张春香 胡文英 甘长英
天津电气科学研究院有限公司
摘要：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。
关键词：低压电器；检测；交流恒流源系统设计
0引言
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。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/T 14048.1《低压开关设备和控制设备第1部分:总则》和GB7251.1-2013《低压成套开关设备和控制设备第1部分:总则》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。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。
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。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。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AC380(1±10%)V，工作频率50±1Hz，输出———电流为单相或三相0.1In—In任意可调，输出频率40~60Hz且设定输出，相位角控制输出120度。单模块输出电流等级:50A、200A、400A、630A，多模块组合输出电流等级:0~3200A(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。
图1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200A为例，能输出AC0—200A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AC200A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1200A。也可3台设备并联使用，组合成ABC三相电源，最大输出电流三相400A。该电源还可于其它相同功能的恒流源并联使用。
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220V交流电通过整流变成300V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。
频率相位跟踪模块电路原理图，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±5mV的调整之用。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300ms的时间，连续校准时可在±3μV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。
3结束语
基于单片机控制的高稳定交流恒流源，它的输出电流可在0~200A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，可实际应用于各种低压电器的校验和型式试验等场合。
参考文献
[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.