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備提供直流供電電源，它的好壞直接關系電子設備的正常使用及技術性能有效發(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)壓電源中所關注的源效應和負載效應。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　硬件設計

2.1　直流電子負載設計

直流穩(wěn)壓電源作為一個常規(guī)的電子設備，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)，設計方案如圖3。

圖3　直流電子負載設計方案框圖

圖4　智能電網(wǎng)調(diào)整器設計方案框圖

2.2　智能電網(wǎng)調(diào)整器設計

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)過程復雜。現(xiàn)采用無線控制器及智能調(diào)壓電路構成，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，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，便撞擊相應的限位開關，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，設計方案框圖如圖5所示。

圖5　采樣測量模塊設計方案框圖

2.3.2紋波電壓測量模塊設計

模塊由紋波電壓采樣單元構成，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，設計方案框圖如圖6所示。

圖6紋波電壓測量模塊設計方案框圖

2.3.3控制單元設計

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)，其設計原理框圖如圖7所示。

圖7　控制單元設計方案框圖

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　軟件設計

軟件編制任務主要包括計量校準、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限設置及密碼管理。

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)壓電源技術要求與本裝置技術指標比較見表4。

表1直流電子負載測試數(shù)據(jù)

恒壓模式恒流模式設置值(V)標準值(V)實際誤差%最大允許誤差%結(jié)論設置值(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要求與本裝置技術指標比較表

直流穩(wěn)壓電源檢定項目直流穩(wěn)壓電源一般技術要求穩(wěn)壓電源自動檢定裝置技術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)。

[1]楊雙龍.基于高低壓電源切換的雙環(huán)恒流控制電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)[J].計量學報，2011，32(3)

[2]王翠珍.DC-DC正負雙電源的設計[J].計量技術，2002(6)

[3]國家質(zhì)量技術監(jiān)督局.JJG 6—1999《直流穩(wěn)壓電源檢定規(guī)程》.北京：中國計量出版社，1999

[4]王昕，汪至中，姜學東．有源逆變在大功率電子負載上的應用[J].機車電傳動，2001(3)

[5]常新華等.電子測量儀器技術手冊[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1992

[6]胡松濤．自動控制原理[M]．北京：科學出版社，2001

[7]羅花鋒.各種穩(wěn)壓電源檢定方法探討[J].儀器儀表標準化與計量，2006(3)

[8]朱貴憲.基于單片機的穩(wěn)壓電源設計[J].自動化與儀表，2011(6)

[9]李鑫.變頻電源校準方法研究[J].計量技術，2010(8)

[10]張玉平.基于MATLAB的電力機車110伏直流穩(wěn)壓電源仿真研究[J].成都電子機械高等?？茖W校學報，2008(3)

[11]張崇巍，張興．PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003