便攜式工頻恒流源裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杜彥巍，卞勝，孔衛(wèi)平，趙毅

(國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊050051)

摘要：介紹便攜式工頻恒流源裝置的結(jié)構(gòu)和功能，從單元方案、抗干擾等方面分析該裝置的關(guān)鍵技術(shù)，說明該裝置的應(yīng)用情況及效果，并提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：便攜式；工頻；恒流源；裝置；電力系統(tǒng)

收稿日期：2014-12-23

作者簡介：杜彥巍 (1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事繼電保護(hù)工作。

中圖分類號(hào)：TN86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1001-9898(2015)02-0004-02

Abstract:This paper introduces the structure and function of the portable constant current source device,analyzes the key techniques such as unit plan,EMI used on the device,introduces the filed application status of this portable current source and also gives the improvement suggestion.

Design and Application of Portable Power Frequency Constant Current Source Device

Du Yanwei,Bian Sheng,Kong Weiping,Zhao Yi

(State Grid Hebei Electric Power Company Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051，China)

Key words:portable;power frequency;constant current source;device;power system

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)中各種低壓電氣基礎(chǔ)元器件需求量大量增加。元件的可靠性高低直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性高低，因此對(duì)元件的可靠性進(jìn)行試驗(yàn)十分必要。

恒流源作為穩(wěn)定電源的分支，在電光源、電化學(xué)、通信、測量技術(shù)、電子儀器等方面被廣泛應(yīng)用，其作為一項(xiàng)技術(shù)在電源的研究領(lǐng)域中有很大的發(fā)展空間。在電子元件，如繼電保護(hù)裝置的試驗(yàn)、檢測應(yīng)用中，不同型號(hào)產(chǎn)品的額定參數(shù)及特性差別很大，經(jīng)常需要根據(jù)待測器件型號(hào)的不同，調(diào)整測量電路中的參數(shù)值。電力系統(tǒng)檢修工作中，常需要穩(wěn)定可靠的恒流源。目前，恒流裝置應(yīng)用最廣泛的為手動(dòng)式或數(shù)字式的交流恒流調(diào)節(jié)設(shè)備。目前的數(shù)字式恒流源裝置比手動(dòng)式恒流源裝置體積小，但還是不便于攜帶，需要外接電源。在電力系統(tǒng)檢修工作中，常常由于外接電源的限制導(dǎo)致使用受限。因此需要研究一種便攜緊湊式恒流源裝置，能夠提供1 A或5 A的恒流源，滿足電力系統(tǒng)需求。

1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)以單片機(jī)為中心，如圖 1所示。鍵盤(或觸摸屏)和LCD構(gòu)成人機(jī)接口；DSP和恒流源電路一起實(shí)現(xiàn)恒流輸出功能；DC-DC電源由鋰電池供電，轉(zhuǎn)換輸出合適的電壓為各部分電路供電；電源管理電路負(fù)責(zé)鋰電池電量檢測、充放電管理以及DC-DC電源的監(jiān)測與控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

a. 恒流源。恒流源的原理比較簡單，本質(zhì)上就是對(duì)輸出電流采樣再反饋到輸入端形成閉環(huán)控制。該裝置采用模擬電路直接實(shí)現(xiàn)，也可以對(duì)輸出電流作數(shù)字采樣，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算后控制放大電路的輸入，達(dá)到恒流的目的。數(shù)字恒流源調(diào)整方便，功能豐富，但電路較為復(fù)雜。

b. 電池及電源管理。選用鋰電池，性能好，價(jià)格稍高。目前筆記本電腦的電池容量在4～6 Ah的水平，足夠支撐本儀器的應(yīng)用。從電池壽命和安全的角度考慮，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注充放電管理，防止過充電、過放電和過熱等情況。還需要實(shí)現(xiàn)電量檢測功能。

c. DC-DC電源。這一部分電路將電池提供的電能轉(zhuǎn)換成各種電壓的電源供給其余電路。可選擇各種DC-DC電源模塊實(shí)現(xiàn)。

d. 單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制各部分電路的工作，接收鍵盤或觸摸屏傳來的操作命令，通過LCD顯示相關(guān)信息。還可以實(shí)現(xiàn)串口和USB通信的功能。該裝置采用“DSP+單片機(jī)”的方案,選用性價(jià)比較高的ARM7系列單片機(jī)。

e. 人機(jī)接口。選用320*240帶觸摸屏的彩色LCD，無需另外設(shè)計(jì)鍵盤，還可提升產(chǎn)品檔次。

f. 外殼。對(duì)于樣機(jī)擬選購適合的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，只需要做簡單的加工即可。對(duì)于將來的批量產(chǎn)品，需要進(jìn)行專門的開模設(shè)計(jì)。

2裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1　單元方案設(shè)計(jì)

該裝置的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在裝置的恒流源輸出模塊和抗干擾模塊，以保證電源輸出的效率高，散熱性能好，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。鑒于本恒流源需要輸出不同的電流，且需要監(jiān)測負(fù)載的狀態(tài)，故采用數(shù)字恒流源方案，其基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　恒流源結(jié)構(gòu)

功率放大電路輸出的電流同時(shí)流過負(fù)載和采樣電阻，采樣電阻的阻值已知，故其上的電壓與輸出電流成正比。此電壓被電流測量電路放大到合適的電平送到A/D轉(zhuǎn)換器(內(nèi)置于DSP)，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字里昂，經(jīng)計(jì)算即可知道輸出電流的大小，然后調(diào)整功率放大電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可使輸出電流達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。

50 Hz工頻信號(hào)在音頻頻帶內(nèi)，所以可以考慮采用音頻功放作為恒流源的功率放大器。音頻功效選用線性功效。目前音頻功放分為線性和非線性兩大類，線性功放包括通常所說的A類和AB類，而非線性功放主要是D類。線性功放的優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)質(zhì)量好，失真小，缺點(diǎn)是效率不高；非線性功放的失真指標(biāo)稍差，但效率更高。

D類功放采用PWM工作模式，工作時(shí)處于開關(guān)狀態(tài)，效率較高。D類功放工作原理如圖 3所示，它是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM開關(guān)信號(hào)，經(jīng)放大后通過低通濾波器還原出原來的模擬信號(hào)。此電路的損耗主要來自功率MOSFET的開關(guān)和低通濾波器。

圖3　D類放大器工作原理

為了能夠妥善處理電路效率和散熱的問題，設(shè)計(jì)擬采用非線性功率放大的方案。采用分立器件來構(gòu)建功率放大器。TI的DSP控制器TMS320F280X具有高分辨率的PWM輸出，同時(shí)具有內(nèi)置的12 bit ADC，結(jié)合PWM放大器和電流測量信號(hào)放大電路就能實(shí)現(xiàn)恒流源，是一種簡潔的電路方案。具體設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)計(jì)算后確定散熱方式。由于整機(jī)功耗較大，有必要采用風(fēng)扇實(shí)行風(fēng)冷散熱。

2.2　系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

大電流恒流源由于工作環(huán)境惡劣(如強(qiáng)大的電流，電網(wǎng)電壓受到高次諧波噪聲的污染，電場引發(fā)的磁場，感性負(fù)載造成的浪涌等)，要求系統(tǒng)有很好的抗干擾能力。對(duì)于單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言，具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力也是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的前提和保證。

微機(jī)控制系統(tǒng)中的干擾，一般是指各種外部和內(nèi)部的干擾源產(chǎn)生的各種電器瞬變信號(hào)，通過一定的途徑(例如電源線或信號(hào)傳輸線)耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，以及系統(tǒng)內(nèi)部之間的竄擾，對(duì)系統(tǒng)正常工作造成一定的影響。

針對(duì)恒流源可能受到的干擾，為了抑制地線噪聲，地線的布置應(yīng)遵守以下規(guī)則。

a. 地線盡量要粗，如果地線較細(xì)，則地線電阻較大，從而造成接地點(diǎn)位隨電流的變化而變化，致使信號(hào)電平不穩(wěn)，導(dǎo)致電路的抗干擾能力下降。該項(xiàng)目中主要地線的寬度均在3 mm以上。

b. 將地線構(gòu)成環(huán)路，可以縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

c. 采用元器件單點(diǎn)接地避免電位差，提高抵抗噪聲能力。

d. 可以采取屏蔽措施對(duì)外來干擾進(jìn)行屏蔽，在設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行EMC分析。

3功能介紹

該便攜式工頻恒流源裝置的主要功能包括以下幾個(gè)方面：

a. 可采用交、直流供電，恒流輸出1 A和5 A，采用按鍵切換輸入與輸出電流，頻率50 Hz；

b. 持續(xù)供流大于30 min，損耗功率低；

c. 具備低電壓及電流開路報(bào)警功能；

d. 具備充放電功能。

4應(yīng)用情況及效果

目前，在現(xiàn)場對(duì)繼電保護(hù)裝置消缺更換插件后、新間隔驗(yàn)收調(diào)試過程中，均要對(duì)二次回路進(jìn)行二次通流。每次通流時(shí)均要進(jìn)行接試驗(yàn)電源，試驗(yàn)臺(tái)，特別是戶外TA通流，接試驗(yàn)電源工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，均要穿越圍欄到電源箱處接線，以至每次通流工作均需配備3名以上的工作人員進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)操作，占用人力資源大。

使用便攜式工頻恒流源裝置達(dá)到了以下效果：每1名工作人員均可熟練使用該裝置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，規(guī)范現(xiàn)場文明生產(chǎn)，不穿越圍欄進(jìn)行工作，提高安全指數(shù)。在確保驗(yàn)證二次回路的前提下，接試驗(yàn)電源的平均時(shí)間由原來的10 min降低到1 min；將啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)線的平均時(shí)間由原來的10 min降低到2 min；轉(zhuǎn)移動(dòng)作地點(diǎn)的平均時(shí)間由10 min降低為1 min。完全避免了穿越圍欄進(jìn)行接試驗(yàn)線的方式，將危險(xiǎn)因素減低為零。

5建議

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況，該便攜式工頻恒流源裝置需要進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，改進(jìn)建議如下。

a. 開關(guān)電源在頻繁開啟過程中存在接觸不良等情況，應(yīng)更換啟動(dòng)開關(guān)，再調(diào)試其他觸點(diǎn)。

b. 實(shí)際的通流試驗(yàn)中，電流精度達(dá)不到要求，通入5 A電流時(shí)，裝置顯示為4.9 A，而通入裝置的電流實(shí)際只為4.71 A。下一步的調(diào)試中應(yīng)增大裝置內(nèi)部電阻，使精度達(dá)到允許范圍。

c. 裝置的體積和外觀設(shè)計(jì)不能達(dá)到使用人員的要求，要咨詢專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行專門的外觀設(shè)計(jì)，合理布置內(nèi)部元器件，使裝置滿足使用要求。

本文責(zé)任編輯：楊秀敏