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10 kA 强直流电流标准源的研制

作者:  浏览量:1953  发布时间:2016-06-24

邓 文  孙 宇  陈 兰  冯 路

(长沙天恒测控技术有限公司,湖南 长沙 410100)

 文中研制的 10 kA 强直流电流标准源由 18  600 A 电流源并联至汇流排进行大电流输出其精度达 100  ppm/a该标准源采用了新型宽频直流比较仪技术开关电源并联的分布式电源系统以及全面的过压过流电流开路保护系统等通过实验对 600 A 源进行性能测试其短期稳定性均保持在 10 ppm/min 水平该标准源具有高精度高安全性操作智能化检定自动化等优点为建立直流大电流量值传递体系和检测规范提供了依据

关键词10 kA 强直流电流标准源宽频直流比较仪开关电源保护系统量值传递

中图分类号TM93  

文献标识码A

 

   直流大电流广泛应用于电力系统工业生产航天航空高铁机车等重要行业核动力金属电解高能物理等科学研究中也需要用到数千安甚至更大的电流当前直流大电流测量方法包括分流器法直流互感器法电流比较器法霍尔电流传感器等磁学方法直流大电流测量的准确性会直接影响到直流电能的计量

   在国内直流大电流量值传递体系一直没有建立对于高效节能更是无从谈起本文提出的强直流电流标准源电流最大输出能力为 10 kA年变化率 100 ppm/a其内核由高稳定度调节源和宽频电流比较仪构成短期稳定度达 10 ppm/min为建立直流大电流计量量值传递体系和检测规范提供了依据

 

1. 10 kA 强直流电流标准源

1.1 标准源的主要特点

1标准源由计算机软件操作台18  600 A 电流源电压测量模块等组成最大输出 10 kA连续可调允许输出最大电压 4 V

218 路独立电流源18 路电流源可单独控制系统架构灵活电流输出范围0~600 A输出稳定度0.002%/min年准确度0.005%调节细度0.005%

3采用多个开关电源并联的分布式电源系统具有输出容量大效率高高可靠性等优点是保证大电流输出主要因素采用的开关电源不仅能满足 EN/UL60601 等安全标准的要求包括对低漏电流和强化隔离的要求),还满足电磁干扰EMI级要求可以保证输出功率达到最大额定功率的 50%

4可靠的保护系统具有全面的过压过流电流开路保护系统若其中某一路电流源出现故障不会影响其他电流源正常工作

 

1.2 10 kA 标准源

主要特点介绍

1计算机自动检测软件通过 RS232 与下位机进行数据通信进行数据处理报表打印数据保存等

2操作台是硬件装置同计算机通讯的桥梁它既可以连接计算机进行全自动检定也可以脱离计算机软件单独控制硬件进行半自动检定

318 路电流源是整套系统的核心32位微处理器EEPROMFPGA开关电源PWM驱动及功放模块电流比较仪A/DD/A各类通讯接口按键报警电源模块等组成

4汇流排起到汇流母线作用由较厚的铜板制作而成散热快可承受顺时大电流

2. 600 A 电流源

单台电流源的精度是保证整套装置作为大电流计量标准的关键下文将分析单台 600 A 电流源的原理及技术难点

2.1 工作原理

1电源部分220 V 市电一方面通过变压器变成直流电压给整个系统供电另一方面进行整形滤波变成直流大电源再通过 PWM 进行脉冲调制输出

2直流电流输出控制32 位微处理器接收到操作台命令后通过 SPI 通信接口传送至 FPGAFPGA 再控制 D/A数模转化器输出一个电压基准信号传送至积分器此信号与反馈信号传送至积分器经过时间τ输出一个稳定的电压信号该电压信号控制脉宽调制器 PWM 生成方波信号的幅值方波信号通过功率放大器后驱动电流功放模块输出直流大电流电流经滤波后流经宽频直流比较仪宽频比较仪将该大电流按设计好的比例标准二次转换成小电流该小电流通过I/V转换电路变成电压信号此电压信号一方面进入反馈电路反馈至积分器从而构成一个闭环负反馈系统另一方面进入 AD 采样电路记录当前实际输出值系统平衡建立的时间不超过 μs

    表1

10ka
2.2 技术难点及解决方案 


  本系统中难点在于大电流的测量大电流测量精度直接影响到电流源的精度本系统采用新型直流比较仪测量电流能够快速反馈电流变化建立磁平衡的时间不超过 μs而直流比较仪存在磁性和容性两种误差磁性误差是由铁心磁导率不均匀磁特性的非线性铁心截面不一致原副绕组分布不均匀以及外界杂散磁场的影响引起的可以采用高磁通密度材料制成的主磁屏蔽和高磁导率材料制成的内屏蔽将误差减小至 1×10-8容性误差是由于绕组线匝之间绕组与绕组之间以及绕组对地之间存在寄生电容和电位差使得它们之间产生相应的漏电流引起的可以采用静电屏蔽减小误差对于测量线路误差主要是减少补偿绕组漏阻补偿绕组选用截面较大的铜绝缘导线绕组减少对补偿绕组电流测量的影响宽频直流比较仪由双铁芯叠加绕线而成IP 为直流大电流W1为激励绕组W2 为检测绕组W3 为补偿绕组其中铁芯 由高导磁率软磁材料制作铁芯 由低导磁率铁氧体材料制作实现原理激励源激励铁芯  BW2绕组检测信号通过二次谐波带通滤波电路检测二次谐波信号通过解调器得到直流信号经过前置放大器将信号放大来控制伺服电流源输出电流至 W3 补偿绕组经过不断调整使得使得铁芯1和铁芯2达到磁平衡状态系统平衡建立的时间不超过 μs通过标准电阻 进行电流采样测试得到 U计算出补偿绕组电流根据绕组匝数比计算出 IP 同时此信号可作为报警信号等状态信号

U = N×IP

式中N为比例常数

Q1

宽频直流比较仪

结语

  本文提出的 10 kA 强直流电流标准源精度高具有全面的过压过流保护安全可靠计算机专用软件实现灵活的数据管理并导出不同格式的测试报告为直流大电流量值传递体系的建立提供依据

 

参考文献

1邵海明国家直流大电流计量标准研究 [J]. 中国计量201403.

2揭秉信大电流测量 [M]. 北京机械工业出版社1987.

3赵宪宁高杰等开关电源模块的并联均流和冗余设计 [J]. 电磁场与微波2015.


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