一種高精度交直流指示儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制

王衛(wèi)永

(焦作大學(xué)，河南 焦作 454003)

0.引言

電能是一種特殊的“商品”，在我國經(jīng)濟(jì)體系中占有重要地位。電能交易中主要使用各類電能表作為計(jì)量器具，其計(jì)量的準(zhǔn)確度關(guān)系到每一個(gè)用電部門和個(gè)人的切身經(jīng)濟(jì)利益，也能影響到眾多企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和全社會(huì)的能源利用率，因此電能計(jì)量儀表的發(fā)展水平直接決定了電能交易結(jié)算的公平程度。隨著電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的迅速提高，生產(chǎn)企業(yè)、電力部門、計(jì)量部門對三相、單相高精度電能標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)平臺的需求越來越迫切。為了能夠進(jìn)行更精準(zhǔn)的計(jì)量，更好地服務(wù)于市場需求，建立一套高精度的電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)已是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)模型

本著降低裝置及其操作系統(tǒng)對操作者專業(yè)能力要求的設(shè)計(jì)思想，本系統(tǒng)被嚴(yán)格分成兩個(gè)獨(dú)立工作的測試單元:三相測試單元和單相測試單元，同時(shí)，還簡化了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、切換回路設(shè)計(jì)，降低了生產(chǎn)成本，使得整個(gè)裝置操作簡便，電氣、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單大方。

在具體使用中，裝置的工作模式分為兩種情況:測試儀表工作模式和測試裝置工作模式。每種工作模式又分為交流工作狀態(tài)和直流工作狀態(tài)。

2.系統(tǒng)組成

該交直流標(biāo)準(zhǔn)裝置共分為三個(gè)組成單元:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、三相交流測試單元、單相測試單元。各個(gè)部分都可以獨(dú)立運(yùn)行，可根據(jù)不同的測量需求，選擇適當(dāng)?shù)臏y試單元或單元組合。其中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)裝置運(yùn)行的主控制中心，是其他單元工作的共用操作系統(tǒng)。

(1)計(jì)算機(jī)(PC機(jī))控制系統(tǒng)

在這個(gè)單元里，主要有系統(tǒng)多串口主控制PC機(jī)、監(jiān)視儀表及顯示器、輔助打印設(shè)備等，是整個(gè)系統(tǒng)的主控制中心，可獨(dú)立運(yùn)行。

(2)三相交流測試單元是該交直流指示儀表檢定裝置的重要組成部分，可獨(dú)立運(yùn)行。主要功能是配合PC機(jī)完成對三相交流儀表和裝置的測試。三相交流測試單元分為高精度三相交流功率電源、三相工作模式切換箱、供電管理箱、工作標(biāo)準(zhǔn)電能表和接線面板五個(gè)組成部分。

(3)單相測試單元是0.01級交直流指示儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置的另一個(gè)重要組成單元。單相測試單元包含交流測試和直流測試兩個(gè)部分，配合計(jì)算機(jī)完成對單相交/直流指示儀表和裝置的測試。單相測試單元的復(fù)雜性比三相要高，單相測試單元分為單相交/直流電壓源、直流電壓電流源、主控制箱、單相工作模式切換箱、供電管理箱、標(biāo)準(zhǔn)電能表和接線面板七個(gè)組成部分。

3.系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)原理方框圖如圖2，從圖中可以看出，該交直流指示儀表標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)包括三相測試單元和單相測試單元兩個(gè)重要組成部分。

三相測試單元存在有測試裝置工作模式和測試儀表工作模式兩種模式，這兩種工作模式的切換就是通過三相工作模式切換模塊來實(shí)現(xiàn)的。

在單相測試單元內(nèi)部包含有單相交流測試單元和單相直流測試單元兩個(gè)組成部分，而在單相直流測試單元中又進(jìn)一步分為直流電壓測試和直流電流測試。

圖2 系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)方框圖

4.配套電氣模塊的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)交流電壓測試電源采用模塊化設(shè)計(jì)，其原理框圖如圖3，其中分為波形發(fā)生與控制模塊、波形前置放大模塊、功率放大模塊、輸出反饋控制模塊。各模塊組裝成兩個(gè)機(jī)箱:即波形發(fā)生控制、波形前置放大與電壓輸出箱。

圖3 電源實(shí)現(xiàn)原理方框圖

5.裝置工作模式切換箱的設(shè)計(jì)

(1)三相工作模式切換箱的設(shè)計(jì)

三相工作模式切換模塊采用獨(dú)立CPU控制，通過外部切換按鈕進(jìn)行控制。根據(jù)要求，功率電源的輸出在電源關(guān)機(jī)時(shí)或開機(jī)初始化過程中是不接入標(biāo)準(zhǔn)表的，當(dāng)電源初始化完畢，計(jì)算機(jī)控制程序啟動(dòng)后，由人工將電源輸出信號按工作模式接入。

(2)單相工作模式切換箱的設(shè)計(jì)

單相測試單元也存在測試儀表和測試裝置兩種工作模式，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)輸入端子和輸出端子的切換，切換模塊主要完成測試單元的工作模式切換。主控制模塊通過RS232串口，傳遞裝置需要完成的工作信息到切換模塊，切換模塊根據(jù)測量需要進(jìn)行校驗(yàn)?zāi)Ｊ降那袚Q。

如圖4為單相切換模塊工作原理框圖:

圖4 單相測試單元工作原理框圖

①電壓回路切換原理

電壓切換回路包含兩種工作模式下的6種切換功能。

儀表模式下3種切換分別為:標(biāo)準(zhǔn)電源交流電壓的輸出(15～1000V)、標(biāo)準(zhǔn)電源直流大電壓的輸出(≥15V)、直流小電壓輸出(≤10V)。

裝置模式下3中切換分別為:被校裝置交流大電壓輸入(15～1000V)、被校裝置直流大電壓輸入(≥15V)、被校裝置小電壓輸入(≤10V)。

電壓回路切換模塊中各個(gè)繼電器的觸點(diǎn)開機(jī)時(shí)處于初始化的工作狀態(tài)，計(jì)算機(jī)通過主控制中心把各種切換信息傳遞給切換模塊，然后由切換模塊的CPU控制繼電器的切換。

②電流回路切換原理

電流切換回路同樣也包含兩種工作模式，每種工作模式下又分為兩個(gè)切換功能。具體設(shè)計(jì)如下:

儀表模式下兩個(gè)切換分別為:標(biāo)準(zhǔn)電源直流大電流輸出(0.1A≤DI≤30A)、標(biāo)準(zhǔn)電源直流小電流輸出(≤100mA)。

裝置模式下兩個(gè)切換分別為:被校裝置直流大電流輸入(0.1A≤DI≤30A)、被校裝置直流小電流輸入(≤100mA)。

電流回路切換模塊各個(gè)繼電器開機(jī)時(shí)處于初始化的工作狀態(tài)，計(jì)算機(jī)通過主控制中心把切換信息和電流量程匹配信息傳遞給切換模塊，然后由切換模塊的CPU控制繼電器的切換。

6.特別研究的問題——裝置的工藝布線

(1)問題的發(fā)現(xiàn)與分析

在進(jìn)行系統(tǒng)綜合調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)交流電源功率穩(wěn)定度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，且 C相電流穩(wěn)定度達(dá)到0.01%以上。分析問題后發(fā)現(xiàn)，是由于內(nèi)部布線工藝不合理以及C相電流回路切換繼電器觸點(diǎn)壓降過大造成的。由于地線的連接不合理，造成地線回路產(chǎn)生壓降和噪聲，結(jié)果導(dǎo)致電壓和電流整體穩(wěn)定性不好，從而影響到功率穩(wěn)定度;此外，繼電器觸點(diǎn)間壓降過大造成電流輸出回路內(nèi)部空載功耗過大，使得電流輸出不穩(wěn)定。

(2)改進(jìn)措施

對電氣回路地線的處理。由于不同的電氣回路都是獨(dú)立的，如果多個(gè)電氣回路的地線相互交叉，就會(huì)形成若干個(gè)相互干擾的電氣回路，這將會(huì)影響電源的工作可靠性，也會(huì)影響到電源的各項(xiàng)指標(biāo)。本裝置的電氣回路的地線處理按照以下規(guī)則進(jìn)行特殊處理:如果需要相互交叉時(shí)，各自回路的地線應(yīng)參考其源頭、輸出到哪里;對于單個(gè)電氣回路，接地要就近處理，避免引長線，避免與電源線交叉、捆綁在一起;電壓回路的地線與電流回路的地線是單點(diǎn)連接。

對臺體機(jī)殼接地的處理。臺體設(shè)置有明顯的接地端子，這個(gè)接地端子連接到大地上;各電氣模塊與臺體機(jī)殼均可靠接地;裝置及各模塊的供電電源的地線要與臺體接地端子可靠連接;電源供電變壓器的屏蔽接大地。

對交流電源導(dǎo)線的處理。原則上交流電源要單獨(dú)隔離，屏蔽措施要做好，但實(shí)際情況是不可能完全做到的。在設(shè)計(jì)裝置電氣結(jié)構(gòu)及臺體配線工藝時(shí)，盡量做到走線短、單獨(dú)捆扎，避免與信號線、地線、其他輸出線捆在一起;交流強(qiáng)電和弱電電源線分開走線，兩者都要避免與信號線、反饋線交叉、捆綁在一起。

對直流電源導(dǎo)線的處理。采取屏蔽隔離措施，避免其他高頻電路對其的影響。

輸出變壓器、變流器的初級線要求麻花狀纏繞。

把臺體電流輸出線按三個(gè)電元件分開，三個(gè)元件的電流線各自麻花狀纏繞，電流輸出線各相之間避免交叉，各自回路麻花狀纏繞，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)表的電流線與電壓線分開捆扎。

(3)改進(jìn)效果

經(jīng)過上述改進(jìn)，降低了電流回路的內(nèi)部功耗，電流穩(wěn)定度由最大時(shí)的0.01%提高到0.003%以內(nèi)，并且提高了整個(gè)裝置的電磁兼容性和工藝合理性。

7.結(jié)束語

數(shù)字式指示儀表和指示儀表校驗(yàn)裝置以體積小、重量輕、操作方便、結(jié)果直觀、讀數(shù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了快速推廣，并將擁有更廣闊的市場前景。在數(shù)字式儀表推廣普及的同時(shí)，對數(shù)字式儀表的檢定工作也變得更加重要，為了方便工作的開展，提高工作效率，自動(dòng)化校驗(yàn)裝置就應(yīng)運(yùn)而生。該交直流指示儀表標(biāo)準(zhǔn)裝置就是在這樣的背景和市場需求中誕生的。

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