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        直流穩(wěn)壓電源現(xiàn)場檢定裝置設(shè)計

        2014-03-22 05:13:47
        計量技術(shù) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:電子負載穩(wěn)壓電源紋波

        蘇 璠 才 瀅 張 丹

        (中國人民解放軍92493部隊89分隊,葫蘆島 125000)

        0 引言

        直流穩(wěn)壓電源主要用于為電子設(shè)備提供直流供電電源,它的好壞直接關(guān)系電子設(shè)備的正常使用及技術(shù)性能有效發(fā)揮。直流穩(wěn)壓電源性能主要用穩(wěn)定性和紋波大小來表征。直流穩(wěn)壓電源還會因電網(wǎng)電壓變化而引起穩(wěn)定輸出量的變化,同樣也會因負載變化而引起穩(wěn)定輸出量的變化,這是直流穩(wěn)壓電源中所關(guān)注的源效應(yīng)和負載效應(yīng)。針對大功率穩(wěn)壓電源越來越多,不便于移動的現(xiàn)狀,研制設(shè)計了一種適合現(xiàn)場計量保障用的大功率直流穩(wěn)壓電源檢定裝置。

        1 裝置組成及總體設(shè)計

        根據(jù)《JJG 6—1999直流穩(wěn)壓電源檢定規(guī)程》,直流穩(wěn)壓電源周期檢定主要內(nèi)容為:電源電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表和電流表示值誤差。所以,設(shè)計裝置主要由三組裝置組成:直流電子負載、智能電網(wǎng)調(diào)整器和穩(wěn)壓電源自動檢定裝置。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示,直流電子負載可提供檢定過程中直流穩(wěn)壓電源滿載和空載狀態(tài);智能電網(wǎng)調(diào)整器可輸出檢定過程中要求的242V、198V和220V電網(wǎng)電壓;穩(wěn)壓電源自動檢定裝置部分可實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的電源電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表及電流表示值誤差等功能的自動測試與數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)功能如圖2所示。

        圖1 系統(tǒng)組成方框圖

        圖2 穩(wěn)壓電源現(xiàn)場檢定裝置實現(xiàn)功能框圖

        2 硬件設(shè)計

        2.1 直流電子負載設(shè)計

        直流穩(wěn)壓電源作為一個常規(guī)的電子設(shè)備,在各種電子產(chǎn)品測試過程中起著重要的作用,其性能的好壞直接影響著測試結(jié)果的精度和準確度。為了得到理想的測試結(jié)果,阻值精確、性能優(yōu)良的負載是必要的。常規(guī)的電阻負載(滑動變阻器和電阻箱),由于其溫度的變化會引起阻值的變化,當(dāng)電流很大時產(chǎn)生的熱噪聲及自身溫度驟然升高常常會影響測試結(jié)果。比如:在對一些高精度穩(wěn)壓電源進行參數(shù)檢測時,負載的性能會影響參數(shù)值的精確性。為了測量穩(wěn)壓電源的性能,設(shè)計了一個智能的、數(shù)字化控制的直流電子負載,它不同于傳統(tǒng)的固定電阻或可變電阻器,而是采用串口控制方式,根據(jù)被檢直流穩(wěn)壓電源的額定電流控制輸出恒流、恒壓狀態(tài),即提供檢定過程中直流穩(wěn)壓電源滿載和空載狀態(tài)。恒流功能:0~240A,最大允許誤差:±(0.1%讀數(shù)+0.05%滿度),恒壓功能:0.1~150V,最大允許誤差:±(0.03%讀數(shù)+0.02%滿度),設(shè)計方案如圖3。

        圖3 直流電子負載設(shè)計方案框圖

        圖4 智能電網(wǎng)調(diào)整器設(shè)計方案框圖

        2.2 智能電網(wǎng)調(diào)整器設(shè)計

        穩(wěn)壓電源的檢定過程中要模擬電網(wǎng)變化檢定穩(wěn)壓電源的電源電壓調(diào)整率,傳統(tǒng)方法采用手動調(diào)壓器實現(xiàn),調(diào)節(jié)過程復(fù)雜。現(xiàn)采用無線控制器及智能調(diào)壓電路構(gòu)成,由穩(wěn)壓電源自動檢定裝置無線控制單元采用遙控式無級變速技術(shù),控制磁飽和變壓器使智能電網(wǎng)調(diào)整器輸出穩(wěn)定的242V、198V和220V電壓,實現(xiàn)電網(wǎng)電壓自動調(diào)整。原理框圖如圖4所示。

        智能電網(wǎng)調(diào)整器調(diào)壓范圍:160~252V,功率5kW,穩(wěn)壓最大允許誤差:±0.5%。由接觸式調(diào)壓器、伺服電機、比較電路、檢測電路、基準電路及無線接收電路等組成。穩(wěn)壓電源自動檢定裝置在檢定電網(wǎng)調(diào)整率時,由無線控制單元發(fā)送信號,智能電網(wǎng)調(diào)整器中無線接收電路接收指令,改變基準電路電壓,控制電路進行取樣比較放大,驅(qū)動伺服電機改變接觸式調(diào)壓器上電刷的位置,使輸出電壓穩(wěn)定在不同的電壓值。穩(wěn)壓過程中,無電火花產(chǎn)生,連續(xù)調(diào)節(jié),平衡迅速。設(shè)計了限位保護,一旦調(diào)壓器滑動臂運轉(zhuǎn)至頂端或底端,便撞擊相應(yīng)的限位開關(guān),立刻切斷伺服電機的供電電源,則電機停轉(zhuǎn)。

        2.3 穩(wěn)壓電源自動檢定裝置設(shè)計

        紋波測試:0.05mV~1V,最大允許誤差:±0.1%;直流電壓測試:0~1000V,最大允許誤差:±0.01%;直流電流測試:0~240A,最大允許誤差:±0.01%。

        2.3.1采樣測量模塊設(shè)計

        模塊由直流電流和電壓采樣單元組成,輸入電壓信號經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換完成測量;輸入電流信號經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)理、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換完成測量,設(shè)計方案框圖如圖5所示。

        圖5 采樣測量模塊設(shè)計方案框圖

        2.3.2紋波電壓測量模塊設(shè)計

        模塊由紋波電壓采樣單元構(gòu)成,選用ADS8344轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。ADS8344轉(zhuǎn)換芯片具有八通道模擬量輸入功能,采用16位Σ-Δ原理實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,每個通道采取同步采樣,不存在時間延遲問題,設(shè)計方案框圖如圖6所示。

        圖6紋波電壓測量模塊設(shè)計方案框圖

        2.3.3控制單元設(shè)計

        對各采樣單元及智能電網(wǎng)調(diào)整器和電子負載接入及輸出進行分時控制以保證穩(wěn)定電源各檢定功能的實現(xiàn),其設(shè)計原理框圖如圖7所示。

        圖7 控制單元設(shè)計方案框圖

        穩(wěn)壓電源自動檢定裝置串口發(fā)送命令,通過串口通訊和解碼器到達地址編碼器控制繼電器動作使直流電壓、直流電流、紋波采樣單元工作;同時,穩(wěn)壓電源自動檢定裝置串口發(fā)送命令使電子負載工作在檢定所需狀態(tài);穩(wěn)壓電源自動檢定裝置發(fā)送無線控制碼,使智能電網(wǎng)調(diào)整器輸出檢定電網(wǎng)調(diào)整率所需的電壓值。

        3 軟件設(shè)計

        軟件編制任務(wù)主要包括計量校準、數(shù)據(jù)管理、人員管理和通訊控制四個模塊,采用圖形化編程語言VB來編制,各模塊完成的主要功能如下:

        1)計量校準模塊:完成直流穩(wěn)壓電源的電源電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表示值誤差、電流表示值誤差等功能的計量校準控制與數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包含粗大誤差的判別、不確定度分析以及數(shù)據(jù)誤差計算及合格判定等算法。

        2)數(shù)據(jù)管理模塊:完成計量校準形成的原始數(shù)據(jù)存儲、管理、維護以及證書和記錄、報告的輸出。

        3)通訊控制模塊:實現(xiàn)可控硬件單元的控制與數(shù)據(jù)傳輸和通信,和計量校準模塊各功能同步實現(xiàn)。

        4)人員管理模塊:完成計量校準人員權(quán)限設(shè)置及密碼管理。

        4 裝置的測試結(jié)果

        該裝置研制完成后對其進行了測試,各功能滿足所有直流穩(wěn)壓電源紋波電壓,電壓表和電流表示值誤差的檢定,電源電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性滿足0.04%以下級別的檢定要求。本裝置測試數(shù)據(jù)見表1、表2和表3,一般直流穩(wěn)壓電源技術(shù)要求與本裝置技術(shù)指標比較見表4。

        表1直流電子負載測試數(shù)據(jù)

        恒壓模式恒流模式設(shè)置值(V)標準值(V)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論設(shè)置值(A)標準值(A)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論22 0004-0 02±0 03合格1010 0009-0 009±0 03%合格100100 011-0 011±0 04%合格150150 017-0 0113±0 05%合格55 0011-0 02±0 1合格1010 006-0 0600±0 1合格100100 071-0 0710±0 1合格240240 062-0 0258±0 2合格

        表2智能電網(wǎng)調(diào)整器電壓穩(wěn)定誤差測試數(shù)據(jù)

        示值(V)實際值(V)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論198197 710 1±0 5合格220219 90 05±0 5合格242241 790 09±0 5合格

        表3穩(wěn)壓電源自動檢定裝置測試數(shù)據(jù)

        電壓測試電流測試標準值(V)顯示值(V)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論標準值(A)顯示值(A)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論0 20 200006-0 003±0 01合格0 20 2000050 002±0 01合格11 00002-0 002±0 01合格11 000080 008±0 01合格1010 00009-0 0009±0 01合格22 000090 004±0 01合格100100 0007-0 0007±0 01合格1515 00090 006±0 01合格10001000 008-0 0008±0 01合格200200 0110 006±0 01合格紋波電壓測試標準值(mV)顯示值(mV)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論標準值(mV)顯示值(mV)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論0 050 04999-0 02±0 1合格109 995-0 05±0 1合格0 10 100060 06±0 1合格100100 030 03±0 1合格

        表4直流穩(wěn)壓電源檢定項目技術(shù)要求與本裝置技術(shù)指標比較表

        直流穩(wěn)壓電源檢定項目直流穩(wěn)壓電源一般技術(shù)要求穩(wěn)壓電源自動檢定裝置技術(shù)指標是否滿足檢定要求紋波電壓0 05~100mV0 05mV~1V是電壓表、電流表示值誤差±(0 2%~0 5%)±0 01%是電源電壓調(diào)整率0 001%~1%±0 01%0 04%以下負載調(diào)整率0 001%~1%±0 01%0 04%以下輸出電壓短期穩(wěn)定性0 005%/10min~5%/10min±0 01%0 04%/10min以下

        5 結(jié)束語

        穩(wěn)壓電源現(xiàn)場檢定裝置已經(jīng)研制完成,經(jīng)性能試驗和計量測試滿足大功率穩(wěn)壓電源和通用直流穩(wěn)壓源的現(xiàn)場及實驗室校準、檢定和測試要求,自動完成檢定工作,提高了檢定工作效率,目前已用該裝置建立了直流穩(wěn)壓源測量標準,具有很好的推廣應(yīng)用前景。其中直流電子負載帶有光電隔離的串行通信接口,可實現(xiàn)程序控制,并可任意多個擴展,可任意多個擴展,擴展電流范圍為N×240A(N為擴展數(shù)量)。

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