直流穩(wěn)壓電源現(xiàn)場檢定裝置設計

蘇　璠　才　瀅　張　丹

(中國人民解放軍92493部隊89分隊，葫蘆島 125000)

0　引言

直流穩(wěn)壓電源主要用于為電子設備提供直流供電電源，它的好壞直接關系電子設備的正常使用及技術性能有效發(fā)揮。直流穩(wěn)壓電源性能主要用穩(wěn)定性和紋波大小來表征。直流穩(wěn)壓電源還會因電網(wǎng)電壓變化而引起穩(wěn)定輸出量的變化，同樣也會因負載變化而引起穩(wěn)定輸出量的變化，這是直流穩(wěn)壓電源中所關注的源效應和負載效應。針對大功率穩(wěn)壓電源越來越多，不便于移動的現(xiàn)狀，研制設計了一種適合現(xiàn)場計量保障用的大功率直流穩(wěn)壓電源檢定裝置。

1　裝置組成及總體設計

根據(jù)《JJG 6—1999直流穩(wěn)壓電源檢定規(guī)程》，直流穩(wěn)壓電源周期檢定主要內容為：電源電壓調整率、負載調整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表和電流表示值誤差。所以，設計裝置主要由三組裝置組成：直流電子負載、智能電網(wǎng)調整器和穩(wěn)壓電源自動檢定裝置。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示，直流電子負載可提供檢定過程中直流穩(wěn)壓電源滿載和空載狀態(tài)；智能電網(wǎng)調整器可輸出檢定過程中要求的242V、198V和220V電網(wǎng)電壓；穩(wěn)壓電源自動檢定裝置部分可實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的電源電壓調整率、負載調整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表及電流表示值誤差等功能的自動測試與數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)功能如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)組成方框圖

圖2　穩(wěn)壓電源現(xiàn)場檢定裝置實現(xiàn)功能框圖

2　硬件設計

2.1　直流電子負載設計

直流穩(wěn)壓電源作為一個常規(guī)的電子設備，在各種電子產品測試過程中起著重要的作用，其性能的好壞直接影響著測試結果的精度和準確度。為了得到理想的測試結果，阻值精確、性能優(yōu)良的負載是必要的。常規(guī)的電阻負載(滑動變阻器和電阻箱)，由于其溫度的變化會引起阻值的變化，當電流很大時產生的熱噪聲及自身溫度驟然升高常常會影響測試結果。比如：在對一些高精度穩(wěn)壓電源進行參數(shù)檢測時，負載的性能會影響參數(shù)值的精確性。為了測量穩(wěn)壓電源的性能，設計了一個智能的、數(shù)字化控制的直流電子負載，它不同于傳統(tǒng)的固定電阻或可變電阻器，而是采用串口控制方式，根據(jù)被檢直流穩(wěn)壓電源的額定電流控制輸出恒流、恒壓狀態(tài)，即提供檢定過程中直流穩(wěn)壓電源滿載和空載狀態(tài)。恒流功能：0～240A，最大允許誤差：±(0.1%讀數(shù)+0.05%滿度)，恒壓功能：0.1～150V，最大允許誤差：±(0.03%讀數(shù)+0.02%滿度)，設計方案如圖3。

圖3　直流電子負載設計方案框圖

圖4　智能電網(wǎng)調整器設計方案框圖

2.2　智能電網(wǎng)調整器設計

穩(wěn)壓電源的檢定過程中要模擬電網(wǎng)變化檢定穩(wěn)壓電源的電源電壓調整率，傳統(tǒng)方法采用手動調壓器實現(xiàn)，調節(jié)過程復雜?，F(xiàn)采用無線控制器及智能調壓電路構成，由穩(wěn)壓電源自動檢定裝置無線控制單元采用遙控式無級變速技術，控制磁飽和變壓器使智能電網(wǎng)調整器輸出穩(wěn)定的242V、198V和220V電壓，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓自動調整。原理框圖如圖4所示。

智能電網(wǎng)調整器調壓范圍：160～252V，功率5kW，穩(wěn)壓最大允許誤差：±0.5%。由接觸式調壓器、伺服電機、比較電路、檢測電路、基準電路及無線接收電路等組成。穩(wěn)壓電源自動檢定裝置在檢定電網(wǎng)調整率時，由無線控制單元發(fā)送信號，智能電網(wǎng)調整器中無線接收電路接收指令，改變基準電路電壓，控制電路進行取樣比較放大，驅動伺服電機改變接觸式調壓器上電刷的位置，使輸出電壓穩(wěn)定在不同的電壓值。穩(wěn)壓過程中，無電火花產生，連續(xù)調節(jié)，平衡迅速。設計了限位保護，一旦調壓器滑動臂運轉至頂端或底端，便撞擊相應的限位開關，立刻切斷伺服電機的供電電源，則電機停轉。

2.3　穩(wěn)壓電源自動檢定裝置設計

紋波測試：0.05mV～1V，最大允許誤差：±0.1%；直流電壓測試：0～1000V，最大允許誤差：±0.01%；直流電流測試：0～240A，最大允許誤差：±0.01%。

2.3.1采樣測量模塊設計

模塊由直流電流和電壓采樣單元組成，輸入電壓信號經電壓轉換、濾波電路和A/D轉換完成測量；輸入電流信號經電流電壓轉換、電壓調理、濾波電路和A/D轉換完成測量，設計方案框圖如圖5所示。

圖5　采樣測量模塊設計方案框圖

2.3.2紋波電壓測量模塊設計

模塊由紋波電壓采樣單元構成，選用ADS8344轉換芯片來實現(xiàn)A/D轉換。ADS8344轉換芯片具有八通道模擬量輸入功能，采用16位Σ-Δ原理實現(xiàn)模數(shù)轉換功能，每個通道采取同步采樣，不存在時間延遲問題，設計方案框圖如圖6所示。

圖6紋波電壓測量模塊設計方案框圖

2.3.3控制單元設計

對各采樣單元及智能電網(wǎng)調整器和電子負載接入及輸出進行分時控制以保證穩(wěn)定電源各檢定功能的實現(xiàn)，其設計原理框圖如圖7所示。

圖7　控制單元設計方案框圖

穩(wěn)壓電源自動檢定裝置串口發(fā)送命令，通過串口通訊和解碼器到達地址編碼器控制繼電器動作使直流電壓、直流電流、紋波采樣單元工作；同時，穩(wěn)壓電源自動檢定裝置串口發(fā)送命令使電子負載工作在檢定所需狀態(tài)；穩(wěn)壓電源自動檢定裝置發(fā)送無線控制碼，使智能電網(wǎng)調整器輸出檢定電網(wǎng)調整率所需的電壓值。

3　軟件設計

軟件編制任務主要包括計量校準、數(shù)據(jù)管理、人員管理和通訊控制四個模塊，采用圖形化編程語言VB來編制，各模塊完成的主要功能如下：

1)計量校準模塊：完成直流穩(wěn)壓電源的電源電壓調整率、負載調整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、紋波電壓、電壓表示值誤差、電流表示值誤差等功能的計量校準控制與數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包含粗大誤差的判別、不確定度分析以及數(shù)據(jù)誤差計算及合格判定等算法。

2)數(shù)據(jù)管理模塊：完成計量校準形成的原始數(shù)據(jù)存儲、管理、維護以及證書和記錄、報告的輸出。

3)通訊控制模塊：實現(xiàn)可控硬件單元的控制與數(shù)據(jù)傳輸和通信，和計量校準模塊各功能同步實現(xiàn)。

4)人員管理模塊：完成計量校準人員權限設置及密碼管理。

4　裝置的測試結果

該裝置研制完成后對其進行了測試，各功能滿足所有直流穩(wěn)壓電源紋波電壓，電壓表和電流表示值誤差的檢定，電源電壓調整率、負載調整率、輸出電壓短期穩(wěn)定性滿足0.04%以下級別的檢定要求。本裝置測試數(shù)據(jù)見表1、表2和表3，一般直流穩(wěn)壓電源技術要求與本裝置技術指標比較見表4。

表1直流電子負載測試數(shù)據(jù)

恒壓模式恒流模式設置值(V)標準值(V)實際誤差%最大允許誤差%結論設置值(A)標準值(A)實際誤差%最大允許誤差%結論22　0004-0　02±0　03合格1010　0009-0　009±0　03%合格100100　011-0　011±0　04%合格150150　017-0　0113±0　05%合格55　0011-0　02±0　1合格1010　006-0　0600±0　1合格100100　071-0　0710±0　1合格240240　062-0　0258±0　2合格

表2智能電網(wǎng)調整器電壓穩(wěn)定誤差測試數(shù)據(jù)

示值(V)實際值(V)實際誤差%最大允許誤差%結論198197　710　1±0　5合格220219　90　05±0　5合格242241　790　09±0　5合格

表3穩(wěn)壓電源自動檢定裝置測試數(shù)據(jù)

電壓測試電流測試標準值(V)顯示值(V)實際誤差%最大允許誤差%結論標準值(A)顯示值(A)實際誤差%最大允許誤差%結論0　20　200006-0　003±0　01合格0　20　2000050　002±0　01合格11　00002-0　002±0　01合格11　000080　008±0　01合格1010　00009-0　0009±0　01合格22　000090　004±0　01合格100100　0007-0　0007±0　01合格1515　00090　006±0　01合格10001000　008-0　0008±0　01合格200200　0110　006±0　01合格紋波電壓測試標準值(mV)顯示值(mV)實際誤差%最大允許誤差%結論標準值(mV)顯示值(mV)實際誤差%最大允許誤差%結論0　050　04999-0　02±0　1合格109　995-0　05±0　1合格0　10　100060　06±0　1合格100100　030　03±0　1合格

表4直流穩(wěn)壓電源檢定項目技術要求與本裝置技術指標比較表

直流穩(wěn)壓電源檢定項目直流穩(wěn)壓電源一般技術要求穩(wěn)壓電源自動檢定裝置技術指標是否滿足檢定要求紋波電壓0　05～100mV0　05mV～1V是電壓表、電流表示值誤差±(0　2%～0　5%)±0　01%是電源電壓調整率0　001%～1%±0　01%0　04%以下負載調整率0　001%～1%±0　01%0　04%以下輸出電壓短期穩(wěn)定性0　005%/10min～5%/10min±0　01%0　04%/10min以下

5　結束語

穩(wěn)壓電源現(xiàn)場檢定裝置已經研制完成，經性能試驗和計量測試滿足大功率穩(wěn)壓電源和通用直流穩(wěn)壓源的現(xiàn)場及實驗室校準、檢定和測試要求，自動完成檢定工作，提高了檢定工作效率，目前已用該裝置建立了直流穩(wěn)壓源測量標準，具有很好的推廣應用前景。其中直流電子負載帶有光電隔離的串行通信接口，可實現(xiàn)程序控制，并可任意多個擴展，可任意多個擴展，擴展電流范圍為N×240A(N為擴展數(shù)量)。

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