一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统及其测试方法
【专利摘要】一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统及其测试方法，该系统包括功率电路及其驱动模块、采样模块、电源整流供电模块、DSP或FPGA控制模块、通讯转换模块、PC机及上位机软件；其中功率电路及其驱动模块与待测铁磁元件相连用以输出特定幅值、频率的正负方波、正弦波、恒流源，用于对各类铁芯类设备进行励磁特性、伏安特性、直流电阻等相关测试等；本发明摈弃了传统主动控制输出电压频率的方式，而通过采样电流对输出电压正负极性进行控制以实现自适应变频，具有结构简单、测试方便、励磁电流对称性好、测量精度高、采样数据全等优点，适合各类铁芯类设备进行励磁特性、伏安特性测试。
【专利说明】
一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统及其测试 方法
技术领域
[0001] 本发明公开了一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统及其测试方法，涉 及电力用互感器、电抗器、变压器、其他各类铁芯类设备进行励磁特性(或伏安特性)测试。
【背景技术】
[0002] 互感器等铁芯类设备是电力行业中不可或缺的一环，其性能对电力系统的计量、 监控、继电保护、录波、测距均有影响。励磁特性、伏安特性试验是对铁芯类设备进行检测的 重要手段。传统方式一般采用工频电源在被测铁芯类设备施加电压的方法进行试验，根据 变压器理论相关知识，如果采用工频或者高频电源测试，则被测设备两端电压将会上升至 较高水平这是不利于测试人员及设备安全的。于是近年来出现了低频低压的测试方式，使 得测试环境更加安全、测试仪器更加轻便。但是现有的低频低压测试电流互感器等各类铁 芯类设备的方法，大多采用主动控制输出方波频率的方式进行测试，存在着测试过程励磁 电流不对称、测量精确度不够、非高速采样设备采样数据丢失等问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于改善以往在铁芯类设备低频低压测试方法中存在的励磁电流 不对称、测量精确度不够、非高速采样设备采样数据丢失等问题，放弃了以往测试方法中主 动控制输出电压频率的方式，而通过采样电流对电压正负极性进行控制，其结构简单、测试 方便、励磁电流对称性好、测量精度高、采样数据全，适合各类铁芯类设备进行励磁特性、伏 安特性测试。
[0004] 本发明是通技术方案是:一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统，包括： 功率电路及其驱动模块、采样模块、电源整流供电模块、DSP或FPGA控制模块、通讯转换模 块、PC机及上位机软件;其中功率电路及其驱动模块与待测铁磁元件相连用以输出特定幅 值、频率的正负方波、正弦波、恒流源，用于对各类铁芯类设备进行励磁特性、伏安特性、直 流电阻等相关测试;采样模块负责对被测铁芯类设备的电流、电压等相关信息进行采集并 上传至控制模块同时接收控制模块的控制指令;电源整流供电模块与控制模块以及功率电 路相连负责对功率电路进行低压供电以及信号调理。而控制模块采用频率自适应方式对功 率电路输出电压(方波)的正负极性进行控制，同时控制模块通过通讯转换模块将需要存储 与处理的各类信息上传到PC机最后送至上位机软件如labview进行操作。
[0005] -种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统的器件结构与连接关系为:系统 最底层为功率电路及其驱动模块，可以通过切换输出特定幅值、频率的正负方波、正弦波、 恒流源。功率电路与控制模块之间连接着电源整流供电模块，该模块主要用以提供低压供 电与信号调理。电源整流供电模块的上方平行放置着DSP或FPGA控制模块，对功率电路提供 控制指令，以及电压电流采样电路，对被测铁芯类设备的电流、电压等相关信息进行采集。
[0006] -种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试方法，交替将正电压和负电压加载至 待测铁芯类设备输入端，采集被测设备的电压、电流;通过电流阈值比较，控制电压的正负 输出，自适应地改变输出方波电压的频率，使得被测铁芯类设备的励磁电流逐渐增加或减 小;通过该被动控制方波电压频率的方法和相关数学模型得出:基本磁化曲线、铁芯磁化回 线簇、伏安特性曲线；
[0007] 步骤为：
[0008] 1)对待测铁芯类设备的测量阈值电流±Iset进行设置；
[0009] 2)交替将正电压和负电压加载至待测的铁芯类设备输入侧，采集被测铁芯类设备 电流I、电压U;
[0010] 3)对于高速采样设备：将采集的电流I与当前设定的阈值电流± I s e t进行比较， 若-Iset<I<ISet，则输出电压保持为正极性；直到采样电流I递增达到正向阈值电流 Iset，则自动将输出电压切换为负极性并保持；当采样电流I递减达到反向阈值电流-Iset 时，再次自动将输出电压切换为正极性并保持，通过对达到正负阈值电流的次数进行计数， 测量出一个阈值电流对应的一圈磁滞回线，再自动对阈值电流进行更改测量出另一个阈值 电流对应的一圈磁滞回线，往复循环直至测试完成；
[0011] 4)对于非高速采样设备，对正负阈值电流± Iset进行缓冲处理，使其保持为Iset 或-Iset-段时间，以满足采样需求，此时输出电压极性的调节方式与高速采样设备测试时 所述不再一致，当采样电流I满足-Iset<I<I Set，输出电压保持为正极性；当采样电流I递 增达到正向阈值电流Iset后，输出电压保持为零，此时被测设备励磁电流稳定为Iset直到 采样设备采样完成再将输出电压切换至负极性；当采样电流I递减达到反向阈值电流-Iset 后，输出同样电压保持为零，此时被测设备励磁电流稳定为-Iset直到采样设备采样完成再 将输出电压切换至正极性，通过对达到正负阈值电流的次数进行计数，测量出一个阈值电 流对应的一圈磁滞回线，再自动对阈值电流进行更改测量出另一个阈值电流对应的一圈磁 滞回线，往复循环直至测试完成；
[0012]
数学模型，求得被测铁芯类设 备磁通与励磁电流之间的关系，生成磁化曲线并存储，其中(6.为被测铁芯类设备输出侧两 端所加电压，起为被测铁芯类设备的励磁电压，Φ (t)为被测铁芯类设备磁通。
[0013] 本发明具有以下有益效果：
[0014] 1、可以在低压低频的环境下完成测试，有效降低试验过程对人员以及被测设备的 安全风险，同时使得测试设备实现轻量化；
[0015] 2、采用电流控制，频率自适应控制方式控制输出电压极性，解决励磁电流不对称 现象，使得测量精确度更高；
[0016] 3、对励磁电流进行缓冲处理，使得非高速采样设备同样实现全部数据的采集，避 免采样数据丢失；
[0017] 4、本发明不同于常规低频低压测试方法中直接对输出电压频率进行控制，而采用 对铁芯类设备励磁电流进行主动控制，通过励磁电流阈值比较，来控制输出电压极性，达到 方波电压频率自适应调整的目的，以解决测试过程励磁电流不对称的问题，提高铁芯类设 备的测试精度；同时，对于非高速采样设备难以获取励磁电流峰值的不足，此发明还对输出 方波电压的波形进行了改进，以满足较低采样速度时同样适用。
【附图说明】
[0018]图1为本发明系统结构框图；
[0019 ]图2为本发明励磁特性试验等效电路；
[0020]图3为本发明等幅变频方波输出；
[0021 ]图4为本发明等幅变频方波对应的磁化曲线簇图；
[0022]图5为本发明电流翻转对应方波电压图；
[0023]图6为本发明改进电流翻转对应方波电压图。
【具体实施方式】
[0024]为了更加清楚的阐述本发明的技术方案与优势，下面结合附图对本发明进行进一 步详细说明，图1所示为本发明的系统结构框图。
[0025] 按照图2建立被测铁芯类设备励磁特性试验等效电路。其中Lm代表主电感、Re代表 涡流损耗电阻，Rh代表磁滞损耗电阻，R。*代表二次绕组直流电阻，u(t)是试验时施加于二次 绕组上的端电压，e(t)是二次绕组感应电势。i e(t)是涡流损耗的等效电流，ih(t)是磁滞损 耗的等效电流，im( t)是流经RdPLm组成的并联支路的电流，i ex (t)是励磁电流。
[0026] 对待测铁芯类设备测试的阈值电流Iset进行设置。
[0027] 采用如图3所示的等幅变频的正负方波对被测铁芯类设备进行供电，并对励磁电 流工、电压U等所需数据进行采样并存储。
[0028] 对于高速采样设备，如图5所示，控制模块将采样所得的励磁电流I将采集的电流I 与当前设定的阈值电流±Iset进行比较，若-i set<i<iset，则输出电压保持为正极性;直到 采样电流I递增达到正向阈值电流I set，则自动将输出电压切换为负极性并保持；当采样电 流I递减达到反向阈值电流-Iw时，再次自动将输出电压切换为正极性并保持，通过对达到 正负阈值电流的次数进行计数，测量出一个阈值电流对应的一圈磁滞回线。再自动对阈值 电流进行更改，以自适应的改变输出方波的频率，使得输出方波呈现为图3所示的一组等幅 变频方波，从而测量出另一个阈值电流对应的一圈磁滞回线，最终得到由等幅变频的方波 测量出与之对应的磁化曲线簇，如图4所示。
[0029]对于非高速采样设备，如图6所示，对正负阈值电流±Iset进行缓冲处理，使其保持 为Iset或-IS(3t-段时间，以满足采样需求。此时输出电压极性的调节方式与高速采样设备测 试中所述不再一致，当采样电流I满足-I se3t<I<Ise3t，输出电压保持为正极性;当采样电流I 递增达到正向阈值电流I se3t后，输出电压保持为零，此时被测设备励磁电流稳定为Ise3t直到 采样设备采样完成再将输出电压切换至负极性；当采样电流I递减达到反向阈值电流-I set 后，输出同样电压保持为零，此时被测设备励磁电流稳定为-Iset直到采样设备采样完成再 将输出电压切换至正极性，通过对达到正负阈值电流的次数进行计数，测量出一个阈值电 流对应的一圈磁滞回线，再自动对阈值电流进行更改测量出另一个阈值电流对应的一圈磁 滞回线，往复循环直至测试完成。
[0030]测试过程中控制模块通过通讯转换模块将各项所需数据上传至PC机处理，最后将 数据送至上位机软件，在labview等上位机软件中，根据测试数据。
数学模型，求得被测铁芯类设备磁通与励磁电流之间的关系，生成磁 化曲线并存储。
【主权项】
1. 一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统，特征在于包括:功率电路及其驱 动模块、采样模块、DSP或FPGA控制模块、PC机及上位机在内的关键模块； 所述DSP或FPGA控制模块与功率电路及其驱动模块相连，根据测试需要发送控制信号 控制功率电路输出所需的特定幅值、频率的正负方波、正弦波、恒流源； 所述DSP或FPGA控制模块还与采样模块相连，用于控制采样模块对被测铁芯类设备的 电流、电压进行采集。2. 根据权利要求1所述的一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试系统，其特征在 于，控制模块为DSP或FPGA控制模块能对输出电压的正负极性进行控制。3. 根据权利要求1或2所述的一种铁磁元件励磁特性的自适应变频测试系统的测试方 法，其特征在于DSP或FPGA控制模块对输出电压的正负极性进行控制，主动控制输出电流、 被动控制输出电压极性实现自适应地改变输出方波电压的频率。4. 根据权利要求3所述的一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试方法，其特征在 于，测试中的自适应变频技术，对于高速采样设备测试，将采集的被测铁芯类设备采样电流 I与预先设定的测量阈值电流±Iset进行比较； 当-Iset<I<Iset，输出电压保持为正极性；当采样电流I递增达到正向阈值电流 Iset，则自动将输出电压切换为负极性并保持；当采样电流I递减达到反向阈值电流-Iset 时，再次自动将输出电压切换为正极性并保持。5. 根据权利要求3所述的一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试方法，其特征在 于，测试系统中自适应变频技术，对于非高速采样设备测试，将采集的被测铁芯类设备采样 电流I与预先设定的测量阈值电流±Iset进行比较并加以缓冲处理； 当采样电流I满足-Iset<I<Iset，输出电压保持为正极性；当采样电流I递增达到正 向阈值电流Iset后，输出电压保持为零，此时被测设备励磁电流稳定为Iset直到采样设备 采样完成再将输出电压切换至负极性；当采样电流I递减达到反向阈值电流-Iset后，输出 同样电压保持为零，此时被测设备励磁电流稳定为-Iset直到采样设备采样完成再将输出 电压切换至正极性。6. 根据权利要求4或5所述的一种铁磁元件励磁特性的自适应变频的测试方法，其特征 在于，测试系统通过对达到正负阈值电流的次数进行计数，测量出一个阈值电流对应的一 圈磁滞回线，再自动对阈值电流进行更改测量出另一个阈值电流对应的一圈磁滞回线，往 复循环直至测试完成。
【文档编号】G01R31/00GK105866586SQ201610261349
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】梁仕斌, 刘涛, 田庆生, 王磊
【申请人】云南电力试验研究院(集团)有限公司, 云南电力技术有限责任公司