负电阻器及包括负电阻器的励磁回路的制作方法

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种负电阻器及包括负电阻器的励磁回路。

背景技术

在现有技术中，通常使用模拟同步发电机机组来模拟原型发电机机组，从而完成一些对于原型发电机机组的实验分析。

然而，模拟同步发电机受容量、结构以及外型等限制，模拟同步发电机机组的励磁绕组的电阻一般总比原型发电机机组的电阻大数倍，根据公式t＝l/r(t为时间常数，l为电感，r为电阻)，模拟同步发电机机组的时间常数则小于原型发电机机组的时间常数，使得模拟同步发电机机组在模拟原型发电机机组时有着较大的误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种负电阻器及包括负电阻器的励磁回路。

本发明提供一种技术方案：

一种负电阻器，所述负电阻器包括电流霍尔传感器、工作电源、调整管以及单片机，所述电流霍尔传感器、工作电源以及调整管依次串联，所述单片机的第一输入端与所述电流霍尔传感器连接，所述单片机的第一输出端与所述调整管的控制端连接；所述单片机用于从所述电流霍尔传感器获取励磁电流，将所述励磁电流调制为pwm波；所述调整管用于根据所述pwm波生成调整电压。

在本发明较佳的实施例中，所述调整管为三极管，所述三极管的基极与所述单片机的第一输出端连接。

三极管的基极与单片机的第一输出端连接，三极管可以根据基极接收到的电压信号的大小来调节三极管发射极与集电极两端的调整电压。当三极管的基极接收的电压信号变大时，调整电压变小；当三极管的基极接收的电压信号变小时，调整电压变大。

在本发明较佳的实施例中，所述单片机与所述调整管之间串联有第一光耦合器，所述第一光耦合器用于实现光电隔离。

单片机输出的为pwm波，需对pwm波进行处理之后，才能传递给调整管，第一光耦合器用于对pwm波进行光电隔离。

在本发明较佳的实施例中，所述第一光耦合器与所述调整管之间串联有滤波器，所述滤波器用于对所述pwm波进行滤波获得滤波电压，并将所述滤波电压传递给所述调整管。

经第一光耦合器进行光电隔离处理后的pwm波再经滤波器滤波处理，从而得到滤波电压，滤波电压传递给调整管，从而影响调整管的调整电压。

单片机的第一输入端接收由电流霍尔传感器采样的励磁电流if信号，控制调整管的连通端压降，(若调整管为三极管，则具体控制三极管的集电极以及发射极压降)从而完成pwm波信号的正反馈调节,使输出电压的设定值与励磁电流成正比。即若励磁电流信号减小，pwm波的脉宽减小，使得调整电压变大，根据公式rc＝(ue-vce)/if，(其中，ue为工作电源的电源电压，vce为调整电压，if为励磁电流)可知，(ue-vce)与if同时减小，使得电阻不变，从而实现了正反馈调节。

在本发明较佳的实施例中，所述单片机与所述电流霍尔传感器之间串联有第一a/d转换电路。

第一a/d转换电路可以将电流霍尔传感器的模拟量电流信号转换为数字量电流信号，然后传递给单片机的第一输入端。

在本发明较佳的实施例中，所述单片机的第二输入端与所述调整管的连通端连接。

单片机的第二输入端与调整管的连通端连接，从而实现反馈控制，单片机的第二输入端接收由调整管的连通端输出电压的取样信号，从而完成pwm波信号的负反馈调节。即若励磁电源降低或负载增加引起输出电压下降,pwm波的脉宽减小，调整管的控制端电压ube增加，连通端管压降vce下降，(若调整管为三极管，则基极电压增加，发射极与集电极之间的管压降下降)从而使输出电压回升到稳定输出值。

在本发明较佳的实施例中，所述单片机与所述调整管的连通端之间串联有第二a/d转换电路。

第二a/d转换电路可以将调整管的连通端的模拟量电流信号转换为数字量电流信号，然后传递给单片机的第二输入端。

在本发明较佳的实施例中，所述第二a/d转换电路与所述单片机之间串联有第二光耦合器。

第二光耦合器用于实现对数字量电流信号的光电分离。

在本发明较佳的实施例中，还包括键盘，所述单片机的第三输入端与所述键盘连接。

用户可以通过键盘输入某个电阻值，单片机接收到用户输入的电阻值后，通过调节pwm波的脉宽，使得该负电阻器所在的电路达到用户输入的电阻值相同的电阻。

本发明实施例还提供了一种包括负电阻器的励磁回路，包括上述的负电阻器、励磁电源以及励磁绕组；所述励磁电源的正极与所述负电阻器中的电流霍尔传感器连接，所述励磁电源的负极与所述励磁绕组的一端连接，所述励磁绕组的另一端与所述负电阻器的调整管连接。

在同步电机的励磁回路中，串接一个与同步电机的励磁电源电势同方向而且正比于励磁电流的附加电势，其作用必然助长励磁电流，这与正电阻阻止励磁电流的作用正好相反，其作用等同负电阻。若将其视作为励磁绕组的一部分，则可认为励磁绕组的直流等效电阻得到减小，即此附加电势起到负电阻的等效作用。

本发明实施例提供的负电阻器及包括负电阻器的励磁回路的有益效果是：

本发明实施例提供了一种负电阻器及包括负电阻器的励磁回路，所述负电阻器包括电流霍尔传感器、工作电源、调整管以及单片机，所述电流霍尔传感器、工作电源以及调整管依次串联，所述单片机的第一输入端与所述电流霍尔传感器连接，所述单片机的第一输出端与所述调整管的控制端连接；所述单片机用于从所述电流霍尔传感器获取励磁电流，将所述励磁电流调制为pwm波；所述调整管用于根据所述pwm波生成调整电压。负电阻器通过电流霍尔传感器、工作电源、调整管以及单片机之间的配合，形成一个与同步电机的励磁电源电势同方向而且正比于励磁电流的附加电势，可看做是一个负电阻，从而起到使得模拟同步发电机机组的励磁绕组的电阻减小到与原型发电机机组的电阻相同，从而使得模拟同步发电机机组模拟获得的数据更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的负电阻器的结构框图；

图2为本发明较佳实施例提供的负电阻器的一种具体实施方式的结构框图；

图3为本发明较佳实施例提供的励磁回路的结构框图；

图4为本发明较佳实施例提供的励磁回路的一种具体实施方式的结构框图。

图标：负电阻器100；电流霍尔传感器110；工作电源120；调整管130；单片机140；第一光耦合器150；滤波器160；第一a/d转换电路170；第二a/d转换电路180；第二光耦合器190；键盘191；励磁回路10；励磁电源200；励磁绕组300。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1，图1提供了一种负电阻器100，所述负电阻器100包括电流霍尔传感器110、工作电源120、调整管130以及单片机140。所述电流霍尔传感器110、工作电源120以及调整管130依次串联，所述单片机140的第一输入端与所述电流霍尔传感器110连接，所述单片机140的第一输出端与所述调整管130的控制端连接；所述单片机140用于从所述电流霍尔传感器110获取励磁电流，将所述励磁电流调制为pwm波；所述调整管130用于根据所述pwm波生成调整电压。

该负电阻器100相当于串接一个与同步电机的励磁电源电势同方向而且正比于励磁电流的附加电势，其作用必然助长励磁电流。

单片机140的第一输入端接收由电流霍尔传感器110采样的励磁电流if信号，控制调整管130的集射极管压降，从而完成pwm波信号的正反馈调节,使输出电压的设定值与励磁电流成正比。即若励磁电流信号减小，pwm波的脉宽减小，使得调整电压变大，根据公式rc＝(ue-vce)/if，(其中，ue为工作电源120的电源电压，vce为调整电压，if为励磁电流)可知，(ue-vce)与if同时减小，使得电阻不变，从而实现了正反馈调节。当励磁电流if增大时，单片机140将pwm波的脉宽调大，则该pwm波经光电隔离以及滤波后获得的滤波电压增大，滤波电压作用于调整管130的控制端，使得调整管130连通端的两端的调整电压vce变小。由于电源电压ue不变，vce变小，则负电阻器100的端电压(ue-vce)增大。即励磁电流if与(ue-vce)同时增大，根据公式rc＝(ue-vce)/if可得电阻rc不变。

单片机140具体为avr单片机140，avr单片机140片内有一个具有16位pwm功能的定时/计数器。在普通模式下，计数器不停地累加，计到最大值(top＝0xffff)后溢出，返回到最小值0x0000重新开始。当单片机140在快速pwm模式下，通过调整ocr1a的值可实现输出pwm波的占空比变化。产生pwm波形的机理是：pwm引脚电平在发生匹配时，以及在计数器清零(从max变为bottom)的那一个定时器时钟周期内发生跳变。

pwm波产生后不能直接用于调整管130，需将其调整为能随占空比的变化而变化的直流电压，在此，选用二阶rc低通无源滤波器160，可取得很好的效果，其中，二阶低通无源滤波器160的系统函数为：其中，a为通带增益，q品质因素,ω为截止频率。由式(1)可确定对应的电阻、电容值。信号经过二阶无源滤波网络后衰减比较厉害，需要增加一级功率放大电路。

具体地，所述调整管130为三极管，控制端为三极管的基极，连通端为三极管的发射极以及集电极，所述三极管的基极与所述单片机140的第一输出端连接。三极管的基极与单片机140的第一输出端连接，三极管可以根据基极接收到的电压信号的大小来调节三极管发射极与集电极两端的调整电压。当三极管的基极接收的电压信号变大时，调整电压变小；当三极管的基极接收的电压信号变小时，调整电压变大。调整管130可以为三极管，也可以为mos管，调整管130的具体类型不应该理解为是对本申请的限制。请参见图2，所述单片机140与所述调整管130之间串联有第一光耦合器150，所述第一光耦合器150用于实现光电隔离。单片机140输出的为pwm波，需对pwm波进行处理之后，才能传递给调整管130，第一光耦合器150用于对pwm波进行光电隔离。

所述第一光耦合器150与所述调整管130之间还可以串联有滤波器160，所述滤波器160用于对所述pwm波进行滤波获得滤波电压，并将所述滤波电压传递给所述调整管130。经第一光耦合器150进行光电隔离处理后的pwm波再经滤波器160滤波处理，从而得到滤波电压，滤波电压传递给调整管130，从而影响调整管130的调整电压。

所述单片机140与所述电流霍尔传感器110之间串联有第一a/d转换电路170。第一a/d转换电路170可以将电流霍尔传感器110的模拟量电流信号转换为数字量电流信号，然后传递给单片机140的第一输入端。

具体地，所述单片机140的第二输入端与所述调整管130的连通端连接。单片机140的第二输入端与调整管130的连通端连接，从而实现反馈控制，单片机140的第二输入端接收由调整管130的连通端输出电压的取样信号，从而完成pwm波信号的负反馈调节。即即若励磁电源降低或负载增加引起输出电压下降,pwm波的脉宽减小，调整管130的基射极电压ube增加，集射极管压降vce下降，从而使输出电压回升到稳定输出值。

具体地，所述单片机140与所述调整管130的连通端之间串联有第二a/d转换电路180。第二a/d转换电路180可以将调整管130的连通端的模拟量电流信号转换为数字量电流信号，然后传递给单片机140的第二输入端。

具体地，所述第二a/d转换电路180与所述单片机140之间串联有第二光耦合器190。第二光耦合器190用于实现对数字量电流信号的光电分离。

具体地，还包括键盘191，所述单片机140的第三输入端与所述键盘191连接。用户可以通过键盘191输入某个电阻值，单片机140接收到用户输入的电阻值后，通过调节pwm波的脉宽，使得该负电阻器100所在的电路达到用户输入的电阻值相同的电阻。单片机140还可以与显示屏连接，用于显示用户输入的电阻值。显示屏具体可以为液晶显示屏。

键盘191设计为3×4键盘191，由数字键0～9，功能键“删除”及“确认”组成，采用反转法实现键值识别。显示电路由带中文字库的lcd12864构成，该液晶可以每行8个汉字显示4行。能同时显示预设负电阻器100rc值、励磁电流if和负阻器的端电压ur。通过键盘191可预设负电阻器100rc值,并能按相应的步进从预设值进行自动增减。

请参见图3和图4，图3和图4共同示出了一种励磁回路10，其包括上述的负电阻器100、励磁电源200以及励磁绕组300；所述励磁电源200的正极与所述负电阻器100中的电流霍尔传感器110连接，所述励磁电源200的负极与所述励磁绕组300的一端连接，所述励磁绕组300的另一端与所述负电阻器100的调整管130连接。

在同步电机的励磁回路中，串接一个与同步电机的励磁电源200电势同方向而且正比于励磁电流的附加电势，其作用必然助长励磁电流，这与正电阻阻止励磁电流的作用正好相反，其作用等同负电阻。若将其视作为励磁绕组300的一部分，则可认为励磁绕组300的直流等效电阻得到减小，即此附加电势起到负电阻的等效作用。

或

其中，r0为模型机励磁绕组300直流电阻；rc为补偿的负电阻值；e为附加电势，与励磁电势vf同相，正比于励磁电流if：e＝ifrc。

励磁电流经励磁电源200的正极出发，可以依次经负电阻器100的电流霍尔传感器110、工作电源120、调整管130，最后经励磁绕组300回到励磁电源200的负端负阻器的负极。负电阻器100的端电压ur等于电源电压ue与调整管130两端的调整电压vce之差，即ur＝ue-vce。

该负阻器还留出了rs-485串行接口(图未示),可实现与上位微机之间的数据交换,并能达到计算机的远程控制。

本发明实施例提供了一种负电阻器100及包括负电阻器100的励磁回路，所述负电阻器100包括电流霍尔传感器110、工作电源120、调整管130以及单片机140，所述电流霍尔传感器110、工作电源120以及调整管130依次串联，所述单片机140的第一输入端与所述电流霍尔传感器110连接，所述单片机140的第一输出端与所述调整管130的控制端连接；所述单片机140用于从所述电流霍尔传感器110获取励磁电流，将所述励磁电流调制为pwm波；所述调整管130用于根据所述pwm波生成调整电压。负电阻器100通过电流霍尔传感器110、工作电源120、调整管130以及单片机140之间的配合，形成一个与同步电机的励磁电源电势同方向而且正比于励磁电流的附加电势，可看做是一个负电阻，从而起到使得模拟同步发电机机组的励磁绕组的电阻减小到与原型发电机机组的电阻相同，从而使得模拟同步发电机机组模拟获得的数据更加准确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。