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10 kA 強直流電流標準源的研制

作者:  瀏覽量:3677  發布時間:2016-06-24

鄧 文  孫 宇  陳 蘭  馮 路

(長沙天恒測控技術有限公司,湖南 長沙 410100)

 文中研制的 10 kA 強直流電流標準源由 18  600 A 電流源并聯至匯流排進行大電流輸出其精度達 100  ppm/a該標準源采用了新型寬頻直流比較儀技術開關電源并聯的分布式電源系統以及全面的過壓過流電流開路保護系統等通過實驗對 600 A 源進行性能測試其短期穩定性均保持在 10 ppm/min 水平該標準源具有高精度高安全性操作智能化檢定自動化等優點為建立直流大電流量值傳遞體系和檢測規范提供了依據

關鍵詞10 kA 強直流電流標準源寬頻直流比較儀開關電源保護系統量值傳遞

中圖分類號TM93  

文獻標識碼A

 

   直流大電流廣泛應用于電力系統工業生產航天航空高鐵機車等重要行業核動力金屬電解高能物理等科學研究中也需要用到數千安甚至更大的電流當前直流大電流測量方法包括分流器法直流互感器法電流比較器法霍爾電流傳感器等磁學方法直流大電流測量的準確性會直接影響到直流電能的計量

   在國內直流大電流量值傳遞體系一直沒有建立對于高效節能更是無從談起本文提出的強直流電流標準源電流最大輸出能力為 10 kA年變化率 100 ppm/a其內核由高穩定度調節源和寬頻電流比較儀構成短期穩定度達 10 ppm/min為建立直流大電流計量量值傳遞體系和檢測規范提供了依據

 

1. 10 kA 強直流電流標準源

1.1 標準源的主要特點

1標準源由計算機軟件操作臺18  600 A 電流源電壓測量模塊等組成最大輸出 10 kA連續可調允許輸出最大電壓 4 V

218 路獨立電流源18 路電流源可單獨控制系統架構靈活電流輸出范圍0~600 A輸出穩定度0.002%/min年準確度0.005%調節細度0.005%

3采用多個開關電源并聯的分布式電源系統具有輸出容量大效率高高可靠性等優點是保證大電流輸出主要因素采用的開關電源不僅能滿足 EN/UL60601 等安全標準的要求包括對低漏電流和強化隔離的要求),還滿足電磁干擾EMI級要求可以保證輸出功率達到最大額定功率的 50%

4可靠的保護系統具有全面的過壓過流電流開路保護系統若其中某一路電流源出現故障不會影響其他電流源正常工作

 

1.2 10 kA 標準源

主要特點介紹

1計算機自動檢測軟件通過 RS232 與下位機進行數據通信進行數據處理報表打印數據保存等

2操作臺是硬件裝置同計算機通訊的橋梁它既可以連接計算機進行全自動檢定也可以脫離計算機軟件單獨控制硬件進行半自動檢定

318 路電流源是整套系統的核心32位微處理器EEPROMFPGA開關電源PWM驅動及功放模塊電流比較儀A/DD/A各類通訊接口按鍵報警電源模塊等組成

4匯流排起到匯流母線作用由較厚的銅板制作而成散熱快可承受順時大電流

2. 600 A 電流源

單臺電流源的精度是保證整套裝置作為大電流計量標準的關鍵下文將分析單臺 600 A 電流源的原理及技術難點

2.1 工作原理

1電源部分220 V 市電一方面通過變壓器變成直流電壓給整個系統供電另一方面進行整形濾波變成直流大電源再通過 PWM 進行脈沖調制輸出

2直流電流輸出控制32 位微處理器接收到操作臺命令后通過 SPI 通信接口傳送至 FPGAFPGA 再控制 D/A數模轉化器輸出一個電壓基準信號傳送至積分器此信號與反饋信號傳送至積分器經過時間τ輸出一個穩定的電壓信號該電壓信號控制脈寬調制器 PWM 生成方波信號的幅值方波信號通過功率放大器后驅動電流功放模塊輸出直流大電流電流經濾波后流經寬頻直流比較儀寬頻比較儀將該大電流按設計好的比例標準二次轉換成小電流該小電流通過I/V轉換電路變成電壓信號此電壓信號一方面進入反饋電路反饋至積分器從而構成一個閉環負反饋系統另一方面進入 AD 采樣電路記錄當前實際輸出值系統平衡建立的時間不超過 μs

    表1

10ka
2.2 技術難點及解決方案 


  本系統中難點在于大電流的測量大電流測量精度直接影響到電流源的精度本系統采用新型直流比較儀測量電流能夠快速反饋電流變化建立磁平衡的時間不超過 μs而直流比較儀存在磁性和容性兩種誤差磁性誤差是由鐵心磁導率不均勻磁特性的非線性鐵心截面不一致原副繞組分布不均勻以及外界雜散磁場的影響引起的可以采用高磁通密度材料制成的主磁屏蔽和高磁導率材料制成的內屏蔽將誤差減小至 1×10-8容性誤差是由于繞組線匝之間繞組與繞組之間以及繞組對地之間存在寄生電容和電位差使得它們之間產生相應的漏電流引起的可以采用靜電屏蔽減小誤差對于測量線路誤差主要是減少補償繞組漏阻補償繞組選用截面較大的銅絕緣導線繞組減少對補償繞組電流測量的影響寬頻直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成IP 為直流大電流W1為激勵繞組W2 為檢測繞組W3 為補償繞組其中鐵芯 由高導磁率軟磁材料制作鐵芯 由低導磁率鐵氧體材料制作實現原理激勵源激勵鐵芯  BW2繞組檢測信號通過二次諧波帶通濾波電路檢測二次諧波信號通過解調器得到直流信號經過前置放大器將信號放大來控制伺服電流源輸出電流至 W3 補償繞組經過不斷調整使得使得鐵芯1和鐵芯2達到磁平衡狀態系統平衡建立的時間不超過 μs通過標準電阻 進行電流采樣測試得到 U計算出補償繞組電流根據繞組匝數比計算出 IP 同時此信號可作為報警信號等狀態信號

U = N×IP

式中N為比例常數

Q1

寬頻直流比較儀

結語

  本文提出的 10 kA 強直流電流標準源精度高具有全面的過壓過流保護安全可靠計算機專用軟件實現靈活的數據管理并導出不同格式的測試報告為直流大電流量值傳遞體系的建立提供依據

 

參考文獻

1邵海明國家直流大電流計量標準研究 [J]. 中國計量201403.

2揭秉信大電流測量 [M]. 北京機械工業出版社1987.

3趙憲寧高杰等開關電源模塊的并聯均流和冗余設計 [J]. 電磁場與微波2015.


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