鄧 文 孫 宇 陳 蘭 馮 路

摘 要：文中研制的 10 kA 強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源由 18 路 600 A 電流源并聯(lián)至匯流排，進(jìn)行大電流輸出。其精度達(dá) 100 ppm/a。該標(biāo)準(zhǔn)源采用了新型寬頻直流比較儀技術(shù)，開關(guān)電源并聯(lián)的分布式電源系統(tǒng)，以及全面的過壓、過流、電流開路保護(hù)系統(tǒng)等。通過實(shí)驗(yàn)對 600 A 源進(jìn)行性能測試，其短期穩(wěn)定性均保持在 10 ppm/min 水平。該標(biāo)準(zhǔn)源具有高精度、高安全性、操作智能化、檢定自動化等優(yōu)點(diǎn)，為建立直流大電流量值傳遞體系和檢測規(guī)范提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：10 kA 強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源；寬頻直流比較儀；開關(guān)電源；保護(hù)系統(tǒng)；量值傳遞

中圖分類號：TM93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

直流大電流廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、航天航空、高鐵機(jī)車等重要行業(yè)。核動力、金屬電解、高能物理等科學(xué)研究中，也需要用到數(shù)千安甚至更大的電流。當(dāng)前直流大電流測量方法包括分流器法、直流互感器法、電流比較器法、霍爾電流傳感器等磁學(xué)方法。直流大電流測量的準(zhǔn)確性會直接影響到直流電能的計(jì)量。

在國內(nèi)，直流大電流量值傳遞體系一直沒有建立，對于高效節(jié)能更是無從談起。本文提出的強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源，電流輸出能力為 10 kA，年變化率 100 ppm/a，其內(nèi)核由高穩(wěn)定度調(diào)節(jié)源和寬頻電流比較儀構(gòu)成，短期穩(wěn)定度達(dá) 10 ppm/min。為建立直流大電流計(jì)量量值傳遞體系和檢測規(guī)范提供了依據(jù)。

1. 10 kA 強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源

1.1 標(biāo)準(zhǔn)源的主要特點(diǎn)

（1）標(biāo)準(zhǔn)源由計(jì)算機(jī)軟件、操作臺、18 路 600 A 電流源、電壓測量模塊等組成。輸出 10 kA，連續(xù)可調(diào)，允許輸出電壓 4 V。

（2）18 路獨(dú)立電流源：18 路電流源可單獨(dú)控制，系統(tǒng)架構(gòu)靈活。電流輸出范圍：0~600 A；輸出穩(wěn)定度：0.002%/min；年準(zhǔn)確度：0.005%，調(diào)節(jié)細(xì)度：0.005%。

（3）采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的分布式電源系統(tǒng)，具有輸出容量大、效率高、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是保證大電流輸出主要因素。采用的開關(guān)電源不僅能滿足 EN/UL60601 等安全標(biāo)準(zhǔn)的要求（包括對低漏電流和強(qiáng)化隔離的要求），還滿足電磁干擾（EMI）B 級要求。可以保證輸出功率達(dá)到額定功率的 50%。

（4）可靠的保護(hù)系統(tǒng)。具有全面的過壓、過流、電流開路保護(hù)系統(tǒng)。若其中某一路電流源出現(xiàn)故障，不會影響其他電流源正常工作。

1.2 10 kA 標(biāo)準(zhǔn)源

主要特點(diǎn)介紹：

（1）計(jì)算機(jī)自動檢測軟件：通過 RS232 與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)保存等。

（2）操作臺：是硬件裝置同計(jì)算機(jī)通訊的橋梁。它既可以連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行全自動檢定，也可以脫離計(jì)算機(jī)軟件單獨(dú)控制硬件進(jìn)行半自動檢定。

（3）18 路電流源：是整套系統(tǒng)的核心。由32位微處理器、EEPROM、FPGA、開關(guān)電源、PWM、驅(qū)動及功放模塊、電流比較儀、A/D及D/A、各類通訊接口、按鍵、報(bào)警、電源模塊等組成。

（4）匯流排：起到匯流母線作用。由較厚的銅板制作而成，散熱快，可承受順時(shí)大電流。

2. 600 A 電流源

單臺電流源的精度是保證整套裝置作為大電流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。下文將分析單臺 600 A 電流源的原理及技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 工作原理

（1）電源部分：220 V 市電一方面通過變壓器變成直流電壓給整個(gè)系統(tǒng)供電。另一方面進(jìn)行整形濾波變成直流大電源，再通過 PWM 進(jìn)行脈沖調(diào)制輸出。

（2）直流電流輸出控制：32 位微處理器接收到操作臺命令后，通過 SPI 通信接口傳送至 FPGA，FPGA 再控制 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化器輸出一個(gè)電壓基準(zhǔn)信號傳送至積分器，此信號與反饋信號傳送至積分器經(jīng)過時(shí)間τ輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓信號。該電壓信號控制脈寬調(diào)制器 PWM 生成方波信號的幅值，方波信號通過功率放大器后驅(qū)動電流功放模塊輸出直流大電流，電流經(jīng)濾波后，流經(jīng)寬頻直流比較儀。寬頻比較儀將該大電流按設(shè)計(jì)好的比例標(biāo)準(zhǔn)二次轉(zhuǎn)換成小電流，該小電流通過I/V轉(zhuǎn)換電路變成電壓信號。此電壓信號一方面進(jìn)入反饋電路反饋至積分器，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，另一方面進(jìn)入 AD 采樣電路，記錄當(dāng)前實(shí)際輸出值。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過 1 μs。

表1

2.2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于大電流的測量，大電流測量精度直接影響到電流源的精度。本系統(tǒng)采用新型直流比較儀測量電流，能夠快速反饋電流變化。建立磁平衡的時(shí)間不超過 1 μs。而直流比較儀存在磁性和容性兩種誤差。磁性誤差是由鐵心磁導(dǎo)率不均勻、磁特性的非線性、鐵心截面不一致、原副繞組分布不均勻以及外界雜散磁場的影響引起的。可以采用高磁通密度材料制成的主磁屏蔽和高磁導(dǎo)率材料制成的內(nèi)屏蔽，將誤差減小至 1×10^-8。容性誤差是由于繞組線匝之間、繞組與繞組之間以及繞組對地之間存在寄生電容和電位差使得它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的漏電流引起的。可以采用靜電屏蔽減小誤差。對于測量線路誤差，主要是減少補(bǔ)償繞組漏阻，補(bǔ)償繞組選用截面較大的銅絕緣導(dǎo)線繞組，減少對補(bǔ)償繞組電流測量的影響。寬頻直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。IP 為直流大電流，W1為激勵繞組，W2 為檢測繞組，W3 為補(bǔ)償繞組。其中鐵芯 A 由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯 B 由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。實(shí)現(xiàn)原理：激勵源激勵鐵芯 A 和 B，W2繞組檢測信號通過二次諧波帶通濾波電路，檢測二次諧波信號。通過解調(diào)器得到直流信號，經(jīng)過前置放大器將信號放大，來控制伺服電流源輸出電流至 W3 補(bǔ)償繞組，經(jīng)過不斷調(diào)整使得使得鐵芯1和鐵芯2達(dá)到磁平衡狀態(tài)。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過 1 μs。通過標(biāo)準(zhǔn)電阻 R 進(jìn)行電流采樣，測試得到 U，計(jì)算出補(bǔ)償繞組電流，根據(jù)繞組匝數(shù)比計(jì)算出 IP 值。同時(shí)此信號可作為報(bào)警信號等狀態(tài)信號。

U = N×IP

式中：N為比例常數(shù)

圖1 寬頻直流比較儀

結(jié)語

本文提出的 10 kA 強(qiáng)直流電流標(biāo)準(zhǔn)源精度高，具有全面的過壓過流保護(hù)，安全可靠。計(jì)算機(jī)專用軟件，實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)管理，并導(dǎo)出不同格式的測試報(bào)告。為直流大電流量值傳遞體系的建立提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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