趙 琛，劉維亭，魏海峰

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

低壓電器檢測用交流恒流源系統(tǒng)設(shè)計

趙 琛，劉維亭，魏海峰

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

為了進行低壓電器中低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的型式試驗，提高檢測效率和提升檢測平臺，提出一套模塊化結(jié)構(gòu)的低壓電器產(chǎn)品檢測裝置，充分結(jié)合數(shù)字信號處理、電力電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等新技術(shù)，將溫升檢測功能、介電性能檢測功能、保護電路有效性、電氣間隙和爬電距離等功能集于一體，采用可編程控制器，實現(xiàn)檢測裝置的模塊化組合，在PID控制理論下能夠輸出精確的交流電流，并進行現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的采集、處理，通過網(wǎng)絡(luò)通訊對檢測數(shù)據(jù)實時傳輸。實踐表明，本設(shè)計具有速度快、精度高、實用性強等特點。

低壓電器；交流恒流源；檢測；模塊化結(jié)構(gòu)；PID控制

為保證電力系統(tǒng)的輸、配電及電能轉(zhuǎn)換正常、高效、節(jié)能工作，低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的質(zhì)量起到關(guān)鍵的作用，而通過高精度恒流源來進行溫升、電流源熱循環(huán)等型式試驗是保證成套開關(guān)設(shè)備在電力系統(tǒng)中可靠、穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行的必要技術(shù)措施和手段[1]。交流恒流源是電器性能測試或試驗的核心組件，其精確度和穩(wěn)定性直接影響到整個系統(tǒng)的運行結(jié)果。在低壓電器行業(yè)應用于溫升、電流熱循環(huán)、延時熱脫扣等試驗中時，市場上的恒流源在精度、穩(wěn)定性、幅值、相位、價格等方面無法同時滿足要求。本文所論述的低壓成套設(shè)備檢測用的交流恒流源是一種可對低壓電器型式試驗進行遠程控制與記錄、實驗狀態(tài)實時監(jiān)控、實現(xiàn)多種自動保護和故障檢測、處理功能、模塊化設(shè)計的交流恒流源結(jié)構(gòu)。

根據(jù)GB 14048.1《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則》和GB 7251.1-2013《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：型式試驗和部分型式試驗成套設(shè)備》的要求，文中采用自主研發(fā)控制軟件，搭建了以DSP處理器為核心控制的實驗裝置[2]。裝置系統(tǒng)主要有DSP最小系統(tǒng)、電壓電流采集模塊、整流模塊、橋式逆變模塊、換能模塊、頻率相位跟蹤模塊、誤差控制模塊。通訊顯示檔位控制處理模塊等。試驗通過改變不同的參考電流，來研究交流恒流源三相的頻率與相位誤差。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

本論文設(shè)計了基于單片機的數(shù)控恒流源，該系統(tǒng)由恒流源主電路和單片機最小系統(tǒng)組成，其中單片機最小系統(tǒng)主要由單片機控制單元、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊以及負載及鍵盤顯示模塊組成[3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

選用自主研發(fā)的控制軟件，采用以DSP型處理器為控制核心，實現(xiàn)多種自動保護和故障監(jiān)測、處理功能[4]。AD采樣處理模塊對系統(tǒng)輸入采樣信號進行采樣，寫入運行參數(shù)數(shù)組供其他模塊使用，并利用修正系數(shù)對采樣進行校準處理。主控與故障檢測模塊根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否故障，并完成系統(tǒng)故障檢測和保護處理[5]。通訊顯示檔位控制處理模塊主要處理通訊接口、人機界面顯示及檔位控制、異常處理等，采用ARM-CortexM3處理器，內(nèi)置嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），應用軟件采用C語言編寫。

圖1 單片機最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2所示為電子式交流恒流源實物圖，系統(tǒng)主要由DSP最小系統(tǒng)板驅(qū)動IGBT電路、電流采集電路、整流逆變?yōu)V波電路等。1-顯示屏操作板，2-工作電源（輔助電源），3-一體化變壓器、電抗器，，4-電流互感器，5-風扇，6-電流采集板，7-DSP系統(tǒng)板 ，8-整流逆變?yōu)V波電路，9-IGBT驅(qū)動板，10-電子開關(guān)，

技術(shù)指標：輸入——工作電源三相四線AC 380（1±10%）V，工作頻率50±1 Hz，輸出——電流為單相或三相0.1In—In任意可調(diào)，輸出頻率40～60 Hz且設(shè)定輸出，相位角控制輸出120度。單模塊輸出電流等級：50 A、200 A、400 A、630 A，多模塊組合輸出電流等級：0～3 200 A（可向上擴展）； 具有短路、過載、空載、缺相、相序報警等保護功能，具有通訊、與后臺連接、實現(xiàn)遠程監(jiān)控等通信功能，精度在以內(nèi)[6]。

圖2 電子式交流恒流源實物圖

2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

恒流源由電子功放、RC型特種升流器、電子負載以及PLC模塊、觸摸屏等元件組成。以單模塊電流輸出等級200 A為例，能輸出AC0—200 A測試電流，通過電子調(diào)壓器無觸點調(diào)節(jié)，輸出電流準確、穩(wěn)定、響應快，從設(shè)定電流到穩(wěn)定輸出電流，只需0.5秒。為了滿足不同產(chǎn)品測試需求，恒流源專門設(shè)置了多檔電源的升流器，設(shè)置多個電壓、電流檔位。整個柜體電流系統(tǒng)由6臺AC 200A獨立恒流源組成，每臺配有獨立的操作開關(guān)、顯示屏等，可獨立操作，或者6臺并聯(lián)使用，最大輸出電流單相1 200 A。也可3臺設(shè)備并聯(lián)使用，組合成A B C三相電源，最大輸出電流三相400 A。該電源還可于其它相同功能的恒流源并聯(lián)使用。

電子式交流恒流源整體框圖如圖3所示。通過人機接口界面對電流值、頻率進行預置，整流（AC/DC）模塊將來自市電的220 V交流電通過整流變成300 V的直流電為后續(xù)的逆變電路提供能量，同時也為系統(tǒng)的其它電路提供輔助電源；逆變器模塊通過SPWM控制IGBT功率器件將直流信號變換成可控制幅度與相位的正弦交流信號提供給后級電壓——變流換能器（變壓器），通過采用高性能鐵芯的變壓器將逆變電路輸出的高壓小電流信號變換成低壓大電流信號提供給后級被測元件；頻率跟蹤模塊對參考信號的頻率及相位進行精確采樣，為后面的正弦信號發(fā)生器提供參考頻率和初始相位，確保逆變后的電流信號與參考信號一致，此處為恒流源能任意并聯(lián)使用的關(guān)鍵所在；輸出電壓采集模塊實時采集逆變模塊輸出的電壓信號，處理后反饋給后續(xù)的誤差控制模塊；輸出電流采集模塊通過精密電流互感器，實時采集實際輸出電流，處理后送后續(xù)電路進行顯示、反饋處理；正弦信號發(fā)生器模塊根據(jù)頻率相位跟蹤塊提供的信號產(chǎn)生與參考信號完全同頻率同相位的正弦信號提供給誤差控制模塊，同時正弦信號的幅度受輸出設(shè)定和PID控制模塊控制，通過PID算法運算后，實時控制正弦號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號幅度，從而使輸出電流與設(shè)定一致并恒流；誤差控制模塊將正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號與逆變輸出采樣的正弦信號進行誤差運算后，輸出給SPWM信號發(fā)生器，使逆變后的信號與設(shè)定信號相位頻率相同；來自誤差控制模塊的正弦信號與本模塊內(nèi)的三角波載率信號進行比較，產(chǎn)生SPWM波形，驅(qū)動IGBT功率器件，從而完成逆變過程；通訊顯示檔位控制處理模塊 主要處理通訊接口、人機界面顯示及檔位控制、異常處理等，采用ARM-CortexM3處理器，內(nèi)置嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），應用軟件采用C語言編寫。其中頻率相位跟蹤模塊是電子式恒流源保持相位、頻率同步需要克服的關(guān)鍵之處。多個模塊形成多個環(huán)路，配合微處理器，并結(jié)合一定的控制策略對輸出電流進行動態(tài)調(diào)整，從而構(gòu)成輸出電流的閉環(huán)控制，實現(xiàn)輸出電流值的恒定[7]。

圖3 交流恒流源系統(tǒng)總體框圖

頻率相位跟蹤模塊電路原理圖如圖4所示，在對來自互感器的參考信號的頻率及相位進行精確采樣，經(jīng)過兩對串聯(lián)二極管，保證中間引線的電壓保持在一個恒定的水平；放大器選用TI公司的高級LinEPIC自校準雙路運算放大器TLC4502，具有低輸入失調(diào)電壓飄移和高輸出驅(qū)動能力，并可在上電后失調(diào)電壓自動校準為零，TLC4502首先對參考信號進行A/D轉(zhuǎn)換、低通濾波、整形，然后再輸入到逐次漸進寄存器。校準失調(diào)使用電流方式數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），其滿度電流供給輸入失調(diào)電壓作大約±5 mV的調(diào)整之用[8]。在取的市電電壓信號、過零信號后，TLC4502自動校準放大器在片內(nèi)利用對數(shù)字與模擬信號的處理，通過與前者產(chǎn)生的參考信號進行比較調(diào)整，完成自動校準一般需要300 ms的時間，連續(xù)校準時可在±3 μV范圍內(nèi)反復進行，以此獲得交流電三相同步信號。通過同步信號發(fā)射器和STP的連接，便可實現(xiàn)多個電子式交流恒流源主從并聯(lián)產(chǎn)生大電流[9]。

圖4 頻率相位跟蹤模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制算法選擇

恒流源元件檢測過程是一個多參數(shù)相互耦合的時變非線性系統(tǒng)，影響電流檢測的精度因素很多，由于不同低壓電器產(chǎn)品以及不同的檢測方式和環(huán)境，使得其其試驗過程存在很大的隨機性，不能用精確的數(shù)學模型來描述，即使通過一些手段簡化系統(tǒng)后建立了對象的簡單數(shù)學模型，控制效果也不是很好[10-11]。另外，由于電流隨元件參數(shù)的變化而變化，要求控制算法的實時性高，控制過程較為復雜。因此，權(quán)衡各種控制方法的優(yōu)缺點，我們采用PID實現(xiàn)控制。標準的數(shù)字PID算法如下式所示：

上式的Kp為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，e（k）是輸入函數(shù)，u（k）為 KT 采樣時刻的輸出。

為了使用方便，節(jié)省空間，實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)字PID控制，采用增量式數(shù)字PID控制表達式：

3.2 程序設(shè)計思路

根據(jù)系統(tǒng)需要在此采用了模塊化程序設(shè)計法，按照硬件功能模塊將程序分解成模塊，然定義各個模塊的功能和對接口定義[12]。主程序流程圖如圖5所示。主控芯片DSP主要根據(jù)采集來的電流值，輸出一定頻率和占空比的脈沖來調(diào)整輸出電流。通過觸摸顯示屏對恒流源系統(tǒng)進行初始化后，通過采集電路采集到電流輸入到DSP的AD輸入口，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化得到電流值，和設(shè)定的期望電流值進行比較，并進行PID運算，由DSP改變輸出PWM波的占空比，不斷調(diào)節(jié)電流值，使電流值接近期望值[13-15]。

圖5 主程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測試與分析

為了驗證交流恒流源在低壓電器相關(guān)型式試驗（TTA）的檢測能否精確穩(wěn)定的進行，以交流低壓配電柜（低壓成套開關(guān)設(shè)備）產(chǎn)品型號：GGD主母線：In=400 A～10 A，Icw=10 kA；Ue=380 V，Ui=380 V；50 Hz；IP30為例來說明，而溫升試驗（水平溫升和垂直溫升）是電器送檢必做的一項基本型式試驗，故對常規(guī)檢查合格的GGD型交流低壓配電柜（單柜）進行水平溫升試驗的積木式倒輸入短路法連接，連接其主回路，通過交流恒流源的MCGS觸摸屏進行試驗系數(shù)校準，外接GEN2i數(shù)據(jù)采集瞬態(tài)記錄儀，通過GEN2i的GUI來觀察三相相位角是否穩(wěn)定。為了使電子式交流恒流源三相電相位角穩(wěn)定，需要通過同步信號發(fā)射器通訊互聯(lián)和鎖相環(huán)等，獲得最小相位差，為了比較預置電流和輸出電流之間的誤差，通過并聯(lián)兩臺200 A（設(shè)置主、從模式），再0～400 A間選定了15個測試點相比較，直到達到試驗所需溫升實驗所需進行的額定電流400 A。試驗記錄不同大小輸出電流值的精度，以及通過GEN2i記錄三相電流波形。圖6為A、B、C三相總電流相位誤。測量數(shù)據(jù)記錄如表1所示，其中ID為預置參考電流；I1為恒流源顯示總電流；I2為GEN2i數(shù)據(jù)采集瞬態(tài)記錄儀羅氏線圈測量得到的數(shù)據(jù)，相對誤差τ計算公式為相對誤差

圖6 A、B、C三相總電流相位誤差

由圖6可以看出三相最大誤差ΔX為248.9 μs，由表1可以看出，交流恒流源在10～400 A時，預置輸入?yún)⒖贾蹬cGEN2i羅氏線圈檢測到的顯示電流值存在一定偏差，除了小電流輸出誤差較大以外，總能能控制在1%左右，從整體趨勢來看且電流越接近額定值，穩(wěn)定性越好。因此，從整體試驗結(jié)果來看，恒流輸出是符合實際測量精度要求的。

5 結(jié) 論

基于單片機控制的高穩(wěn)定交流恒流源，它的輸出電流可在0～200 A任意設(shè)置，若根據(jù)型式試驗需求，可任意并聯(lián)組合，得到需要的輸出電流，且隨負載變化小，系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度得到了很大的提高[16]，可實際應用于各種低壓電器的校驗和型式試驗等場合。

表1 交流恒流源電流測試數(shù)據(jù)

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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稿件編號：201606215

質(zhì)檢總局科技成果轉(zhuǎn)化基地項目（T2015-JSQTS-0026）

趙 ?。?990—），男，湖北咸寧人，碩士研究生。研究方向：電氣自動化。