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10kA强直流电流标准源的研制

时间:2020-12-24 来源:计量校准 点击:

10kA强直流电流标准源的研制
  直流电广泛应用于电力系统、工业生产、航空航天、高铁机车等重要行业。在核能、金属电解、高能物理等科学研究中。需要几千安培甚至更多。目前,大DC电流的测量方法包括分流法、直流变压器法、电流比较仪法、霍尔电流传感器法和其他磁法。大DC电流测量的精度将直接影响DC能量的测量。
  在中国,DC电力的流量值传输系统还没有建立,谈不上高效节能。本文提出的强DC电流标准源最大电流输出容量为10 kA,年变化率为100 ppm/a,其核心由高稳定度调节器和宽带电流比较器组成,短期稳定性达到10 ppm/min。为建立大DC电流测量值传递系统和检测标准提供了依据。
  1.10 kA强DC电流标准源
  1.1仪器校验标准源的主要特征
  (1)标准源由计算机软件、操作台、18路600 A电流源、电压测量模块等组成。最大输出为10 kA,可连续调节,最大输出电压为4 v。
  (2)18个独立电流源:18个独立电流源可以独立控制,系统架构灵活。电流输出范围:0 ~ 600 A;输出稳定性:0.002%/min;年精度:0.005%,调整精度:0.005%。
  (3)多开关电源并联的分布式电源系统具有输出容量大、效率高、可靠性高等优点,是保证大电流输出的主要因素。采用的开关电源既能满足EN/UL60601等安全标准的要求(包括低漏电流和增强隔离的要求),又能满足电磁干扰(EMI)的B级要求。输出功率可保证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、过流和电流开路保护系统。如果其中一个电流源出现故障,不会影响其他电流源的正常工作。
  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。
  (3)18 路电流源:是整套系统的核心。由32位微处理器、EEPROM、FPGA、开关电源、PWM、驱动及功放模块、电流比较仪、A/D及D/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 FPGA,FPGA 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 1 μs。
  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 1 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 A 由高导磁率软磁材料制作,铁芯 B 由低导磁率铁氧体材料制作。实现原理:激励源激励铁芯 A 和 B,W2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 1 μs。通过标准电阻 R 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 值。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
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