成套设备检测用的交流恒流源是一种可对低压电器型式试验进行远程控制与记录、实验状态实时监控、实现多种自动保护和故障检测、处理功能、模块化设计的交流恒流源结构。

根据GB 14048.1《低压开关设备和控制设备第1部分：总则》和GB 7251.1-2013《低压成套开关设备和控制设备 第2部分：型式试验和部分型式试验成套设备》的要求，文中采用自主研发控制软件，搭建了以DSP处理器为核心控制的实验装置[2]。装置系统主要有DSP最小系统、电压电流采集模块、整流模块、桥式逆变模块、换能模块、频率相位跟踪模块、误差控制模块。通讯显示档位控制处理模块等。试验通过改变不同的参考电流，来研究交流恒流源三相的频率与相位误差。

1 基本结构及工作原理

本论文设计了基于单片机的数控恒流源，该系统由恒流源主电路和单片机最小系统组成，其中单片机最小系统主要由单片机控制单元、A/D和D/A转换模块以及负载及键盘显示模块组成[3]，系统结构框图如图1所示。

选用自主研发的控制软件，采用以DSP型处理器为控制核心，实现多种自动保护和故障监测、处理功能[4]。AD采样处理模块对系统输入采样信号进行采样，写入运行参数数组供其他模块使用，并利用修正系数对采样进行校准处理。主控与故障检测模块根据检测结果判断是否故障，并完成系统故障检测和保护处理[5]。通讯显示档位控制处理模块主要处理通讯接口、人机界面显示及档位控制、异常处理等，采用ARM-CortexM3处理器，内置嵌入式实时操作系统（RTOS），应用软件采用C语言编写。

图1 单片机最小系统结构框图

图2所示为电子式交流恒流源实物图，系统主要由DSP最小系统板驱动IGBT电路、电流采集电路、整流逆变滤波电路等。1-显示屏操作板，2-工作电源（辅助电源），3-一体化变压器、电抗器，，4-电流互感器，5-风扇，6-电流采集板，7-DSP系统板 ，8-整流逆变滤波电路，9-IGBT驱动板，10-电子开关，

技术指标：输入——工作电源三相四线AC 380（1±10%）V，工作频率50±1 Hz，输出——电流为单相或三相0.1In—In任意可调，输出频率40～60 Hz且设定输出，相位角控制输出120度。单模块输出电流等级：50 A、200 A、400 A、630 A，多模块组合输出电流等级：0～3 200 A（可向上扩展）； 具有短路、过载、空载、缺相、相序报警等保护功能，具有通讯、与后台连接、实现远程监控等通信功能，精度在以内[6]。

图2 电子式交流恒流源实物图

2 系统的硬件实现

恒流源由电子功放、RC型特种升流器、电子负载以及PLC模块、触摸屏等元件组成。以单模块电流输出等级200 A为例，能输出AC0—200 A测试电流，通过电子调压器无触点调节，输出电流准确、稳定、响应快，从设定电流到稳定输出电流，只需0.5秒。为了满足不同产品测试需求，恒流源专门设置了多档电源的升流器，设置多个电压、电流档位。整个柜体电流系统由6台AC 200A独立恒流源组成，每台配有独立的操作开关、显示屏等，可独立操作，或者6台并联使用，最大输出电流单相1 200 A。也可3台设备并联使用，组合成A B C三相电源，最大输出电流三相400 A。该电源还可于其它相同功能的恒流源并联使用。

电子式交流恒流源整体框图如图3所示。通过人机接口界面对电流值、频率进行预置，整流（AC/DC）模块将来自市电的220 V交流电通过整流变成300 V的直流电为后续的逆变电路提供能量，同时也为系统的其它电路提供辅助电源；逆变器模块通过SPWM控制IGBT功率器件将直流信号变换成可控制幅度与相位的正弦交流信号提供给后级电压——变流换能器（变压器），通过采用高性能铁芯的变压器将逆变电路输出的高压小电流信号变换成低压大电流信号提供给后级被测元件；频率跟踪模块对参考信号的频率及相位进行精确采样，为后面的正弦信号发生器提供参考频率和初始相位，确保逆变后的电流信号与参考信号一致，此处为恒流源能任意并联使用的关键所在；输出电压采集模块实时采集逆变模块输出的电压信号，处理后反馈给后续的误差控制模块；输出电流采集模块通过精密电流互感器，实时采集实际输出电流，处理后送后续电路进行显示、反馈处理；正弦信号发生器模块根据频率相位跟踪块提供的信号产生与参考信号完全同频率同相位的正弦信号提供给误差控制模块，同时正弦信号的幅度受输出设定和PID控制模块控制，通过PID算法运算后，实时控制正弦号发生器产生的正弦信号幅度，从而使输出电流与设定一致并恒流；误差控制模块将正弦信号发生器产生的正弦信号与逆变输出采样的正弦信号进行误差运算后，输出给SPWM信号发生器，使逆变后的信号与设定信号相位频率相同；来自误差控制模块的正弦信号与本模块内的三角波载率信号进行比较，产生SPWM波形，驱动IGBT功率器件，从而完成逆变过程；通讯显示档位控制处理模块 主要处理通讯接口、人机界面显示及档位控制、异常处理等，采用ARM-CortexM3处理器，内置嵌入式实时操作系统（RTOS），应用软件采用C语言编写。其中频率相位跟踪模块是电子式恒流源保持相位、频率同步需要克服的关键之处。多个模块形成多个环路，配合微处理器，并结合一定的控制策略对输出电流进行动态调整，从而构成输出电流的闭环控制，实现输出电流值的恒定[7]。

图3 交流恒流源系统总体框图

频率相位跟踪模块电路原理图如图4所示，在对来自互感器的参考信号的频率及相位进行精确采样，经过两对串联二极管，保证中间引线的电压保持在一个恒定的水平；放大器选用TI公司的高级LinEPIC自校准双路运算放大器TLC4502，具有低输入失调电压飘移和高输出驱动能力，并可在上电后失调电压自动校准为零，TLC4502首先对参考信号进行A/D转换、低通滤波、整形，然后再输入到逐次渐进寄存器。校准失调使用电流方式数模转换器（DAC），其满度电流供给输入失调电压作大约±5 mV的调整之用[8]。在取的市电电压信号、过零信号后，TLC4502自动校准放大器在片内利用对数字与模拟信号的处理，通过与前者产生的参考信号进行比较调整，完成自动校准一般需要300 ms的时间，连续校准时可在±3 μV范围内反复进行，以此获得交流电三相同步信号。通过同步信号发射器和STP的连接，便可实现多个电子式交流恒流源主从并联产生大电流[9]。

图4 频率相位跟踪模块电路原理图

3 系统软件设计

3.1 控制算法选择

恒流源元件检测过程是一个多参数相互耦合的时变非线性系统，影响电流检测的精度因素很多，由于不同低压电器产品以及不同的检测方式和环境，使得其其试验过程存在很大的随机性，不能用精确的数学模型来描述，即使通过一些手段简化系统后建立了对象的简单数学模型，控制效果也不是很好[10-11]。另外，由于电流随元件参数的变化而变化，要求控制算法的实时性高，控制过程较为复杂。因此，权衡各种控制方法的优缺点，我们采用PID实现控制。标准的数字PID算法如下式所示：

上式的Kp为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，e（k）是输入函数，u（k）为 KT 采样时刻的输出。

为了使用方便，节省空间，实现对系统的数字PID控制，采用增量式数字PID控制表达式：

3.2 程序设计思路

根据系统需要在此采用了模块化程序设计法，按照硬件功能模块将程序分解成模块，然定义各个模块的功能和对接口定义[12]。主程序流程图如图5所示。主控芯片DSP主要根据采集来的电流值，输出一定频率和占空比的脉冲来调整输出电流。通过触摸显示屏对恒流源系统进行初始化后，通过采集电路采集到电流输入到DSP的AD输入口，经过模数转化得到电流值，和设定的期望电流值进行比较，并进行PID运算，由DSP改变输出PWM波的占空比，不断调节电流值，使电流值接近期望值[13-15]。

图5 主程序流程图

4 系统功能测试与分析

为了验证交流恒流源在低压电器相关型式试验（TTA）的检测能否精确稳定的进行，以交流低压配电柜（低压成套开关设备）产品型号：GGD主母线：In=400 A～10 A，Icw=10 kA；Ue=380 V，Ui=380 V；50 Hz；IP30为例来说明，而温升试验（水平温升和垂直温升）是电器送检必做的一项基本型式试验，故对常规检查合格的GGD型交流低压配电柜（单柜）进行水平温升试验的积木式倒输入短路法连接，连接其主回路，通过交流恒流源的MCGS触摸屏进行试验系数校准，外接GEN2i数据采集瞬态记录仪，通过GEN2i的GUI来观察三相相位角是否稳定。为了使电子式交流恒流源三相电相位角稳定，需要通过同步信号发射器通讯互联和锁相环等，获得最小相位差，为了比较预置电流和输出电流之间的误差，通过并联两台200 A（设置主、从模式），再0～400 A间选定了15个测试点相比较，直到达到试验所需温升实验所需进行的额定电流400 A。试验记录不同大小输出电流值的精度，以及通过GEN2i记录三相电流波形。图6为A、B、C三相总电流相位误。测量数据记录如表1所示，其中ID为预置参考电流；I1为恒流源显示总电流；I2为GEN2i数据采集瞬态记录仪罗氏线圈测量得到的数据，相对误差τ计算公式为相对误差

图6 A、B、C三相总电流相位误差

由图6可以看出三相最大误差ΔX为248.9 μs，由表1可以看出，交流恒流源在10～400 A时，预置输入参考值与GEN2i罗氏线圈检测到的显示电流值存在一定偏差，除了小电流输出误差较大以外，总能能控制在1%左右，从整体趋势来看且电流越接近额定值，稳定性越好。因此，从整体试验结果来看，恒流输出是符合实际测量精度要求的。

5 结 论

基于单片机控制的高稳定交流恒流源，它的输出电流可在0～200 A任意设置，若根据型式试验需求，可任意并联组合，得到需要的输出电流，且随负载变化小，系统的稳定度和精确度得到了很大的提高[16]，可实际应用于各种低压电器的校验和型式试验等场合。

表1 交流恒流源电流测试数据

[1]李红涛.基于DSP的交流恒流源的仿真与实现[D].南京理工大学，2007.

[2]宋涛，孙牧海.ATSE核心参数选择几点思考[J].建筑电气，2011（6）：25-29.

[3]荣军，张敏，李一鸣，等.基于单片机的恒流源技术研究[J].电子器件，2011，3401：63-65.

[4]赵悦，王冬梅，罗建，等.基于不同温度传感器的温度检测系统[J].成都大学学报：自然科学 版 ，2011（3）：260-263.

[5]邵长恒.基于IRL的网络终端远程维护机制研究与系统实现[D].青岛大学，2010.

[6]和平电气：又两项产品达到“国内领先、国际先进”水平[J].变频器世界，2012，3：45.

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[15]张丽萍，石运永.基于DSP28035的风能控制器设计[J].工业控制计算机，2012（11）：118-119.

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Research on AC constant current source system for low voltage electrical apparatus testing

ZHAO Chen，LIU Wei-ting，WEI Hai-feng
（School of Electrical and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

To do low-voltage electrical appliances Low-voltage switchgear and controlgear experiments，improve the detection efficiency and enhance detection platform，We propose a set of low-voltage electrical products detection apparatus of modular construction，fully integrated with digital signal processing，power electronic technology and network communications，and other new technologies，to temperature rise detection function，dielectric function test function，protection circuit effectiveness，electrical gap and climb distance and other functions in one set，using PLC and realize the modular combination of detection device，so accurate AC current can be output in PID control theory，And keeping the field test data collection，processing，through network communications to detect real-time data transmission.Practice shows that this design has the characteristics of high speed，high precision and strong practicability.

low-voltage apparatus；AC current source circuit；detection；modularization；PID control

TN86

：A

：1674－6236（2017）13-0151-05

2016-06-28稿件编号：201606215

质检总局科技成果转化基地项目（T2015-JSQTS-0026）

赵 琛（1990—），男，湖北咸宁人，硕士研究生。研究方向：电气自动化。