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交流恒流源用于电流传感器校准测试

日期:2020-08-16 03:00
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摘要:
高稳定度大功率交流恒流源设计
摘 要:从高稳定度大功率交流恒流源的实际需求出发,通过两种方案的比较以及实验数据的测试验证了晶体管功率放大方案的可行性以及其优势与劣势,提供了一种高稳定度恒流源的设计思路,使得电流标准源的需求得到满足。
关键词:高稳定度;大功率;交流;恒流源
Design of high2stability and high2power current source
Abstract : Fir stly the demand of high2power AC current source isint roduced in this paper ,then it proves the feasibility of
t ransistor s power2magnify with it s advantage and disadvantagethrough comparing two methods and testing , provides a
method that makes high2stability current source to be t rue , andsatisfies such demand of current calibrator .
Keywords : high2stability ;high2power ;alternating ;currentsource
0  引 言
随着工业发展,电流传感器已被应用于工业社会的多个方面,以汽车工业举例来说,我们需要了解电池何时需要充电,需要了解电池组在获取来自引擎发电机或者制动模式下的荷电状态,从而驱动电动马达进行工作,这些都使得人们对车辆电气系统的多个位置进行可靠准确的电流测量提出了更多的要求[1 ] 。再比如铁路、电力、工厂,总之需要用到电的地方都需要用到电流传感器。在电能应用高度发展的今天,电流传感器起到一个不可或缺的作用。电流传感器的量程与精度是用户*关心的两个技术指标[ 2 ]。制造电流传感器的厂家就需要一种能够对一定量程的传感器进行校准的标准电流源,使得出厂的传感器都能满足用户的要求,于是高稳定度的标准电流源变得尤为关键。由于交流电在工业生产中使用*为频繁,并且市电频率是50Hz ,那么这里就以测量50 Hz 交流电的电流传感器为校准对象来进行标准电流源的设计。
1  正弦电流的产生
正弦电流有多种方式可以得到,首先介绍一种比较成熟的方式,其原理示意图如图1 所示。
如图1 所示,采用PWM 的方式控制IGBT,使其工作在开关状态,通过对整流所得的直流电源进行斩波后得到方波,再采用滤波的方式在负载上得到正弦电流,使用控制电路对采样电阻上的电压进行检测与反馈控制来实现在负载上电流的恒定[3 ]。通过这种开关电源的方式可以做到恒流源的功耗小、体积小,但是由于其谐波的大量存在,使得电流稳定度不可能达到电流标准源的要求。开关电源不能满足设计要求,那么只能改变思路,利用功率器件的线性放大能力进行电源的设计[4 ] ,其原理示意图如图2 所示。
 
如图2所示,整个系统通过运算放大器构成负反馈系统。由于运算放大器的正负输入端电流近似为零,采样电阻上的采样电压将一直跟随正弦交流基准电压源的电压进行变化,于是在负载上得到所需的恒定正弦电流。这种利用三极管的功率放大电路得到恒定的输出电流的方式,避免了谐波分量的影响,通过测试,输出电流的稳定可以达到1‰,然而由于三极管工作于线性放大区,电源的效率很低,并且还有体积大、功耗大、不易散热的缺点。工业上所使用的电流传感器的精度一般在1 %,决定了其校准源的精度与稳定度都要高一个量级, 也就是1 ‰,为了实现该目标本文选择线性电源的方案进行设计。
2  具体设计实现
2. 1  正弦交流基准电压源与采样电阻
为了尽可能地简化设计,正弦基准电压源使用的是现成的函数发生集成芯片MAX038,通过设计外围电路,使得该基准电压源的频率与幅值可以方便调节。选择采样电阻时需要尤其考虑功率因素,因为经过它的电流与负载上的电流是一致的,在电流过大的情况下必须进行多个电阻的并联分流。
2. 2  正负直流电源的设计
负载上得到的电流实际上是由图2中的正、负两直流电源提供的,如果要求设计一个可以输出几十安培甚至几百安培的直流电流源,这个设计的要求就太高了。实际上,通过分析可以知道:只要负载上的电压可以始终保证能够给负载供出*大电流,那么正负直流电源的电压波动会由于负反馈系统的自行调整而影响不到负载,它们的实现可以通过对交流市电的变压后直接整流滤波得到,这已经通过实验得到了证实。变压器的设计要认真考虑,因为次边电压通过整流滤波后除了要供给负载产生电流外,还要在晶体管以及采样电阻上产生压降。如果过低,负载上的电流波形会出现失真;如果过高,多余的输入功率会转换为大量热量,不仅浪费能量而且影响系统性能。
2. 3  晶体管的参数选择
首先是电流参数,应该根据要求输出的*大电流峰值来选择晶体管,在电流过大的情况下应该采用多只晶体管并联的方式。然后是耐压参数,在一臂晶体管工作而另一臂晶体管截止时,截止的晶体管需要承受正负电压源的优良值之和,选择的晶体管的耐压值一定要高于该值,否则有损坏晶体管的危险。由于NPN与PNP 构成对管并且多只并联,应该尽量选择参数一致的型号。
2. 4  线性放大区与晶体管静态工作点设置
正常工作时,晶体管工作于线性放大区,这也是输出电流不失真的先决条件,于是,需要适当的电路来设置合适的静态工作点[ 5 ] 。图3所示为控制电路以及晶体管对管的驱动电路。
 
图3  晶体管对管的驱动电路图
2. 5 系统的散热
晶体管工作在线性放大区,就不可避免散热的问题,在大电流输出的情况下这会成为*主要的工程问题,使用散热片、进行风冷甚至水冷都是必要的考虑。
3  恒流源测试
采用上述的设计方法搭建了一个*大可以输出有效值600 A (峰值850 A) 的交流电流源,并且使用高精度的数字多用表KEITHLEY2001 做了100~600 A、步进100
A 输出电流的测试实验,其测试数据如表1 所示。
 
 从表1 中可以看到,从100 A 到600 A 的测试实验验证了该恒流源输出电流的稳定度达到了1‰的设计要求,那么利用该方案进行高稳定度恒流源的设计是切实可行的。
4  系统的改进
4. 1  可编程扩展
系统中的基准电压源是通过MAX038以及外围电路产生的,其频率与幅值都可以通过外围电阻进行调节。那么就可以使用单片机与数模转换器(DAC)的组合来实现电阻的修改,实现该电流源系统的可编程控制,同时还可以加入显示屏与按键,实现该电源的人机交互功能[ 6 ]。同时,由于使用了单片机,还可以进一步利用计算机进行控制,在此基础上,还能实现远距离控制以及多台并联控制或是顺序控制等。4. 2 采样信号的获取在图2所示的系统中,采样信号的获取是通过采样电阻来采得的,这在小功率系统中没有问题,但是在大功率系统中,却由于电流的巨大而使得采样电阻很难选择:阻值大了会造成过多的功率损耗而且加重散热的负担,阻值小了又会造成采样信号过小而易**扰。而且由于流过电流造成采样电阻的温度上升,给其阻值本身也会带来干扰,造成输出电流的不准确。于是采样电压可以通过高精度的电流传感器(精度优于1‰,例如DCCT) 来获得,它不需要串入回路中,完全没有使用采样电阻的弊端。综上所述,可以重画图2 的示意图,如图4 所示。
 
图4 中,将控制系统换作了计算机与单片机的组合,使得操作更加方便,同时改进了采样信号获取的方式,进一步提高系统的稳定性。
5  结束语
由前文可以知道,使用晶体管功率放大的方式可以实现高精度大功率恒流源的设计要求,而系统通过进一步的改进后,不仅可以保证输出的电流精度,还可以通过计算机的控制来适应多种行业对大功率电流源的需求,拓宽其应用的市场。