張 昊，謝秋慧，蔡春皓，傅培剛，趙 勇，鄭 輪

（上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海200002）

0 引言

我國(guó)的城鄉(xiāng)改造過(guò)程中對(duì)低壓斷路器市場(chǎng)需求一直保持著高增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)用戶對(duì)這類產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高，同時(shí)這類產(chǎn)品的進(jìn)出口的規(guī)模也在日益擴(kuò)大，因此設(shè)計(jì)一套具有先進(jìn)測(cè)試功能的低壓斷路器延時(shí)特性檢測(cè)平臺(tái)對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的檢測(cè)工作的開展具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義［1-2］。低壓斷路器屬于傳統(tǒng)的低壓電器，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家眾多，每個(gè)廠商的檢測(cè)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)都不同，因此由國(guó)家相關(guān)部門制定和完善相關(guān)產(chǎn)品的檢測(cè)工作對(duì)于提高行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)范市場(chǎng)有很大的意義。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《家用及類似場(chǎng)所用過(guò)電流保護(hù)斷路器》（GB 10963.1-2005）和《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器》（GB14048.2），這兩個(gè)國(guó)標(biāo)分別是在國(guó)際電工委員的標(biāo)準(zhǔn)IEC 60898-1 和IEC947-2 的基礎(chǔ)上制定的，是目前該大類產(chǎn)品的主要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)已經(jīng)制定和完善的基礎(chǔ)上，支持檢測(cè)工作的硬件基礎(chǔ)條件的開發(fā)就變得十分重要。傳統(tǒng)檢測(cè)方法是將調(diào)壓器和變壓器相結(jié)合，該方案［3-4］為這類產(chǎn)品檢測(cè)提供基本思路。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要依靠機(jī)械調(diào)壓設(shè)備，也就是自耦式調(diào)壓器，設(shè)備為了穩(wěn)定輸出電流需要通過(guò)電機(jī)不停調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，這種情況下調(diào)壓器電刷非常容易損壞。因此，為了滿足這類產(chǎn)品的檢測(cè)需求，一些新的測(cè)試方案［5-8］被提出來(lái)，基本的思想也是基于電源產(chǎn)品。文獻(xiàn)［9-11］提出了低壓斷路器的生產(chǎn)檢測(cè)自動(dòng)化的方案。本研究提出將一種數(shù)控恒流電源技術(shù)應(yīng)用到低壓斷路器的過(guò)流檢測(cè)試驗(yàn)中。

此外，在走訪相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，過(guò)流檢測(cè)設(shè)備的功耗普遍較大，這些設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中處于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。本研究一方面提出將數(shù)控電源應(yīng)用到這個(gè)檢測(cè)領(lǐng)域，另一方面提出采用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)以最大程度地減小設(shè)備整機(jī)功耗。

1 檢測(cè)電源部分

系統(tǒng)的電源部分替代目前傳統(tǒng)的自耦式調(diào)壓檢測(cè)產(chǎn)品，不僅使檢測(cè)結(jié)果擺脫了電網(wǎng)的干擾，而且提高了檢測(cè)設(shè)備的壽命。

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本研究闡述的低壓斷路器數(shù)字檢測(cè)平臺(tái)主電路部分主要由數(shù)字電源主機(jī)和特種降壓變壓器組成。其中特種降壓變壓器部分是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的非標(biāo)變壓器，該非標(biāo)變壓器的原副邊匝數(shù)比在100∶1以上。該變壓器在原邊輸入額定220 V 電壓的條件下，副邊輸出電壓在幾伏但是輸出電流可以高達(dá)幾千安培，滿足幾乎所有系列的低壓斷路器的檢測(cè)要求。特種變壓器的副邊通常只有幾匝，因此變壓器的原副邊很難設(shè)計(jì)精確的匝數(shù)關(guān)系，但是通過(guò)前端數(shù)控電源的技術(shù)可以彌補(bǔ)變壓器匝數(shù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

同時(shí)，數(shù)控電源的檢測(cè)反饋回路也是設(shè)計(jì)的一大關(guān)鍵，直接關(guān)系到檢測(cè)工作的準(zhǔn)確性。電流檢測(cè)回路采用霍爾式電流傳感器直接進(jìn)行電流信號(hào)的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)電流大于2 000 A以上考慮到設(shè)備的成本將會(huì)采用電流互感器，普通的DSP（例如DSP2812）的12 位以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路都可以滿足這樣的設(shè)計(jì)要求。傳感器輸出電流信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D采樣電路線性比例放大為DSP 的A/D 輸入引腳所能識(shí)別的電壓信號(hào)，再由DSP內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字處理系統(tǒng)可以識(shí)別的數(shù)字量。電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)入到DSP 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算得到電氣檢測(cè)所需的結(jié)果，這些結(jié)果會(huì)通過(guò)通信總線傳輸?shù)揭訟RM 為核心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，上述通信總線可以是UART（SCI）通訊總線，也可以是I2C 通訊總線。由于以DSP 數(shù)字處理芯片可以擴(kuò)展的存儲(chǔ)空間非常有限，需要ARM 擴(kuò)展系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理能力。

圖1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)建模

低壓斷路器數(shù)字檢測(cè)平臺(tái)主要的技術(shù)方案可以概括為控?cái)?shù)控電源的輸出電壓使得降壓變壓器副邊繞組的輸出電流穩(wěn)定在所需電流值。那么在分析這一單輸入單輸出控制系統(tǒng)之前，本研究可以明確變壓器副邊繞組的輸出電流為系統(tǒng)的輸出，同時(shí)來(lái)自ARM系統(tǒng)的電流給定信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入。

電源系統(tǒng)控制信號(hào)流程圖如圖2所示。電源控制系統(tǒng)分為3 個(gè)部分：①控制對(duì)象；②軟件控制器；③反饋支路。控制對(duì)象描述的是圖1中從逆變器兩組橋臂輸出端到變壓器二次側(cè)輸出電流電路變換過(guò)程。反饋支路描述的是圖1 中輸出電流信號(hào)從互感器出來(lái)，經(jīng)過(guò)采樣調(diào)理，經(jīng)過(guò)控制器數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADc），最后通過(guò)有效值算法（RMS）轉(zhuǎn)化為確定數(shù)字量的過(guò)程。軟件控制系統(tǒng)描述的DSP2812 內(nèi)數(shù)字算法，其中kpwm是描述控制器中數(shù)字量轉(zhuǎn)換到逆變器橋臂輸出電壓的等效參數(shù)。

圖2 電源系統(tǒng)控制信號(hào)流程圖

由于筆者采用了有效值算法，整個(gè)開環(huán)系統(tǒng)的控制器整定就從交流系統(tǒng)的整定轉(zhuǎn)換為直流系統(tǒng)的整定，大大減小了PID 參數(shù)的整定難度。檢測(cè)電流的有效值通過(guò)反饋支路輸入到控制器數(shù)字處理系統(tǒng)中，與電流給定信號(hào)相減輸入到PID 校正器，PID 校正器的輸出可以直接校正數(shù)控電源的輸出電壓，校正的算法是采用增量法的形式保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 中控制對(duì)象中檢測(cè)開關(guān)的內(nèi)阻Rk是隨通電電流大小、通電時(shí)間和被檢測(cè)斷路器溫度波動(dòng)的一個(gè)非線性干擾因素，除此之外三相市電的波動(dòng)和電源控制中的“死區(qū)效應(yīng)”也是圖2所示控制系統(tǒng)的主要干擾源。方案主要通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制器來(lái)降低這些干擾源的影響程度。

由于斷路器的過(guò)熱保護(hù)幾乎只和所通過(guò)電流的有效值有關(guān)，雖然采樣信號(hào)是一個(gè)交流信號(hào)，但是反饋信號(hào)需要是一個(gè)有效值信號(hào)代表了所檢測(cè)電流大小的有效值。反饋回路有效值算法的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到檢測(cè)平臺(tái)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。由交流檢測(cè)信號(hào)獲得有效值，本研究提出兩個(gè)算法：第一個(gè)算法是真有效值算法；第二個(gè)算法是基于TI公司DSP的IQmath有效值算法。式（1）給出了連續(xù)的有效值基本計(jì)算公式，而式（2）是其離散形式，本研究可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)開平方根的運(yùn)算出現(xiàn)在有效值計(jì)算中，這也是上述兩種計(jì)算方法的主要區(qū)別。

式（3，4）給出了真有效值算法的連續(xù)和離散形式，從其離散形式可以看出主要通過(guò)上一次計(jì)算的有效值結(jié)果和平方和累加結(jié)果的平均值來(lái)計(jì)算這一次有效值結(jié)果，從而完全避免復(fù)雜開平方根運(yùn)算。而誤差的主要來(lái)源也是相鄰兩次計(jì)算的有效值結(jié)果之差，總的來(lái)講這個(gè)算法的初始誤差比較大，動(dòng)態(tài)特性也一般，但是該算法針對(duì)穩(wěn)定交流信號(hào)的有效值計(jì)算還是非常有效的。

Remark 2.The natural frequency of each section of the EHA system is not the main reason restricting the dynamic characteristic,and the natural frequency of the motor-pump group is the poorest section of all.

第二種基于TI 公司DSP 的IQmath 有效值算法可以支持開平方根運(yùn)算，因此算法的精度和實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)高于真有效值算法。和真有效值算法一樣，這一算法需要設(shè)定DSP的數(shù)據(jù)空間內(nèi)設(shè)定一個(gè)數(shù)組，數(shù)組長(zhǎng)度為工頻除以采樣頻率的商。算法一開始需要對(duì)數(shù)組進(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作，這部分軟件的效率直接關(guān)系到采樣頻率，而采樣頻率越高顯然整個(gè)檢測(cè)的精度也就越高。

完成了數(shù)組進(jìn)棧和出棧操作后，按照式（5）所示的算法進(jìn)行，而調(diào)用了IQmath庫(kù)的除法和開平方根運(yùn)算的執(zhí)行周期在126 個(gè)機(jī)器周期，以150 MHz 的DSP28335 為例，該算法的運(yùn)行時(shí)間小于1 ms，可以有效提高檢測(cè)電流的響應(yīng)時(shí)間。

3 檢測(cè)壓機(jī)設(shè)計(jì)

除了電源部分外，還包括檢測(cè)壓機(jī)的設(shè)計(jì)，主要目的是通過(guò)機(jī)械部分的驅(qū)動(dòng)使得被檢測(cè)的斷路器產(chǎn)品與恒流源主回路可靠連接，且使接觸電阻和回路阻抗足夠小，提高檢測(cè)的自動(dòng)化水平和保證檢測(cè)人員安全。

低壓斷路器延時(shí)檢測(cè)過(guò)程就是在被檢測(cè)開關(guān)產(chǎn)品兩端施加大電流的過(guò)程，而大電流主要依靠降壓變壓器二次側(cè)輸出。檢測(cè)電路的二次主回路總的阻抗包括兩部分：第一部分是斷路器本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的阻抗（包括觸頭、觸點(diǎn)、脫扣器線圈和加熱元件等），第二部分是降壓變壓器繞組和銅排引線引起的阻抗效應(yīng)。第一部分的阻抗就是被檢測(cè)電路部分，設(shè)備根據(jù)第一部分阻抗的變化調(diào)整輸出電流，而第二部分的阻抗是需要一次側(cè)提供更高的輸出電壓和功率，大大增加了檢測(cè)過(guò)程的功耗，降低了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。變壓器二次側(cè)是低壓大電流特性，檢測(cè)電路的二次主回路總的阻抗不會(huì)超過(guò)5 mΩ。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)中的過(guò)流檢測(cè)設(shè)備中變壓器的二次線路都偏長(zhǎng)，二次大部分壓降都是由變壓器及銅排引線的漏抗引起的壓降。本研究提出了一種新型的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，下面詳細(xì)介紹一下。

檢測(cè)平臺(tái)機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來(lái)講，本研究將檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)分為機(jī)械部分和電源部分分開考慮。圖3是機(jī)械部分主要功能的示意圖，即通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)將被檢測(cè)斷路器的同一相兩個(gè)接線端子接入主回路，即圖3 中A，X兩個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)（圖2 和圖3 中的A，X兩個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)具有相同意義）。通過(guò)前期的試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，圖2 和圖3 中A，X兩個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)的接觸面的壓緊程度與這個(gè)接觸面的接觸電阻成一定的反比例關(guān)系，因此需要有一定的壓緊機(jī)制使得被檢測(cè)斷路器與主回路可靠連接?？紤]到自動(dòng)化檢測(cè)的需要，未采用手動(dòng)旋緊螺絲桿的壓緊方案；也未采用電動(dòng)旋緊絲桿的壓緊的方案；機(jī)械部分就需要選擇昂貴的絲桿，設(shè)計(jì)難度也非常大，因其容易磨損絲桿；而是采取了“氣缸驅(qū)動(dòng)”的方案。本研究通過(guò)空氣壓縮機(jī)提供的氣源驅(qū)動(dòng)氣缸將兩個(gè)導(dǎo)電壓塊壓在測(cè)試臺(tái)“彈簧式導(dǎo)電塊”與被檢測(cè)開關(guān)的接線端子上，即將變壓器副邊主回路AX接通，在可靠接通的條件下，電源部分會(huì)起動(dòng)使得變壓器副邊主回路產(chǎn)生所需的大電流。

圖3 檢測(cè)平臺(tái)機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了解決上述問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種新型的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，盡量減小了變壓器二次側(cè)檢測(cè)回路的阻抗，特別是縮短了二次側(cè)的引線長(zhǎng)度。檢測(cè)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)工程圖如圖4所示。該方案巧妙將降壓變壓器安裝到升降臺(tái)上，利用降壓變壓器的自身重量（一般來(lái)講這類變壓器的重量達(dá)到十幾千克以上）一方面可以有效的節(jié)省氣缸壓力，另一方面氣缸與被測(cè)斷路器產(chǎn)品具有非常近的距離，從變壓器端口到被測(cè)開關(guān)的位置總的電流傳輸路徑只有20 cm。該設(shè)計(jì)有效減小了檢側(cè)所需的功率，提高了檢測(cè)效率。此外，本研究在設(shè)計(jì)中配套了主汽缸和副氣缸兩個(gè)壓力源：在開始檢測(cè)后，主汽缸首先下壓，使變壓器引線銅排非常接近被檢測(cè)的斷路器，然后再使副氣缸下壓提供最大下壓力，減小檢測(cè)回路與斷路器的接觸阻抗。

圖4 檢測(cè)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)工程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究通過(guò)規(guī)格為400 V、800 A的低壓斷路器產(chǎn)品的檢測(cè)，驗(yàn)證了上述檢測(cè)方法和壓機(jī)設(shè)計(jì)的有效性。

逆變器輸出電壓U1波形和輸出電流I1波形如圖5所示，電流有效值為1 000 A。圖5 中電流電壓波形相位基本一致，功率因素接近于1 由于采用了特殊的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，有效減小了系統(tǒng)中降壓變壓器二次側(cè)的漏感分量和銅排引線電感。

圖5 一次側(cè)輸出電壓與二次側(cè)電流波形圖

電流波形及FFT 分析結(jié)果顯示由降壓變壓器二次側(cè)的電流I2只包含50 Hz的分量和奇數(shù)次諧波分量如圖6所示，3 次諧波分量比例為小于1%，波形為THD 小于3%的正弦波。電源設(shè)備的實(shí)物樣機(jī)如圖7所示。

圖6 電流波形及FFT分析結(jié)果

圖7 數(shù)控電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究所介紹的應(yīng)用于低壓斷路器過(guò)流檢測(cè)方案，主要涉及電源的數(shù)控技術(shù)和氣壓技術(shù)兩方面。一方面，該方案采用數(shù)控電源技術(shù)，相比傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)壓方案，有效提高了整個(gè)設(shè)備壽命和抗干擾性；另一方面，該方案采用新型壓機(jī)結(jié)構(gòu)減小了檢測(cè)功耗，提高了檢測(cè)結(jié)果可靠性。

本研究闡述了電源的數(shù)字控制模型與系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖之間的關(guān)系，闡述了新型壓機(jī)結(jié)構(gòu)減小檢測(cè)功耗的原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)波形說(shuō)明變壓器二次側(cè)功率因數(shù)為1，同時(shí)也說(shuō)明了方案降低功耗的有效性。本研究通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)備的介紹和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該檢測(cè)方案能夠有效的減小檢測(cè)功耗，提高檢測(cè)精度，新型檢測(cè)設(shè)備的壽命相比傳統(tǒng)設(shè)備壽命更長(zhǎng)。

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