专利名称：一种线路工频参数测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高电压技术领域，特别是用于测试线路工频参数的测试设备。
背景技术：
线路工频参数测量设备为测量高电压线路的正序开路、正序短路、零序开路、零序短路、线路直阻等参数的测量设备。线路工频参数测量设备一般由测试电源、测量部分组成。
在线路工频参数测试过程中，由于被测线路受相邻线路或变电站其它出线的影响，线路上存在与系统同频率(工频50Hz)的电流和电压干扰，为了抵消这种干扰带来的影响，测试电源需增加注入的工频电流或提高测试电压以提高信噪比，而大测试电流和高测试电压必然导致测量设备的测试电源部分的体积庞大。如现有的线路工频参数测试设备，常使用三相调压器和10kV配电变压器作为测试电源，测试设备笨重不堪，需要卡车运输，起重吊车现场装卸。这给现场试验工作带来极大的不便，也给变电站的安全运行、操作人员的人身安全带来隐患。
现在的输电走廊的日益紧凑，参数测量时的工频干扰(静电感应和电磁感应)日趋恶劣，靠大幅度提高信噪比来实现干扰抑制的难度加大，而且会给测量结果带来较大的误差，亦对测试电源的容量要求加大。
另外，现有线路工频参数测量部分一般为指针式的电工仪表(如电流表、电压表等)，需人工读数，读数随机性高，影响参数测量的结果。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种线路工频参数测试仪，该线路工频参数测试仪体积小，重量轻，便于携带。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是一种线路工频参数测试仪，它包含三相电输出端、具有三相输出的测试电源、用于测量三相电输出端上参数的测量部分；测试电源输出端与三相电输出端连接；测试电源为输出正弦脉宽调制波的三相变频交流电的测试电源。
上述方案中，测试电源的电路从输入端到输出端依次包括用于将市电变换为直流电的交流—直流变换部分、用于将直流电变换为直流电的直流—直流变换部分、用于将直流电变换为正弦脉宽调制波的三相变频交流电的直流—交流变频变换部分。
上述方案中，测试电源输出端与三相电输出端之间设有三相隔离变输出部分。
上述方案中，测试电源输出端与三相电输出端之间设有三相输出滤波部分。
上述方案中，测试仪还包括向测试仪内部提供直流电源的控制电源。
上述方案中，测试仪还包括提供给直流—直流变换部分功率模块作为开关控制信号的三相正弦脉宽调制控制模块。
上述方案中，测试仪还包括控制控制电源的在线可编程电路。
上述方案中，测量部分包括工控机和电压传感器、电流传感器；电压传感器、电流传感器的输出端经过信号调制、A/D转换输入工控机。
上述方案中，电压传感器、电流传感器包括三路相的电压传感器和电流传感器、一路互感电压传感器和电流传感器、一路直阻电压传感器和电流传感器。
上述方案中，测试电源为输出频率为52.5Hz。
本实用新型线路工频参数测试仪与现有技术相比具有以下优点1、测试电源采用能输出正弦脉宽调制波的三相变频交流电的测试电源，变频测试的特点是改变注入到试验线路中电流信号的频率，测试频率异于工频(输出频率为50Hz)，能去除工频干扰的影响，因此，测试电源部分的体积大大减小，使线路工频参数测试仪的体积也大大减小，重量大大减轻，便于携带。
2、测试电源包括交流—直流变换部分、直流—直流变换部分、直流—交流变频变换部分，电路设计简单，体积小。
交流—直流变换部分(AC to DC整流变换部分)的功能是实现将系统市电(220V交流电源)整流变换为固定输出的直流电源；直流—直流变换部分(DC to DC变换部分)的功能是实现将整流变换得到不稳定的直流电源进行稳压处理，并将电压变换至适合输出要求的稳定幅值；直流—交流变频变换部分(DC to AC变频变换部分)的功能是实现将稳压直流电源逆变为输出为正弦脉宽调制波的三相交流电源。
3、测试电源输出端与三相电输出端之间设有三相隔离变(输出部分)，可实现将正弦脉宽调制波的输出经LC滤波为具有一定平滑程度的正弦波形。
4、三相隔离变压器输出部分可实现将前一级的输出与被测对象进行电气上的隔离，同时根据设计要求进行电压幅值变换，并通过在输出级并联滤波电容，利用变压器的漏感进一步滤波。
5、控制电源变换模块可提供测试仪工作所需的内部直流电源。
6、测量部分包括工控机和电压传感器、电流传感器；电压传感器、电流传感器的输出端经过信号调制、A/D转换输入工控机，实现多路电压、电流幅值和相位的测量以及运算等。
本实用新型线路工频参数测试仪可以独立完成线路工频参数测量工作。
图1为本实用新型线路工频参数测试仪实施例的结构框图图2为测试电源的功能框图图3为测试电源的电路原理图图4为测量部分的结构框图图5为PID环节原理图图6为正弦脉宽调制波形产生原理图具体实施方式
如图1所示的本实用新型专利，它包含三相(A相、B相、C相)电输出端、具有三相输出的测试电源、用于测量三相电输出端上参数的测量部分、向测试仪内部提供直流电源的控制电源、控制控制电源的在线可编程电路(在线编程模块控制)；测试电源输出端与三相电输出端连接；测试电源为输出正弦脉宽调制波的三相变频(输出频率为52.5Hz)交流电的测试电源。
如图2所示，测试电源的电路从输入端到输出端依次包括用于将市电(220V单相交流电源)变换为直流电的交流—直流变换部分(AC to DC整流变换部分)、用于将直流电变换为直流电的直流—直流变换部分(DC to DC变换部分)、用于将直流电变换为正弦脉宽调制波的三相变频交流电的直流—交流变频变换部分(DC to AC变频变换部分)。
如图4所示，测量部分包括工控机和传感器电路(电压传感器、电流传感器)；电压传感器、电流传感器的输出端经切换控制模块、信号调制、A/D转换(多通道数据采集模块)输入工控机控制核心电路。
如图3所示测试电源的电路，AC to DC整流变换部分(A部分)的设计比较简单，将输入的单相交流220V电源经过整流桥后得到直流整流电源，这种整流电源的负载特性很差，是不能够用来直接提供给DC to AC(C部分)变频变换部分的，因此设置了DC to DC(B部分)变换部分中间变换环节。
DC to DC变换部分将输入变换为特定电压输出的稳定直流电源，是具有反馈环节的自动控制系统，它由四个主要部分组成IPM高频斩波、高频中间变压器、高频整流、高频滤波。
DC to AC变频变换部分是变频电源最为关键的环节，频率的设定、输出电压的调节都是通过这一关节来实现，这部分的功率元件虽然不多，但十分重要，电源的各次谐波含量、频率稳定度等多项性能指标都由这部分的设计决定。
D1-D4组成的整流桥和主电解电容C1可按普通整流电路选取，实际电路中取整流桥为KBPC3510整流桥，C1选用3个680uF的高频电解电容并联，高频电解电容具有低的内部等效电阻和等效串联电感值，这是高频电流引起电解电容发热的重要原因，C2的选用与C1相同。
T1-T4为IGBT器件，集成在一个封装内，工业生产中将过热及部分过流保护检测电路一起集成模块内，称为IPM智能模块。在选用IPM模块时要考虑其最大可承受峰值电流和最大关断浪涌电压尖峰值，实际应用中在模块两端并联专门设计的缓冲电路作为电压保护以降低最大浪涌尖峰，T5-T8的选用与T1-T4相同。
整流管D5-D8不同于普通整流二极管，工作在高频电流状态下，必须在电流耐受范围内选用反相恢复时间短具有软恢复特性的快恢管，并配以相应的缓冲电路降低电压突变尖峰。
电感L和电容C2组成滤波电路，其值应根据系统的穿越频率和滤波效果进行选择，电感铁心采用高导磁材料铁氧体制成。(以下去掉)按以上原则考虑，计算后选用参数如下逆变智能模块选用三菱公司PM30CSJ060(30A/600V)；D5-D8选用IXYS公司DSEI60-10A型快恢复管；C1、C2分别选用3个680uF日立高频电解电容并联；L选用1.5mH/8A/30KHz铁氧体中频电感。
在控制部分，最核心的是DC to DC环节的PWM斩波模块和DC to AC环节SPWM正弦波脉宽调制模块，前者实现电压变换及稳压功能，后者实现DC/AC变换及调频调压功能；故障保护电路的设计是系统得以安全运行的可靠保证。
PWM斩波控制电路由PWM专用芯片SG3524的更新换代产品SG3525A及外围电路组成。与SG3524相比，该芯片的许多性能和功能得以提升增设了欠压锁定、慢启动电路，改进了脉宽调制比较器和误差放大器抗干扰性能大为增强，开关频率可高达200KHz，是目前比较优秀的PWM专用芯片。
PWM斩波控制工作在闭环的反馈系统中，对于交流电压下的恒定负载，大约可等效于恒定电压下大小不断变化负载的情况，这对电源控制系统的动稳定性能是一个严峻的考验，控制参数要时时刻刻跟踪输出的变化而变化，开环控制系统是满足不了这个要求的。为保证输出电压的稳定性和动态品质，引入反馈环节和串联校正环节形成闭环自动控制系统。反馈环节的精度和特性直接控制系统的质量，要求反馈环节的测量元件具有测量精度高、特性稳定、反应灵敏的性能。串联校正环节的作用是使偏差按照一定的规律运行以改善系统的动态品质或稳态性能。本测试电源中的PID(比例、积分、微分)调节器就是这样的一个串联校正装置。如图5所示，PID调节器是由比例、积分、微分电路组合而成的。
试验表明，仅有PI调节根本无法满足系统性能的要求，其输出电压波形随着输出电流的大小产生相应的畸变，波形某点的输出电流越大，这个位置电压波形距离标准正弦波越远(在纯阻性负载时这个位置位于波形的峰顶和峰谷)。为此，在比例积分控制的基础上增加了微分环节，虽然增加了电路的复杂性，但可提升系统的动态性能。在这里，我们同一个运算放大器来实现PID功能。
调试中发现，单相交流电源在动态参数上的复杂性和敏感性远远超过直流电源，对于PID环节各参数还要在计算的基础上仔细并且反复地加以调整才能得到比较满意的结果。
SPWM是正弦波脉宽调制的英文缩写，逆变单元的作用是把直流电变成交流电，为了在输出得到标准的正弦波，需要对逆变单元进行某种规律的控制，这一过程称为正弦脉宽调制。正弦波脉宽调制逆变是把输出变成一系列等幅的、宽度按照正弦规律变化的高频脉冲(如图6)，将这些脉冲进行积分，其效果等效于正弦波，若在输出加装滤波器滤掉高频成分，则可得到平滑的正弦波。
实现SPWM逆变的关键是得到按着规律变化的驱动信号，也即是正弦脉宽调制信号(SPWM)。得到SPWM信号的办法有很多种，从产生的电路形式上分无非是模拟方式、数字方式、数模混合方式，无论是哪种方法，它们的原理都是一样的，即通过比较标准正弦波(调制波)与高频三角波(载波)瞬时值的大小得到一系列脉冲信号，当然，得到的这一系列脉冲不能直接作为开关的驱动信号，还必须经过死区保护、分配处理等等。图XX给出了其调制原理，限于篇幅，原理在此就不再叙述。
稍早期有的公司将这部分功能做成专门的三相SPWM芯片HEF4752，随着技术的发展，该芯片已被淘汰。目前大家流行采用高速单片机或工控机方案来实现，但设计复杂，开发周期长；我们在调查过程中发现，英国MITEL公司新推出了一种用于电机调速方面的芯片SA866AE，我们在对这种产品仔细剖析之后，将之成功地应用到测试电源的设计上。这种方案只需要一片PLCC32封装的SA866AE芯片和一片DIP8封装的串行EEPROM，这两颗芯片组成的SPWM核心在印制板上的面积尚不足2平方厘米，可谓精巧实用。这种方案不仅具备产生SPWM波的功能，还集成有信号分配、死区控制、脉冲取消、故障监控等功能，应当是一个优秀实用的SPWM解决方案。
如图2所示，测试电源输出端与三相电输出端之间设有三相隔离变输出部分、三相交流输出滤波部分、故障检测报警电路。
故障检测报警电路的功能是实时检测电源工作过程中的输出过载、短路、功率器件过流等故障，并关断电源控制信号、给出故障报警提示。本实用新型实施例中的故障检测报警电路的故障保护类型有输出过压保护、输出过流保护、过载保护、IPM过流保护、直流臂过压保护、直流臂过流保护，一旦超过定值，首先关断IPM的驱动电路。
本实用新型实施例中还包括提供给直流—直流变换部分功率模块作为开关控制信号的三相正弦脉宽调制控制模块和在线可编程电路。
三相正弦脉宽调制控制模块的功能是根据测量需要产生某一特定基波频率的系列不等宽的方波信号，并提供给IPM功率模块作为开关控制信号。
FPGA大规模在线可编程电路的功能是实现控制电源工作时所需要的逻辑。
如图4所示，电压传感器、电流传感器包括三路相的电压传感器和电流传感器、一路互感电压传感器和电流传感器、一路直阻电压传感器和电流传感器。
权利要求1.一种线路工频参数测试仪，它包含三相电输出端、具有三相输出的测试电源、用于测量三相电输出端上参数的测量部分；测试电源输出端与三相电输出端连接；其特征在于测试电源为输出正弦脉宽调制波的三相变频交流电的测试电源。
2.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于测试电源的电路从输入端到输出端依次包括用于将市电变换为直流电的交流—直流变换部分、用于将直流电变换为直流电的直流—直流变换部分、用于将直流电变换为正弦脉宽调制波的三相变频交流电的直流—交流变频变换部分。
3.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于测试电源输出端与三相电输出端之间设有三相隔离变输出部分。
4.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于测试电源输出端与三相电输出端之间设有三相输出滤波部分。
5.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于测试仪还包括向测试仪内部提供直流电源的控制电源。
6.如权利要求2所述的测试仪，其特征在于测试仪还包括提供给直流—直流变换部分功率模块作为开关控制信号的三相正弦脉宽调制控制模块。
7.如权利要求5所述的测试仪，其特征在于测试仪还包括控制控制电源的在线可编程电路。
8.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于测量部分包括工控机和电压传感器、电流传感器；电压传感器、电流传感器的输出端经过信号调制、A/D转换输入工控机。
9.如权利要求8所述的测试仪，其特征在于电压传感器、电流传感器包括三路相的电压传感器和电流传感器、一路互感电压传感器和电流传感器、一路直阻电压传感器和电流传感器。
10.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于测试电源为输出频率为52.5Hz。
专利摘要本实用新型涉及一种线路工频参数测试仪，它包含三相电输出端、具有三相输出的测试电源、用于测量三相电输出端上参数的测量部分；测试电源输出端与三相电输出端连接；测试电源为输出正弦脉宽调制波的三相变频交流电的测试电源。测试电源采用能输出正弦脉宽调制波的三相变频交流电的测试电源，变频测试的特点是改变注入到试验线路中电流信号的频率，测试频率异于工频(输出频率为50Hz)，能去除工频干扰的影响，因此，测试电源部分的体积大大减小，使线路工频参数测试仪的体积也大大减小，重量大大减轻，便于携带。
文档编号G01R27/00GK2800285SQ20052009632
公开日2006年7月26日 申请日期2005年5月16日 优先权日2005年5月16日
发明者吴伯华, 陈继东, 刘晋, 陈鹏云 申请人:武汉华中电力电网技术有限公司