专利名称：工频三相标准源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三相电参数的标准计量装置。
对于包括三个相电压及相角、三个相电流及相角、相电流和相电压之间可调相位等多个三相交流电参数进行标准计量，关系到电站的正常发电、生产厂的成本核算、效益分析。目前应用三相校验台对这些电参数进校验。这种三相校验台，如河南思达ST-9001，是由三相电源、三相标准表、调节设备(包括幅值、相位、频率)，台体(包括量程变换的电压互感器、电流互感器等)等部分组成，体积庞大，笨重，台体上有块监视表，调节过程中要注视仪表的指示，操作不便，劳动强度大，整体精度取决于标准度的准确度。目前计量单相交流电参数的标准源，如WK-5型，是将输出信号转化成直流信号与机内的直流基准信号进行比较来保持输出信号幅值的准确度，幅值取样丢失了相位信号，需增加相位/时间采样，再进行相位控制。对于要对三个电压、三个电流及相位进行调节的三相标准源，采用这种幅值法控制使系统复杂，易引起振荡不能正常工作。
本发明的目的是提出一种不用调节设备、标准表、监视表，体积小、重量轻、操作方便、造价低，直接给出十一个三相电参数的工频三相标准源。
本发明采用的技术方案是用单片机做控制中心，设有接口和保护系统，其特征是采用数字合成三相正弦波作为信号源，信号源输出三个相电压、三个相电流信号，形成六个单元，每个单元信号经前馈式功率放大器放大，并由矢量取样器将信号送入比较器与信号源基准比较，实现前馈控制。从而保证输出信号与标准信号相同。
本发明采用的数字合成三相信号源由直流标准电源、存储器ROM、地址发生器、数/模转换器DAC、频率综合器、时分割移相器组成，其中直流标准电源提供标准信号幅值，频率综合器提供标准频率，通过存储器、数/模转换器、时分割移相器合成正弦波，通过控制脉冲时间间隔改变移相角。
六个单元的前馈式功率放大器均由负反馈放大器、前馈误差放大器、矢量采样放大器组成，其中电流各单元采用的负反馈放大器为跨导式放大器。
三个电压单元输出端接有高比率、准确度的精密电阻，三个电流单元的输出端接有高安匝数的互感器和精密运放、精密电阻，构成矢量取样器，对幅值、位相进行矢量取样后送至比较器。
本发明的三相标准源的信号幅值基准溯源于直流基准电压，频率、相角溯源于高稳定的石英振荡，输出的电压、电流准确度可达0.02％，调节细度优于1×10-4相位设定误差可达0.02°，功率因数等于1时功率设定值准确度为0.02％。由于简化了构成，成本大幅度降低。采用智能化全键盘操作，使用方便，功能齐全，体积小，功能强。可广泛用于校验三相三线、三相四线有功、无功及单相电能表，也可校验工频频率表，单、三相交流电压、电流、功率、相位、功率因数表等。
图1为本发明整机原理、结构图；图2为本发明三相标准源数字合成信号源的原理结构图；图3为本发明三相标准源的前馈式电压功率放大器原理、结构图；图4为本发明三相标准源的前馈式电流功率放大器原理结构图；图5为本发明三相标准源的电压单元矢量取样器；图6为本发明三相标准源的电流单元矢量取样器。
下面结合附图叙述本发明的实施例。
本实施例的工频三相标准源由三相正弦数字合成信号源0、三个前馈式电压功率放大器11、12、比较器13、三个电流功率放大器41、42、比较器43、三个电压矢量取样器14、三个电流矢量取样器44、单片机管理系统CPU、键盘7、接口8、显示CRT、过压、过流保护系统9组成。信号源0输出六路参数UAV、UBV、UCV、UAI、UBI、UCI构成六个单元1、2、3、4、5、6，各单元独立闭环并与信号源串联，见图1。其中数字合成信号源0由标准直流电压源DC，频率综合器01，二个地址发生器021、022，二个数据存储器ROM041、042,6个数码位12的数/模转换器DAC051、052、053、054、055、056，时分割移器03组成，如图2。一个周期内合成点数取3600点，直流参考标准电压源DC提供Vref为0-10V，准确度优于20PPM，幅值稳定优于10PPM，细度为满量程1PPM，三个前馈式电压功率放大器由三个负反馈放大器11、三个前馈误差放大器12、三个矢量取样放大器15组成，如图3。三个前馈式电流功率放大器由三个跨导式负反馈放大器41、三个前馈误差放大器42、三个矢量取样放大器45组成，如图4。三个电压单元1、2、3的输出端接有高比率高准确度的精密电阻R141、R142，如图5。三个电流单元4、5、6输出端接有高安匝数互感器CT，精密运放440、精密电阻R441、R442，如图6。
其工作过程和原理如下见图2，信号源0通过改变参考标准电压Vref可调节合成正弦信号幅值为需要值，频率综合器01输出频率Fclk，在Fclk/10作用下地址发生器021控制正弦ROM041以一定速率输出正弦数据，并由数/模转换器DAC051变成模拟正弦信号VA，当启动电路检测到某一“特定地址”时，起动移相计数器03，由移相设定值M开始做减法，当M减至零时发出同步脉冲，使地址发生器022从“特定地址”开始与地址发生器021同步循环输出VB，此时VA与VB相角相当于M个脉冲，每个脉冲代表0.01°，只要M不变，这个过程就不断循环，只要改变移相设定值M就可方便地改变相角，这样就由信号源0输出了六路标准带有相位的电压UAV、UBV、UCV、电流UAI、UBI、UCI信号。
为了满足一些消耗功率较大的仪表的校验、测试，需对六路信号进行功率放大。如图3、如图4，采用的负反馈放大器11、41增益为K，负反馈放大器增益K的误差为e，前馈放大器12、42的增益为A，矢量取样放大器15、45增益为β，则由图3有o(1+e)=Ki,o=A(i-o)+Ki,当A＞＞1时，则U.o(1+eAβ)=U.iβ,]]>可以看出引入前馈技术后使原来的负反馈放大器的增益误差e缩小了Aβ倍，适当选取Aβ值就可使前馈放大器的总增益只有幅值没有幅角，即对信号i只有线性放大而不产生附加相位。
经过前馈功率放大的信号，采用电压互感、电流互感器扩展量程。由互感器输出的三个电压单元1、2、3接有高比率准确度的精密电阻，R141、R142，温度系数小于10ppm/c°，如图5、采样电压β，U.β=R1R1+R2U.]]>，互感器输出的三个电流单元4、5、6接有高安匝数n的互感器CT和精密运放440、精密电阻R441、R442，如图6，采样电压n,n=n
R，高安匝数的互感器大大降低了激磁误差，精密运放的引入使互感器次级工作在近于短路状态，这样n就代表了
的幅值及相位。由此取到的矢量信号β、n即含有信号的幅值，又含有信号的位相，将其送入比较器13、43与信号源输出信号进行实时跟踪比较，实现全信息取样和前馈控制。
管理系统采用8031单片机为系统核心，通过CPU数据总线控制，键盘7、显示CRT、调频、调幅、调相均采用大规模集成电路，软件系统采用键树结构，设计了RS232接口卡8，可组建自动测试系统，采用ADC0809A/D实时采样进行故障诊断9，对幅值瞬间检测，400μS完成4个通道检测，检测故障信号后向CPU发出中断请求，CPU响应中断进行相应处理，并给出“故障、错误”信息。
权利要求
1.工频三相标准源，由单片机(CPU)做控制中心，设有键盘(7)、显示(CRT)、接口(8)和保护系统(9)，其特征是采用数字合成三相正弦波为内部基准信号源(0)，信号源输出三个相电压UAV、UBV、UCV、三个相电流UAI、UBI、UCI信号形成六个单元，三个电压单元(1)、(2)、(3)信号经前馈式电压功率放大器(11)、(12)放大，三个电流单元(4)、(5)、(6)信号经前馈式电流功率放大器(41)、(42)放大，通过矢量取样器(14)、(44)将输出的电流、电压及相位送入比较器(13)、(43)，跟踪信号源基准实现前馈控制。
2.按照权利要求1所述的工频三相标准源，其特征是该装置数字合成信号源(0)由直流标准电源(DC)、频率综合器(01)、时分割移相器(03)、存储器ROM(041)、(042)、地址发生器(021)、(022)、数模转换器DAC(051)、(052)、(053)、(054)、(055)、(056)组成，其中直流标准电源提供标准信号幅值Vref，频率综合器(01)提供标准频率Fclk，通过存储器ROM、数/模转换器DAC、时分割移相器(03)合成正弦波，控制脉冲时间间隔改变移相角。
3.按照权利要求1所述的工频三相标准源，其特征是该装置三个电压单元(1)、(2)、(3)的前馈式功率放大器由负反馈放大器(11)、前馈误差放大器(12)、矢量取样放大器(15)组成，三个电流单元(4)、(5)、(6)的前馈式功率放大器由跨导式负反馈放大器(41)、前馈误差放大器(42)、矢量取样放大器(45)组成。
4.按照权利要求1所述的工频三相标准源，其特征是该装置的三个电压单元(1)、(2)、(3)的输出端接有高比率、高准确度的精密电阻(R141)、(R142)，三个电流单元(4)、(5)、(6)的输出端接有高安匝数的互感器(CT)和精密运放(440)、精密电阻(R441)、(R442)，对输出信号的幅值、位相进行矢量取样送入比较器与信号源输出的标准值比较，确保输出信号与标准信号相同。
全文摘要
工频三相标准源是由单片机做控制中心,数字合成正弦波做三相标准信号源0,信号源输出幅度、相位、频率均可调节的六个信号作为内部基准量U
文档编号G01R35/00GK1218184SQ9711569
公开日1999年6月2日 申请日期1997年11月26日 优先权日1997年11月26日
发明者高巍, 李河, 杨新华, 梁浩, 梁福成 申请人:黑龙江省计量科学研究所