10kA強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源的研制

鄧 文 孫 宇 陳 蘭 馮 路

（長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

直流大電流廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、航天航空、高鐵機(jī)車等重要行業(yè)。核動(dòng)力、金屬電解、高能物理等科學(xué)研究中，也需要用到數(shù)千安甚至更大的電流。當(dāng)前直流大電流測(cè)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(xué)方法。直流大電流測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響到直流電能的計(jì)量。在國(guó)內(nèi)，直流大電流量值傳遞體系一直沒(méi)有建立，對(duì)于高效節(jié)能更是無(wú)從談起。本文提出的強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源，電流最大輸出能力為10kA，年變化率100ppm/a，其內(nèi)核由高穩(wěn)定度調(diào)節(jié)源和寬頻電流比較儀構(gòu)成，短期穩(wěn)定度達(dá)10ppm/min。為建立直流大電流計(jì)量量值傳遞體系和檢測(cè)規(guī)范提供了依據(jù)。

1 10 kA強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源

1.1 標(biāo)準(zhǔn)源的主要特點(diǎn)

（1）標(biāo)準(zhǔn)源由計(jì)算機(jī)軟件、操作臺(tái)、18路600A電流源、電壓測(cè)量模塊等組成。最大輸出10kA，連續(xù)可調(diào)，允許輸出最大電壓4V。（2）18路獨(dú)立電流源。18路電流源可單獨(dú)控制，系統(tǒng)架構(gòu)靈活。電流輸出范圍：0~600A；輸出穩(wěn)定度：0.002%/min；年準(zhǔn)確度：0.005%，調(diào)節(jié)細(xì)度：0.005%。（3）采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的分布式電源系統(tǒng)，具有輸出容量大、效率高、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是保證大電流輸出主要因素。采用的開關(guān)電源不僅能滿足EN/UL60601等安全標(biāo)準(zhǔn)的要求（包括對(duì)低漏電流和強(qiáng)化隔離的要求），還滿足電磁干擾（EMI）B級(jí)要求。可以保證輸出功率達(dá)到最大額定功率的50%。（4）可靠的保護(hù)系統(tǒng)。具有全面的過(guò)壓、過(guò)流、電流開路保護(hù)系統(tǒng)。若其中某一路電流源出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其他電流源正常工作。

1.2 10kA標(biāo)準(zhǔn)源

主要特點(diǎn)介紹：（1）計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)軟件：通過(guò)RS232與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)保存等。（2）操作臺(tái)：是硬件裝置同計(jì)算機(jī)通訊的橋梁。它既可以連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)檢定，也可以脫離計(jì)算機(jī)軟件單獨(dú)控制硬件進(jìn)行半自動(dòng)檢定。（3）18路電流源：是整套系統(tǒng)的核心。由32位微處理器、EEPROM、FPGA、開關(guān)電源、PWM、驅(qū)動(dòng)及功放模塊、電流比較儀、A/D及D/A、各類通訊接口、按鍵、報(bào)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(shí)大電流。

2 600 A電流源

單臺(tái)電流源的精度是保證整套裝置作為大電流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。下文將分析單臺(tái)600A電流源的原理及技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 工作原理

（1）電源部分：220V市電一方面通過(guò)變壓器變成直流電壓給整個(gè)系統(tǒng)供電。另一方面進(jìn)行整形濾波變成直流大電源，再通過(guò)PWM進(jìn)行脈沖調(diào)制輸出。（2）直流電流輸出控制：32位微處理器接收到操作臺(tái)命令后，通過(guò)SPI通信接口傳送至FPGA，F(xiàn)PGA再控制D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化器輸出一個(gè)電壓基準(zhǔn)信號(hào)傳送至積分器，此信號(hào)與反饋信號(hào)傳送至積分器經(jīng)過(guò)時(shí)間τ輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)控制脈寬調(diào)制器PWM生成方波信號(hào)的幅值，方波信號(hào)通過(guò)功率放大器后驅(qū)動(dòng)電流功放模塊輸出直流大電流，電流經(jīng)濾波后，流經(jīng)寬頻直流比較儀。寬頻比較儀將該大電流按設(shè)計(jì)好的比例標(biāo)準(zhǔn)二次轉(zhuǎn)換成小電流，該小電流通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路變成電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)一方面進(jìn)入反饋電路反饋至積分器，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，另一方面進(jìn)入AD采樣電路，記錄當(dāng)前實(shí)際輸出值。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過(guò)1μs。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于大電流的測(cè)量，大電流測(cè)量精度直接影響到電流源的精度。本系統(tǒng)采用新型直流比較儀測(cè)量電流，能夠快速反饋電流變化。建立磁平衡的時(shí)間不超過(guò)1μs。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(dǎo)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(chǎng)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(dǎo)率材料制成的內(nèi)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(duì)地之間存在寄生電容和電位差使得它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的漏電流引起的。可以采用靜電屏蔽減小誤差。對(duì)于測(cè)量線路誤差，主要是減少補(bǔ)償繞組漏阻，補(bǔ)償繞組選用截面較大的銅絕緣導(dǎo)線繞組，減少對(duì)補(bǔ)償繞組電流測(cè)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(lì)繞組，W2為檢測(cè)繞組，W3為補(bǔ)償繞組。其中鐵芯1由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯2由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。實(shí)現(xiàn)原理：激勵(lì)源激勵(lì)鐵芯1和2，W2繞組檢測(cè)信號(hào)通過(guò)二次諧波帶通濾波電路，檢測(cè)二次諧波信號(hào)。通過(guò)解調(diào)器得到直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大器將信號(hào)放大，來(lái)控制伺服電流源輸出電流至W 3補(bǔ)償繞組，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整使得使得鐵芯1和鐵芯2達(dá)到磁平衡狀態(tài)。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過(guò)1μs。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻R進(jìn)行電流采樣，測(cè)試得到U，計(jì)算出補(bǔ)償繞組電流，根據(jù)繞組匝數(shù)比計(jì)算出IP值。同時(shí)此信號(hào)可作為報(bào)警信號(hào)等狀態(tài)信號(hào)。

表1

式中：N為比例常數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的10 kA強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源精度高，具有全面的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，安全可靠。計(jì)算機(jī)專用軟件，實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)管理，并導(dǎo)出不同格式的測(cè)試報(bào)告。為直流大電流量值傳遞體系的建立提供依據(jù)。

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