一種大電流交流電流源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大電流交流電流源，包括磁路投切及電流輸出電路、4路SPWM逆變?yōu)V波電路、驅(qū)動及報警保護電路、環(huán)路控制電路、邏輯控制電路、接口顯示電路。本發(fā)明實現(xiàn)簡單，成本較低；電流源輸出電流波形好，總諧波失真小于2％；輸出電流范圍寬，200A到25000A；輸出電流響應(yīng)時間快，在5ms內(nèi)就可以達(dá)到目標(biāo)值。
【專利說明】
一種大電流交流電流源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種大電流發(fā)生裝置，具體地說是一種電子式快速響應(yīng)交流電流源。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在需要進(jìn)行電流測試的產(chǎn)品的出廠檢測中，大電流源的快速響應(yīng)及寬范圍輸出一直是業(yè)內(nèi)一個很棘手的難題。尤其是要求輸出電流越大，越難達(dá)到快速響應(yīng)。主要原因有:一、對于低壓大電流的輸出設(shè)備，升流變壓器是設(shè)備中一個大時間常數(shù)的環(huán)節(jié)；二、被測產(chǎn)品個體差的存在引入了負(fù)載的隨機性；三、基于成本考慮，用戶常常需要電流源設(shè)備能有較寬的輸出范圍，以能適應(yīng)不同類型的產(chǎn)品。以上三個原因?qū)е码娏髟吹捻憫?yīng)時間一般都大于500ms，對于響應(yīng)時間較快的專用電流源，其輸出范圍又比較窄。這樣就造成了檢驗結(jié)果誤差較大或檢測成本較高。
[0003]在理論領(lǐng)域，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟。在工程技術(shù)方面，SPffM技術(shù)的快速成熟使電壓的快速調(diào)節(jié)變得更加容易?；陔p電流環(huán)的輸出電流控制具備了實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)和工程基礎(chǔ)。高精度，快響應(yīng)的瞬時電流源實現(xiàn)變得可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有電源裝置存在的電流無法快速響應(yīng)達(dá)到設(shè)定值并受負(fù)載變化影響的不足之處，本發(fā)明提供一種輸出電流的響應(yīng)速度、電流精度、波形失真都達(dá)到很好的效果、且不受電網(wǎng)波形失真影響的電子式交流瞬時電流源，并且通過多磁路變流器磁路的切入和切出實現(xiàn)高精度、寬范圍的電流輸出。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種大電流交流電流源，包括:磁路投切及電流輸出電路、4路SPffM逆變?yōu)V波電路、驅(qū)動及報警保護電路、環(huán)路控制電路、邏輯控制電路、接口顯示電路；
[0007]所述驅(qū)動及報警保護電路與4路SPffM逆變?yōu)V波電路、磁路投切及電流輸出電路順序連接，環(huán)路控制電路與驅(qū)動及報警保護電路、逆變電路、電流輸出電路連接；所述邏輯控制電路與驅(qū)動及報警保護電路、環(huán)路控制電路、接口顯示電路、磁路投切及電流輸出電路連接。
[0008]磁路投切及電流輸出電路包括順序連接的交流接觸器組、多磁路升流變壓器、電流傳感器和電壓傳感器；所述交流接觸器組的四個輸入端分別與4路SPffM逆變?yōu)V波電路的四個輸出端連接，控制端與邏輯控制電路的控制輸出端連接，四個輸出端分別與多磁路升流變壓器初級繞組的四個磁路連接；多磁路升流變壓器的次級繞組輸出端串聯(lián)電流傳感器，并聯(lián)有電壓傳感器；所述電流傳感器與環(huán)路控制電路連接；所述電壓傳感器與邏輯控制電路連接。
[0009]所述4路SPffM逆變?yōu)V波電路包括4組H橋電路，每個H橋都由四個IGBT構(gòu)成，IGBT的門極都和驅(qū)動與報警保護電路的輸出端連接，H橋電路的輸出端經(jīng)過差模電感后串聯(lián)有電流傳感器，并聯(lián)有電容；所述電流傳感器與環(huán)路控制電路連接；所述電容兩端的電壓輸出至磁路投切及電流輸出電路。
[0010]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0011]1.本發(fā)明輸出電流波形好，總諧波失真小于2% ;
[0012]2.輸出電流響應(yīng)時間快，在5ms內(nèi)就可以達(dá)到目標(biāo)值，精度3%以內(nèi)；
[0013]3.能輸出較大電流值，最高25000A;
[0014]4.在保證精度的情況下，輸出范圍較寬，最小輸出200A ;
[0015]5.電路實現(xiàn)簡單，成本較低；
[0016]6.原理簡單，器件選擇較為靈活，產(chǎn)品化方便。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明電氣結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖2為本發(fā)明環(huán)路控制電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3為本發(fā)明信號均流調(diào)整電路的原理圖；
[0020]圖4為本發(fā)明PID調(diào)整器的電路圖；
[0021 ] 圖5為本發(fā)明產(chǎn)生SPffM倍頻驅(qū)動脈沖的電路圖；
[0022]圖6為本發(fā)明三角波發(fā)生電路圖；
[0023]圖7為本發(fā)明中任意一路SPffM逆變?yōu)V波的電路圖；
[0024]圖8為本發(fā)明中磁路投切及電流輸出電路圖；
[0025]其中，1、磁路投切及電流輸出電路，2、4路SPffM逆變?yōu)V波電路，3、驅(qū)動及報警保護電路，4、環(huán)路控制電路，5、邏輯控制電路，6、接口顯示電路，7、信號均流調(diào)整電路，8、PID調(diào)整器，9、PffM倍頻信號生成電路，10、三角波生成電路。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明硬件采用內(nèi)外雙電流環(huán)控制。采用4路SPffM逆變電壓并聯(lián)輸出給多磁路變流器的原端。在逆變回路控制端加均流控制電路實現(xiàn)4磁路功率平衡。加入屏蔽與切換電路，實現(xiàn)4磁路可單獨或任意組合使用。
[0028]本發(fā)明包括磁路投切及電流輸出電路1、4路SPffM逆變?yōu)V波電路2、驅(qū)動及報警保護電路3、環(huán)路控制電路4、邏輯控制電路5、接口顯示電路6。
[0029]如圖1所示，所述的邏輯控制電路5分別與接口顯示電路6、環(huán)路控制電路4、驅(qū)動與報警保護電路3連接，還與磁路投切及電流輸出電路I連接；環(huán)路控制電路4與驅(qū)動及報警保護電路3連接，還與逆變電路和電流輸出電路連接；驅(qū)動及報警保護電路與4路SPffM逆變?yōu)V波電路連接；4路SPffM逆變?yōu)V波電路與磁路投切及電流輸出電路連接。
[0030]驅(qū)動與報警保護電路3用于生成IGBT的驅(qū)動電壓信號，并對驅(qū)動信號的開關(guān)時長進(jìn)行監(jiān)視，同時監(jiān)視IGBT的過電流及溫升情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常(如超過閾值)立即關(guān)斷信號；其輸出的驅(qū)動信號至4路SPffM逆變?yōu)V波電路2控制IGBT開通和關(guān)斷；
[0031]4路SPffM逆變?yōu)V波電路2用于將母線的直流逆變成可調(diào)的交流電壓，輸出的交流電壓信號至磁路投切及電流輸出電路I。同時其輸出的電流又被傳感器采樣，作為4路內(nèi)環(huán)電流信號至環(huán)路控制電路4(內(nèi)的四個內(nèi)環(huán)PID調(diào)整器)；
[0032]磁路投切及電流輸出電路I通過控制內(nèi)部變壓器磁路的切入切出，從而實現(xiàn)設(shè)備輸出寬范圍的電流；其接收邏輯控制電路5的I/O端口給出的控制信號，輸出外環(huán)電流信號至環(huán)路控制電路4、輸出電壓及電流采樣信號至邏輯控制電路5的AD轉(zhuǎn)換端口 ；
[0033]邏輯控制電路5用于本電流源設(shè)備的整體控制；通信端口輸出設(shè)備參數(shù)(設(shè)備地址、報警信息、I/O狀態(tài)等)及運行數(shù)據(jù)至接口顯示電路6，I/O端輸出邏輯信號至驅(qū)動與報警保護電路3、輸出參考信號至環(huán)路控制電路4 ;
[0034]環(huán)路控制電路4用于對輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制；輸出脈沖信號至驅(qū)動與報警保護電路的接入端。
[0035]磁路切換及電流輸出電路I由交流接觸器組、4磁路升流變壓器、大電流傳感器和電壓傳感器組成。交流接觸器組受邏輯控制電路控制，完成變壓器任意磁路的組合，4磁路升流變壓器副端輸出大電流，并通過傳感器將信號反饋給環(huán)路控制電路。
[0036]4路SPffM逆變?yōu)V波電路2的每一路都是使用大功率IGBT搭建的H橋電路，輸出經(jīng)過差模電感及電容濾波，并由傳感器采集其輸出電流獲得內(nèi)部電流反饋信號。
[0037]環(huán)路控制電路4包括串行連接的外環(huán)路PID調(diào)整器、內(nèi)環(huán)路PID調(diào)整器、信號均流處理調(diào)整電路和SPffM倍頻信號生成電路；外環(huán)路PID調(diào)整器接升流變壓器反饋的電流采樣信號和邏輯控制電路的參考信號，其輸出接給內(nèi)環(huán)路PID調(diào)整器；內(nèi)環(huán)路PID調(diào)整器還接入4路SPffM逆變?yōu)V波電路2反饋的電流信號，然后輸出給均流調(diào)整單元。
[0038]邏輯控制電路5由數(shù)字控制芯片F(xiàn)PGA，電平轉(zhuǎn)換芯片組成；接口及顯示電路由光耦隔離器件，RS232芯片，觸摸屏組成。
[0039]如圖2所示，環(huán)路控制電路包括串行連接的外環(huán)PID調(diào)整器、內(nèi)環(huán)PID調(diào)整器、信號均流調(diào)整電路及PWM倍頻信號生成電路。其中外環(huán)PID調(diào)整器的輸入端接邏輯控制電路5輸出的參考信號和磁路切換及電流輸出電路I中變壓器輸出的電流信號米樣；外環(huán)PID調(diào)整器的輸出分別與4路SPffM逆變?yōu)V波電路2輸出的電流采樣作為四對輸入接至4路內(nèi)環(huán)PID調(diào)整器的輸入端，其中外環(huán)PID調(diào)整器的輸出作為參考值，4路SPffM逆變?yōu)V波電路2輸出的電流采樣分別作為4路反饋值，輸入至內(nèi)環(huán)PID調(diào)整器進(jìn)行PID控制；4路內(nèi)環(huán)PID調(diào)整器的輸出都接入信號均流調(diào)整電路；最終的調(diào)制信號與高頻三角波信號接入SPffM倍頻信號生成電路；然后信號再經(jīng)死區(qū)調(diào)整和邏輯控制電路最后連接到驅(qū)動及報警保護電路3。
[0040]如圖3所示，信號均流調(diào)整電路的4路調(diào)制信號分別由4個運放LT1216構(gòu)成的跟隨器接入，然后分別通過4個均流電阻取得4路信號的瞬時平均值，再通過另一個跟隨器輸出。
[0041]如圖4所示，PID調(diào)整器由運放、電阻R6、R7構(gòu)成比例放大環(huán)節(jié)，Cl為微分電容，C2為積分電容，即構(gòu)成基本的PID調(diào)節(jié)電路。圖中的輸入in為參考信號與反饋電流的差值。
[0042]如圖5所示，PffM倍頻信號生成電路中，由比較器LM211對輸入的三角波和調(diào)制波比較，最終生成一系列占空比變化的方波信號(4組SPffM信號)。
[0043]如圖6所示，由兩個運放LT1216構(gòu)成的三角波發(fā)生電路，電位計R19，R15分別用來調(diào)節(jié)三角波的幅值和頻率。
[0044]如圖7所示，一路逆變?yōu)V波電路由4個IGBT組成的一個H橋和I個差模電感L，I個無極性電容C組成。DC+，DC-間的直流電壓由3相電整流所得，正常約540V。通過此電路將直流電逆變成所需要的交流電壓輸出。由傳感器SQl采集的H橋的輸出電流獲得內(nèi)部電流反饋信號。
[0045]如圖8所示，磁路投切及電流輸出電路包括若干交流接觸器，一個4磁路升流變壓器、一個電流傳感器和一個電壓傳感器。交流接觸器組通過邏輯電路的控制實現(xiàn)4磁路的任意組合使用。由傳感器SQ2采集升流變壓器輸出的電流信號作為外環(huán)電流信號。由傳感器SQ3采集升流變壓器輸出的電壓反饋給邏輯電路處理。
[0046]本發(fā)明的工作原理如下:首先由邏輯控制電路通過DA給出精準(zhǔn)的正弦參考量，在環(huán)路控制電路中參考量與磁路投切及電流輸出電路I的反饋信號運算、并通過PID調(diào)節(jié)，然后再與4路SPffM逆變?yōu)V波電路2反饋的4路信號分別運算和PID調(diào)節(jié)，最后與標(biāo)準(zhǔn)三角波信號比較生成4組(16路)開關(guān)脈沖至驅(qū)動與報警保護電路3。為了保證功率的均衡輸出，在反饋信號運算環(huán)節(jié)加入了信號均流調(diào)整電路。最終SPffM逆變?yōu)V波電路2內(nèi)的功率管在開關(guān)脈沖控制下輸出高壓脈沖量，經(jīng)LC濾波后生成正弦電壓，接入磁路投切及電流輸出電路I的多磁路升流變壓器原端。以上過程即實現(xiàn)了將高壓高頻低電流的脈沖量變成低壓大電流的正弦信號輸出。調(diào)節(jié)給定的正弦信號和控制工作磁路的數(shù)量即可改變輸出電流的大小。
【主權(quán)項】
1.一種大電流交流電流源，包括:磁路投切及電流輸出電路(I)、4路SPffM逆變?yōu)V波電路(2)、驅(qū)動及報警保護電路(3)、環(huán)路控制電路(4)、邏輯控制電路(5)、接口顯示電路(6)； 所述驅(qū)動及報警保護電路(3)與4路SPffM逆變?yōu)V波電路(2)、磁路投切及電流輸出電路(I)順序連接，環(huán)路控制電路(4)與驅(qū)動及報警保護電路(3)、逆變電路(2)、電流輸出電路(I)連接；所述邏輯控制電路(5)與驅(qū)動及報警保護電路(3)、環(huán)路控制電路(4)、接口顯示電路(6)、磁路投切及電流輸出電路⑴連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流交流電流源，其特征在于:磁路投切及電流輸出電路(I)包括順序連接的交流接觸器組、多磁路升流變壓器、電流傳感器和電壓傳感器；所述交流接觸器組的四個輸入端分別與4路SPffM逆變?yōu)V波電路(2)的四個輸出端連接，控制端與邏輯控制電路(5)的控制輸出端連接，四個輸出端分別與多磁路升流變壓器初級繞組的四個磁路連接；多磁路升流變壓器的次級繞組輸出端串聯(lián)第一電流傳感器，并聯(lián)有電壓傳感器；所述電流傳感器與環(huán)路控制電路(4)連接；所述電壓傳感器與邏輯控制電路(5)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流交流電流源，其特征在于所述4路SPffM逆變?yōu)V波電路⑵包括4組H橋電路，每個H橋都由四個IGBT構(gòu)成，IGBT的門極都和驅(qū)動與報警保護電路(3)的輸出端連接，H橋電路的輸出端經(jīng)過差模電感后串聯(lián)有電流傳感器，并聯(lián)有電容；所述第二電流傳感器與環(huán)路控制電路(4)連接；所述電容兩端的電壓輸出至磁路投切及電流輸出電路(I)。
【文檔編號】G05F1/12GK106033224SQ201510112925
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月16日
【發(fā)明人】張旭, 張雙林, 劉賀祥, 秦勇, 王玉山, 佟強, 王雷
【申請人】沈陽新松機器人自動化股份有限公司