一种大电流交流电流源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种大电流交流电流源，包括磁路投切及电流输出电路、4路SPWM逆变滤波电路、驱动及报警保护电路、环路控制电路、逻辑控制电路、接口显示电路。本发明实现简单，成本较低；电流源输出电流波形好，总谐波失真小于2％；输出电流范围宽，200A到25000A；输出电流响应时间快，在5ms内就可以达到目标值。
【专利说明】
一种大电流交流电流源
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种大电流发生装置，具体地说是一种电子式快速响应交流电流源。
【背景技术】
[0002]目前，在需要进行电流测试的产品的出厂检测中，大电流源的快速响应及宽范围输出一直是业内一个很棘手的难题。尤其是要求输出电流越大，越难达到快速响应。主要原因有:一、对于低压大电流的输出设备，升流变压器是设备中一个大时间常数的环节；二、被测产品个体差的存在引入了负载的随机性；三、基于成本考虑，用户常常需要电流源设备能有较宽的输出范围，以能适应不同类型的产品。以上三个原因导致电流源的响应时间一般都大于500ms，对于响应时间较快的专用电流源，其输出范围又比较窄。这样就造成了检验结果误差较大或检测成本较高。
[0003]在理论领域，经典控制理论和现代控制理论发展已经相当成熟。在工程技术方面，SPffM技术的快速成熟使电压的快速调节变得更加容易。基于双电流环的输出电流控制具备了实现的理论基础和工程基础。高精度，快响应的瞬时电流源实现变得可能。
【发明内容】
[0004]针对现有电源装置存在的电流无法快速响应达到设定值并受负载变化影响的不足之处，本发明提供一种输出电流的响应速度、电流精度、波形失真都达到很好的效果、且不受电网波形失真影响的电子式交流瞬时电流源，并且通过多磁路变流器磁路的切入和切出实现高精度、宽范围的电流输出。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]—种大电流交流电流源，包括:磁路投切及电流输出电路、4路SPffM逆变滤波电路、驱动及报警保护电路、环路控制电路、逻辑控制电路、接口显示电路；
[0007]所述驱动及报警保护电路与4路SPffM逆变滤波电路、磁路投切及电流输出电路顺序连接，环路控制电路与驱动及报警保护电路、逆变电路、电流输出电路连接；所述逻辑控制电路与驱动及报警保护电路、环路控制电路、接口显示电路、磁路投切及电流输出电路连接。
[0008]磁路投切及电流输出电路包括顺序连接的交流接触器组、多磁路升流变压器、电流传感器和电压传感器；所述交流接触器组的四个输入端分别与4路SPffM逆变滤波电路的四个输出端连接，控制端与逻辑控制电路的控制输出端连接，四个输出端分别与多磁路升流变压器初级绕组的四个磁路连接；多磁路升流变压器的次级绕组输出端串联电流传感器，并联有电压传感器；所述电流传感器与环路控制电路连接；所述电压传感器与逻辑控制电路连接。
[0009]所述4路SPffM逆变滤波电路包括4组H桥电路，每个H桥都由四个IGBT构成，IGBT的门极都和驱动与报警保护电路的输出端连接，H桥电路的输出端经过差模电感后串联有电流传感器，并联有电容；所述电流传感器与环路控制电路连接；所述电容两端的电压输出至磁路投切及电流输出电路。
[0010]本发明具有以下优点:
[0011]1.本发明输出电流波形好，总谐波失真小于2% ;
[0012]2.输出电流响应时间快，在5ms内就可以达到目标值，精度3%以内；
[0013]3.能输出较大电流值，最高25000A;
[0014]4.在保证精度的情况下，输出范围较宽，最小输出200A ;
[0015]5.电路实现简单，成本较低；
[0016]6.原理简单，器件选择较为灵活，产品化方便。
【附图说明】
[0017]图1为本发明电气结构图；
[0018]图2为本发明环路控制电路的结构图；
[0019]图3为本发明信号均流调整电路的原理图；
[0020]图4为本发明PID调整器的电路图；
[0021 ] 图5为本发明产生SPffM倍频驱动脉冲的电路图；
[0022]图6为本发明三角波发生电路图；
[0023]图7为本发明中任意一路SPffM逆变滤波的电路图；
[0024]图8为本发明中磁路投切及电流输出电路图；
[0025]其中，1、磁路投切及电流输出电路，2、4路SPffM逆变滤波电路，3、驱动及报警保护电路，4、环路控制电路，5、逻辑控制电路，6、接口显示电路，7、信号均流调整电路，8、PID调整器，9、PffM倍频信号生成电路，10、三角波生成电路。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0027]本发明硬件采用内外双电流环控制。采用4路SPffM逆变电压并联输出给多磁路变流器的原端。在逆变回路控制端加均流控制电路实现4磁路功率平衡。加入屏蔽与切换电路，实现4磁路可单独或任意组合使用。
[0028]本发明包括磁路投切及电流输出电路1、4路SPffM逆变滤波电路2、驱动及报警保护电路3、环路控制电路4、逻辑控制电路5、接口显示电路6。
[0029]如图1所示，所述的逻辑控制电路5分别与接口显示电路6、环路控制电路4、驱动与报警保护电路3连接，还与磁路投切及电流输出电路I连接；环路控制电路4与驱动及报警保护电路3连接，还与逆变电路和电流输出电路连接；驱动及报警保护电路与4路SPffM逆变滤波电路连接；4路SPffM逆变滤波电路与磁路投切及电流输出电路连接。
[0030]驱动与报警保护电路3用于生成IGBT的驱动电压信号，并对驱动信号的开关时长进行监视，同时监视IGBT的过电流及温升情况，一旦发现异常(如超过阈值)立即关断信号；其输出的驱动信号至4路SPffM逆变滤波电路2控制IGBT开通和关断；
[0031]4路SPffM逆变滤波电路2用于将母线的直流逆变成可调的交流电压，输出的交流电压信号至磁路投切及电流输出电路I。同时其输出的电流又被传感器采样，作为4路内环电流信号至环路控制电路4(内的四个内环PID调整器)；
[0032]磁路投切及电流输出电路I通过控制内部变压器磁路的切入切出，从而实现设备输出宽范围的电流；其接收逻辑控制电路5的I/O端口给出的控制信号，输出外环电流信号至环路控制电路4、输出电压及电流采样信号至逻辑控制电路5的AD转换端口 ；
[0033]逻辑控制电路5用于本电流源设备的整体控制；通信端口输出设备参数(设备地址、报警信息、I/O状态等)及运行数据至接口显示电路6，I/O端输出逻辑信号至驱动与报警保护电路3、输出参考信号至环路控制电路4 ;
[0034]环路控制电路4用于对输出电流进行闭环控制；输出脉冲信号至驱动与报警保护电路的接入端。
[0035]磁路切换及电流输出电路I由交流接触器组、4磁路升流变压器、大电流传感器和电压传感器组成。交流接触器组受逻辑控制电路控制，完成变压器任意磁路的组合，4磁路升流变压器副端输出大电流，并通过传感器将信号反馈给环路控制电路。
[0036]4路SPffM逆变滤波电路2的每一路都是使用大功率IGBT搭建的H桥电路，输出经过差模电感及电容滤波，并由传感器采集其输出电流获得内部电流反馈信号。
[0037]环路控制电路4包括串行连接的外环路PID调整器、内环路PID调整器、信号均流处理调整电路和SPffM倍频信号生成电路；外环路PID调整器接升流变压器反馈的电流采样信号和逻辑控制电路的参考信号，其输出接给内环路PID调整器；内环路PID调整器还接入4路SPffM逆变滤波电路2反馈的电流信号，然后输出给均流调整单元。
[0038]逻辑控制电路5由数字控制芯片FPGA，电平转换芯片组成；接口及显示电路由光耦隔离器件，RS232芯片，触摸屏组成。
[0039]如图2所示，环路控制电路包括串行连接的外环PID调整器、内环PID调整器、信号均流调整电路及PWM倍频信号生成电路。其中外环PID调整器的输入端接逻辑控制电路5输出的参考信号和磁路切换及电流输出电路I中变压器输出的电流信号米样；外环PID调整器的输出分别与4路SPffM逆变滤波电路2输出的电流采样作为四对输入接至4路内环PID调整器的输入端，其中外环PID调整器的输出作为参考值，4路SPffM逆变滤波电路2输出的电流采样分别作为4路反馈值，输入至内环PID调整器进行PID控制；4路内环PID调整器的输出都接入信号均流调整电路；最终的调制信号与高频三角波信号接入SPffM倍频信号生成电路；然后信号再经死区调整和逻辑控制电路最后连接到驱动及报警保护电路3。
[0040]如图3所示，信号均流调整电路的4路调制信号分别由4个运放LT1216构成的跟随器接入，然后分别通过4个均流电阻取得4路信号的瞬时平均值，再通过另一个跟随器输出。
[0041]如图4所示，PID调整器由运放、电阻R6、R7构成比例放大环节，Cl为微分电容，C2为积分电容，即构成基本的PID调节电路。图中的输入in为参考信号与反馈电流的差值。
[0042]如图5所示，PffM倍频信号生成电路中，由比较器LM211对输入的三角波和调制波比较，最终生成一系列占空比变化的方波信号(4组SPffM信号)。
[0043]如图6所示，由两个运放LT1216构成的三角波发生电路，电位计R19，R15分别用来调节三角波的幅值和频率。
[0044]如图7所示，一路逆变滤波电路由4个IGBT组成的一个H桥和I个差模电感L，I个无极性电容C组成。DC+，DC-间的直流电压由3相电整流所得，正常约540V。通过此电路将直流电逆变成所需要的交流电压输出。由传感器SQl采集的H桥的输出电流获得内部电流反馈信号。
[0045]如图8所示，磁路投切及电流输出电路包括若干交流接触器，一个4磁路升流变压器、一个电流传感器和一个电压传感器。交流接触器组通过逻辑电路的控制实现4磁路的任意组合使用。由传感器SQ2采集升流变压器输出的电流信号作为外环电流信号。由传感器SQ3采集升流变压器输出的电压反馈给逻辑电路处理。
[0046]本发明的工作原理如下:首先由逻辑控制电路通过DA给出精准的正弦参考量，在环路控制电路中参考量与磁路投切及电流输出电路I的反馈信号运算、并通过PID调节，然后再与4路SPffM逆变滤波电路2反馈的4路信号分别运算和PID调节，最后与标准三角波信号比较生成4组(16路)开关脉冲至驱动与报警保护电路3。为了保证功率的均衡输出，在反馈信号运算环节加入了信号均流调整电路。最终SPffM逆变滤波电路2内的功率管在开关脉冲控制下输出高压脉冲量，经LC滤波后生成正弦电压，接入磁路投切及电流输出电路I的多磁路升流变压器原端。以上过程即实现了将高压高频低电流的脉冲量变成低压大电流的正弦信号输出。调节给定的正弦信号和控制工作磁路的数量即可改变输出电流的大小。
【主权项】
1.一种大电流交流电流源，包括:磁路投切及电流输出电路(I)、4路SPffM逆变滤波电路(2)、驱动及报警保护电路(3)、环路控制电路(4)、逻辑控制电路(5)、接口显示电路(6)； 所述驱动及报警保护电路(3)与4路SPffM逆变滤波电路(2)、磁路投切及电流输出电路(I)顺序连接，环路控制电路(4)与驱动及报警保护电路(3)、逆变电路(2)、电流输出电路(I)连接；所述逻辑控制电路(5)与驱动及报警保护电路(3)、环路控制电路(4)、接口显示电路(6)、磁路投切及电流输出电路⑴连接。2.根据权利要求1所述的一种大电流交流电流源，其特征在于:磁路投切及电流输出电路(I)包括顺序连接的交流接触器组、多磁路升流变压器、电流传感器和电压传感器；所述交流接触器组的四个输入端分别与4路SPffM逆变滤波电路(2)的四个输出端连接，控制端与逻辑控制电路(5)的控制输出端连接，四个输出端分别与多磁路升流变压器初级绕组的四个磁路连接；多磁路升流变压器的次级绕组输出端串联第一电流传感器，并联有电压传感器；所述电流传感器与环路控制电路(4)连接；所述电压传感器与逻辑控制电路(5)连接。3.根据权利要求1所述的一种大电流交流电流源，其特征在于所述4路SPffM逆变滤波电路⑵包括4组H桥电路，每个H桥都由四个IGBT构成，IGBT的门极都和驱动与报警保护电路(3)的输出端连接，H桥电路的输出端经过差模电感后串联有电流传感器，并联有电容；所述第二电流传感器与环路控制电路(4)连接；所述电容两端的电压输出至磁路投切及电流输出电路(I)。
【文档编号】G05F1/12GK106033224SQ201510112925
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月16日
【发明人】张旭, 张双林, 刘贺祥, 秦勇, 王玉山, 佟强, 王雷
【申请人】沈阳新松机器人自动化股份有限公司