本發(fā)明涉及斷路器測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置。

背景技術(shù)：

斷路器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用的各個(gè)領(lǐng)域，能夠承載正常工作電流，并且可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)分?jǐn)喙ぷ骰芈饭收想娏鳎桥潆娤到y(tǒng)中大量使用的重要電氣產(chǎn)品，因此斷路器在出廠前需對(duì)其保護(hù)特性進(jìn)行測(cè)試，具體為通過(guò)產(chǎn)生高精度標(biāo)準(zhǔn)電流對(duì)斷路器的分?jǐn)嗄芰头謹(jǐn)嗫煽啃赃M(jìn)行驗(yàn)證。由此可見(jiàn)，電流發(fā)生裝置的精度及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度對(duì)斷路器測(cè)試結(jié)果有重要影響。

目前，現(xiàn)有的電流發(fā)生裝置是向斷路器測(cè)試回路施加小電流引導(dǎo)波，并通過(guò)引導(dǎo)波產(chǎn)生的電壓和電流的幅值及相位差對(duì)回路等效阻抗進(jìn)行預(yù)估，且進(jìn)一步在預(yù)估的基礎(chǔ)上通過(guò)比例-積分控制(pi控制)等方法輸出所需要的測(cè)試電流對(duì)斷路器進(jìn)行保護(hù)特性校驗(yàn)。由于需要設(shè)置引導(dǎo)波，從而導(dǎo)致斷路器的保護(hù)特性校驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)效率低下。此外，對(duì)于不同類(lèi)型的斷路器產(chǎn)品，其阻抗均不同，采用傳統(tǒng)pi控制無(wú)法消除測(cè)試阻抗變化對(duì)輸出電流精度的影響，使得測(cè)試電流精度無(wú)法得到保證。

因此，亟需一種電流發(fā)生裝置，無(wú)需設(shè)置電流引導(dǎo)波，不僅能夠有效縮短校驗(yàn)時(shí)間及提高檢測(cè)效率，而且能夠確保測(cè)試電流精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置，無(wú)需設(shè)置電流引導(dǎo)波，不僅能夠有效縮短校驗(yàn)時(shí)間及提高檢測(cè)效率，而且能夠確保測(cè)試電流精度。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置，包括電流發(fā)生器和在線前饋補(bǔ)償控制器；其中，

所述電流發(fā)生器的一端外接交流電壓源，另一端與斷路器相連，其包括依序連接的整流橋電路、全橋逆變電路、lcr濾波電路和變壓器；其中，所述整流橋電路外接所述交流電壓源；所述變壓器與所述斷路器相連，其包括匝數(shù)比為n:1的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈；

所述在線前饋補(bǔ)償控制器與所述電流發(fā)生器相連，其包括電壓互感器、電流互感器、阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元和pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元；其中，所述電壓互感器的一端與所述變壓器的初級(jí)線圈相連，另一端與所述阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元的第一輸入端相連，用于采樣所述變壓器初級(jí)線圈側(cè)電壓；所述電流互感器的一端與所述變壓器的次級(jí)線圈相連，另一端與所述阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元的第二輸入端相連，用于采樣所述變壓器次級(jí)線圈側(cè)電流；所述阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元的輸出端與所述pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元的輸入端相連，用于對(duì)所述變壓器的采樣電壓和采樣電流進(jìn)行分段識(shí)別，通過(guò)pi算法對(duì)所述分段識(shí)別的采樣電壓和采樣電流進(jìn)行計(jì)算并求解預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型，得到輸出給所述pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元的調(diào)制電壓；所述pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元的輸出端與所述全橋逆變電路中每一個(gè)mos管的柵極均相連，用于根據(jù)所述阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元輸出的調(diào)制電壓，確定對(duì)所述整流橋電路進(jìn)入所述全橋逆變電路時(shí)電壓調(diào)制的占空比并進(jìn)行調(diào)制。

其中，所述阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元的預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)模型為其中，

ui為輸出給所述pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元的調(diào)制電壓；n為所述變壓器的匝數(shù)比；r1為所述lcr濾波電路中電阻值；c為所述lcr濾波電路中電容值；l1為所述lcr濾波電路中電感值；ω為所述變壓器的采樣電壓的相位；i^/o為所述斷路器的額定輸出電流；

r為所述斷路器的等效電阻，l為所述斷路器的等效電阻；其中，i1＝δi1；i2＝δi2；[t0,t1]為所述變壓器的采樣電壓和采樣電流的第一段采樣時(shí)間；[t1,t2]為所述變壓器的采樣電壓和采樣電流的第二段采樣時(shí)間；uo為所述斷路器的電壓變量，io為所述斷路器的電流變量。

其中，所述pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元輸出的占空比為其中，uvdc為所述整流橋電路進(jìn)入所述全橋逆變電路的電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：

1)本發(fā)明通過(guò)在線前饋補(bǔ)償控制器的電壓互感器和電流互感器分別獲取電壓發(fā)生器中與斷路器相連的變壓器的采樣電壓和采樣電流，并將采樣電壓和采樣電流同時(shí)反饋至阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元，得到模型參數(shù)并求解預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而經(jīng)pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元將脈寬控制信號(hào)加載到全橋逆變電路中的每一個(gè)mos管上，從而實(shí)現(xiàn)帶阻抗補(bǔ)充功能的整體閉環(huán)控制，整個(gè)過(guò)程無(wú)需設(shè)置電流引導(dǎo)波，從而有效縮短校驗(yàn)時(shí)間，提高檢測(cè)效率；

2)、本發(fā)明阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元結(jié)合前饋補(bǔ)償和pi串聯(lián)復(fù)合控制的算法，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載阻抗發(fā)生變化進(jìn)行快速閉環(huán)調(diào)整，能快速輸出高精度交流恒流，確保斷路器保護(hù)特性校驗(yàn)過(guò)程的可靠性。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中提供的用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1本發(fā)明實(shí)施例中提供的用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置的工作原理圖；

圖3為圖1中在線前饋補(bǔ)償控制器采樣變壓器次級(jí)線圈側(cè)的電流電壓波形圖；

圖4為圖1中變壓器簡(jiǎn)化模型的等效電路圖；

圖5為圖4中變壓器理想模型的等效電路圖；

圖6為圖1中全橋逆變電路的等效電路圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中提供的用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置應(yīng)用場(chǎng)景中采樣變壓器次級(jí)線圈側(cè)的電流電壓波形圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中提供的用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置與現(xiàn)有技術(shù)中的恒流源裝置分別對(duì)幅值為150a的斷路器保護(hù)特性測(cè)試時(shí)輸出電流波形的對(duì)比圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中提供的用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置與現(xiàn)有技術(shù)中的恒流源裝置分別對(duì)幅值為200a的斷路器保護(hù)特性測(cè)試時(shí)輸出電流波形的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例中，提出的一種用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置，包括電流發(fā)生器1和在線前饋補(bǔ)償控制器2；其中，

電流發(fā)生器1的一端外接交流電壓源u0，另一端與斷路器mt相連，其包括依序連接的整流橋電路11、全橋逆變電路12、lcr濾波電路13和變壓器14；其中，整流橋電路11外接交流電壓源u0；變壓器14與斷路器mt相連，其包括匝數(shù)比為n:1的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈；

在線前饋補(bǔ)償控制器2與電流發(fā)生器1相連，其包括電壓互感器21、電流互感器22、阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元23和pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元24；其中，電壓互感器21的一端與變壓器14的初級(jí)線圈相連，另一端與阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元23的第一輸入端a1相連，用于采樣述變壓器14初級(jí)線圈側(cè)電壓；電流互感器22的一端與變壓器14的次級(jí)線圈相連，另一端與阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元23的第二輸入端a2相連，用于采樣變壓器14次級(jí)線圈側(cè)電流；阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元23的輸出端a3與pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元24的輸入端相連，用于對(duì)變壓器14的采樣電壓和采樣電流進(jìn)行分段識(shí)別，通過(guò)pi算法對(duì)所述分段識(shí)別的采樣電壓和采樣電流進(jìn)行計(jì)算并求解預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型，得到輸出給pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元24的調(diào)制電壓；pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元24的輸出端與全橋逆變電路12中每一個(gè)mos管的柵極均相連，用于根據(jù)所述阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元輸出的調(diào)制電壓，確定對(duì)整流橋電路11進(jìn)入全橋逆變電路12時(shí)電壓調(diào)制的占空比并進(jìn)行調(diào)制。

更進(jìn)一步的，阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元23的預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)模型為其中，

ui為輸出給pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元24的調(diào)制電壓；n為變壓器14的匝數(shù)比；r1為lcr濾波電路13中電阻值；c為lcr濾波電路13中電容值；l1為lcr濾波電路13中電感值；ω為變壓器14的采樣電壓的相位；i^/o為斷路器mt的額定輸出電流；

r為斷路器mt的等效電阻，l為斷路器mt的等效電阻；其中，i1＝δi1；i2＝δi2；[t0,t1]為變壓器14的采樣電壓和采樣電流的第一段采樣時(shí)間；[t1,t2]為變壓器14的采樣電壓和采樣電流的第二段采樣時(shí)間；uo為斷路器mt的電壓變量，io為斷路器mt的電流變量。

如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例中用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置的工作原理圖，為避免測(cè)量噪聲對(duì)阻抗識(shí)別收斂性和精度的影響，因此阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元23的預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)模型是基于斷路器等效阻抗模型分段積分建立的，并結(jié)合前饋補(bǔ)償和pi串聯(lián)復(fù)合控制算法，該數(shù)學(xué)模型具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

由于斷路器測(cè)試回路可以采用一階微分方程進(jìn)行等效，即：

式(1)中l(wèi)表示斷路器的等效電感，r表示等效電阻。對(duì)方程(1)進(jìn)行求解，可以得到如圖3所示的電流電壓波形，設(shè)斷路器兩端電壓變量為uo，電流變量為io，由基爾霍夫電壓定律得到：

觀察方程(2)可以發(fā)現(xiàn)，求解控制電壓時(shí)需要對(duì)電流求導(dǎo)數(shù)，由于實(shí)際測(cè)量信號(hào)中包含大量噪聲，直接對(duì)測(cè)量信號(hào)求導(dǎo)數(shù)會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)不收斂性，因而提出分段積分的方法對(duì)阻抗參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)方程(2)兩邊同時(shí)進(jìn)行積分運(yùn)算，得到：

式中t0和t1分別表示分段時(shí)間的起始和結(jié)束時(shí)刻。從式(3)可知，方程包含l和r兩個(gè)未知參數(shù)，需要再建立一組方程才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行求解。同理，再對(duì)另一段時(shí)間[t1,t2]進(jìn)行積分計(jì)算，將兩組方程進(jìn)行聯(lián)立，可以得到：

方程(4)中的積分運(yùn)算可以用符號(hào)代替，簡(jiǎn)寫(xiě)得到：

對(duì)(5)聯(lián)立求解，可以得到：

其中電流、電壓間的相移可以表示為：

此時(shí)，將斷路器的等效電路簡(jiǎn)化至電流發(fā)生器的變壓器輸出端，得到變壓器的簡(jiǎn)化模型(如圖4所示)，設(shè)為圖2中全橋逆變電路輸出電壓、電流，分別為變壓器原邊(即初級(jí)線圈側(cè))電壓、電流，分別為變壓器副邊(即次級(jí)線圈側(cè))電壓，電流，r1、l1和c分別為lcr濾波電路中電阻值、電感值和電容值，r為斷路器的等效電阻，l為斷路器的等效電感，n為變壓器匝數(shù)比。

將圖4的變壓器的簡(jiǎn)化模型轉(zhuǎn)換成如圖5所示的理想變壓器，同時(shí)有：

式(8)中，r2、l2為變壓器副邊折算至原邊的電阻、電感。

令：

則在正弦穩(wěn)態(tài)條件下可以得到如下方程：

對(duì)方程組(10)進(jìn)行聯(lián)立求解，則電壓信號(hào)可以表示為：

對(duì)方程(11)兩邊進(jìn)行取模計(jì)算，可以得到：

ui＝|zeq|io(12)

將方程(9)、(10)代入式(12)，得到阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元所需的數(shù)學(xué)模型：

式(13)中，i^/o為斷路器的額定輸出電流。

更進(jìn)一步的，pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元24輸出的占空比為其中，uvdc為整流橋電路11進(jìn)入全橋逆變電路12的電壓。

如圖6所示，為全橋逆變電路的等效電路圖，uvdc表示ac-dc(即整流橋電路11進(jìn)入全橋逆變電路12)的輸出電壓，表示全橋逆變電路12在lcr濾波電路13之前的電壓。若穩(wěn)定，則全橋逆變電路12中mos管的占空比為：

采用(14)，即可在給定需要輸出的電流峰值i′o(即斷路器的額定輸出電流)的條件下，得到所需的占空比p′，進(jìn)而通過(guò)控制每一個(gè)mos管的電壓脈寬大小和占空比，實(shí)現(xiàn)在線前饋補(bǔ)償控制。

如圖7至圖9所示，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置的應(yīng)用場(chǎng)景做進(jìn)一步說(shuō)明：

正弦序列：一個(gè)周波內(nèi)取360個(gè)點(diǎn)。

阻抗識(shí)別：每20個(gè)點(diǎn)(≈1.1ms)為一個(gè)積分周期，第一次識(shí)別需要40個(gè)點(diǎn)，之后每20個(gè)點(diǎn)更新一次負(fù)載阻抗。

計(jì)算過(guò)程：在(0,π)區(qū)間內(nèi)，給定一個(gè)較小的p值輸出，阻抗識(shí)別得到負(fù)載阻抗角φ和所需的占空比p′；在(π,∞)區(qū)間內(nèi)，在θ＝π+φ時(shí)刻使p＝p′，之后程序不斷更新負(fù)載阻抗和p值。

將本發(fā)明實(shí)施例中用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置對(duì)斷路器保護(hù)特性測(cè)試電流與現(xiàn)有技術(shù)中的恒流源裝置分別對(duì)幅值為150a和200a斷路器保護(hù)特性測(cè)試電流進(jìn)行對(duì)比(如圖8和圖9所示)。實(shí)線曲線部分表示傳統(tǒng)檢測(cè)方法，向負(fù)載回路施加小電流引導(dǎo)波。虛線曲線部分是本發(fā)明實(shí)施例中用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置輸出電流的波形。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明實(shí)施例中用于斷路器測(cè)試的恒流源裝置在測(cè)試過(guò)程中無(wú)需引導(dǎo)波，檢測(cè)效率得到提升。此外，由于采用了在線阻抗識(shí)別技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了前饋補(bǔ)償與pi串聯(lián)復(fù)合控制的算法，電流精度受阻抗變化的影響得到補(bǔ)償，恒流源輸出精度得到保證。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：

1)本發(fā)明通過(guò)在線前饋補(bǔ)償控制器的電壓互感器和電流互感器分別獲取電壓發(fā)生器中與斷路器相連的變壓器的采樣電壓和采樣電流，并將采樣電壓和采樣電流同時(shí)反饋至阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元，得到模型參數(shù)并求解預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而經(jīng)pwm調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元將脈寬控制信號(hào)加載到全橋逆變電路中的每一個(gè)mos管上，從而實(shí)現(xiàn)帶阻抗補(bǔ)充功能的整體閉環(huán)控制，整個(gè)過(guò)程無(wú)需設(shè)置電流引導(dǎo)波，從而有效縮短校驗(yàn)時(shí)間，提高檢測(cè)效率；

2)、本發(fā)明阻抗在線識(shí)別及前饋補(bǔ)償控制單元結(jié)合前饋補(bǔ)償和pi串聯(lián)復(fù)合控制的算法，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載阻抗發(fā)生變化進(jìn)行快速閉環(huán)調(diào)整，能快速輸出高精度交流恒流，確保斷路器保護(hù)特性校驗(yàn)過(guò)程的可靠性。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，所述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，如rom/ram、磁盤(pán)、光盤(pán)等。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。