一種高準確度寬頻高壓信號調理系統及方法與流程

2023-08-13 11:01:56 1

本發明涉及高電壓測試技術領域，並且更具體地，涉及一種高準確度寬頻高壓信號調理系統及方法。

背景技術：

一直以來，在高電壓測試中，作為標準器使用的設備主要是電壓互感器和分壓器。電壓互感器基於電磁耦合原理，其準確度高，穩定性好，是目前國內進行電壓互感器量值溯源及傳遞的主要設備；而分壓器的主要原理分為電容式、電阻式和阻容式三種，將一定數量的阻抗元件進行串聯，分壓，獲得低壓信號。與電磁式互感器相比，分壓器具備更高的電壓等級，廣泛應用於特高壓領域。不過若使用過多的分立器件，在進行交流信號測量時，其分布參數，寄生參數的直接影響了其分壓準確度，同時由於阻容元件的溫度特性、電壓係數，其測量準確度具有較大的溫度係數和電壓係數，從而影響整體分壓比。所以若將分壓器作為標準器使用，目前常用的方式是使用兩臺具有較低電壓係數和溫度係數的壓縮氣體電容進行串聯，並配合電子單元，構成一臺有源電子式標準分壓器。

已知的德國ptb使用的電子分壓器進行量值傳遞時，其工頻測試不確定度優於6×10-6，該類電容式分壓器的最大優點是：只需在低壓下使用感應分壓器或者低壓標準互感器對其進行溯源，即可在更高的電壓下進行量值傳遞，因為其具有較低的電壓係數。與同電壓等級的電磁式標準器相比，電子式標準分壓器在造價上具有較大的優勢，約為其的1/4-1/3，在量值溯源完成後，電子式標準分壓器在短時間內具有極高的穩定性，因此較為適合在實驗室內進行使用。瑞士哈弗萊是高電壓測試技術領域極具影響力的企業，其生產的高壓標準電容器、分壓器以及互感器校驗設備具有極高的穩定性和技術指標，而其生產的電子式標準分壓器4860由電容式分壓器本體和電子單元構成，其標稱測量準確度可達20ppm，電子單元可實現1010v電壓的直接輸入，原理未對外公開。然而該套設備也價格不菲，整套設備的售價在150萬元左右，主要價格集中在電子單元。

技術實現要素：

本發明提供了一種高準確度寬頻高壓信號調理方法及系統，以解決分壓器的整體分壓比不準確的問題。

為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供了一種高準確度寬頻高壓信號調理系統，所述系統包括：分壓器、第一電壓跟隨單元和變比調節單元，

所述分壓器，輸出端與所述第一電壓跟隨單元的輸入端相連接，用於對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，並將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元的輸入端；

所述第一電壓跟隨單元，分別與所述分壓器的輸出端和所述變比調節單元的輸入端相連接，用於提高輸入阻抗，並將所述初始的分壓高壓信號u1轉化為跟隨後的分壓電壓信號u2，並將所述跟隨後的分壓電壓信號u2傳輸至變比調節單元，其中所述u1和u2等電位；

所述變比調節單元，輸入端與所述第一電壓跟隨單元的輸出端相連接，用於對所述跟隨後的分壓高壓信號u2進行高精度調節。

優選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。

優選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩衝電路和跟隨電路，所述緩衝電路的輸入端與所述分壓器的輸出端相連接，所述緩衝電路的輸出端和跟隨電路的輸入端相連接，所述跟隨電路的輸出端還連接所述緩衝電路的低壓運放的供電電源的地上，實現了「自舉跟隨」。

優選地，其中在所述緩衝電路單元中電容c2和電阻r2串聯後和運算放大器a1並聯，用於對電路中的相位進行補償。

優選地，其中所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運算放大器a1的增益帶寬積。

優選地，其中所述系統還包括：

第二電壓電壓跟隨單元，與所述變比單元相連接，用於提高系統的帶負載能力。

優選地，其中所述變比調節單元採用多盤感應分壓器調節變比。

根據本發明的另一個方面，提供了一種高準確度寬頻高壓信號調理方法，所述方法包括：

通過分壓器對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，並將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元；

利用第一電壓跟隨電路將所述初始的分壓高壓信號u1轉化分壓高壓信號u2，其中所述u1和u2等電位；

利用變比調節單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調節。

優選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。

優選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩衝電路和跟隨電路，在所述緩衝電路單元中電容c2和電阻r2串聯後和運算放大器a1並聯，用於對電路中的相位進行補償，所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運算放大器a1的增益帶寬積。

優選地，其中所述利用變比調節單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調節，包括：

利用多盤感應分壓器對所述分壓高壓信號u2進行高精度調節。

本發明的有益效果在於：

1.本發明的技術方案將電壓跟隨電路進行改進，將低壓運算放大器運用於高壓電路環境，提高輸入阻抗，並與分壓器本體充分隔離，減小了對分壓器本體的分壓比的影響，設計簡單並能降低電路成本及運行功耗。

2.本發明的高壓信號調理系統具備寬頻特性，工頻下滿足0.01級，1khz以下滿足0.1級。

3.基於多盤感應分壓器原理對電壓進行高精度調節，從而間接提高了分壓器本體的分壓比的分壓準確度。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：

圖1為根據本發明實施方式的高壓信號調理系統100的結構示意圖；

圖2為根據本發明實施方式的自舉跟隨電路的示意圖；

圖3為根據本發明實施方式的測量輸入阻抗的示意圖；

圖4為根據本發明實施方式的多盤感應分壓器的示意圖；

圖5為根據本發明實施方式的測量不同頻率滿足的等級的原理圖。以及

圖6為根據本發明實施方式的高壓信號調理方法600的流程圖。

具體實施方式

現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，並且不局限於此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，並且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的範圍。對於表示在附圖中的示例性實施方式中的術語並不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過於正式的意義。

圖1為根據本發明實施方式的高壓信號調理系統100的結構示意圖。如圖1所示，所述高壓信號調理系統100用於對分壓器本體的分壓比進行調節，提高分壓器本體的分壓精確度。如圖1所示，所述高壓信號調理系統100包括：分壓器101、第一電壓跟隨單元102和變比調節單元103。優選地，其中所述系統還包括：第二電壓電壓跟隨單元104，與所述變比調節單元103相連接，用於提高系統的帶負載能力。

優選地，所述分壓器101的輸出端與所述第一電壓跟隨單元102的輸入端相連接，用於對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，並將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元102的輸入端。其中所述分壓器產生的分壓信號由分壓器產生。

例如，ui＝110/√3kv，若分壓器的分壓比為：則輸出的分壓高壓信號：

優選地，所述第一電壓跟隨單元102分別與所述分壓器101的輸出端和所述變比調節單元103的輸入端相連接，用於提高輸入阻抗，並將所述初始的分壓高壓信號u1轉化為跟隨後的分壓電壓信號u2，並將所述跟隨後的分壓電壓信號u2傳輸至變比調節單元，其中所述u1和u2等電位。優選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩衝電路和跟隨電路，所述緩衝電路的輸入端與所述分壓器的輸出端相連接，所述緩衝電路的輸出端和跟隨電路的輸入端相連接，所述跟隨電路的輸出端還連接所述緩衝電路的低壓運放的供電電源的地上。優選地，其中在所述緩衝電路單元中電容c2和電阻r2串聯後和運算放大器a1並聯，用於對電路中的相位進行補償。優選地，其中所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運放a1的增益帶寬積。

優選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。

第一電壓跟隨單元為一個自舉跟隨電路。圖2為根據本發明實施方式的自舉跟隨電路的示意圖。如圖2所示，所述自舉跟隨電路中，up通過r1、c1與輸出相連，既有正反饋又包含負反饋，運放a1的輸入輸出均處於相同電位，即up＝un＝uo，此電路穩定且低壓部分功耗基本為零。為了該電路能適應高壓條件，在前級跟隨器的後端使用一隻高壓功率運放a2，其輸出連接至前級運放的供電電源的地上。a1為低壓運放，工作電壓不能超過正負20v，而u1在工作時約200v，為了使低壓運放a1適應於200v電路，將u2反饋給a1的供電端，這樣u1雖然相對「地」是200v，但相對於供電端不超過20v，實現了「自舉跟隨」。低壓運放a1相對於高壓運放a2，很大程度節約成本的同時，還能大大降低功耗。一般實際使用的運算放大器對一定頻率的信號都會產生一定的相移，這樣的信號不僅使輸入輸出間存在相位差，而且反饋到輸入端將使放大電路工作不穩定甚至發生振蕩，為此圖2中r2、c2在整個電路中起一定的相位補償作用。

在電阻r1兩端的壓降為u1，則：u1＝uo-up＝up-un，所以輸入阻抗為：

由於電路中引入了深度負反饋，因此up和un是相等的，那麼ri就會趨於極大值了，理論上輸入電阻為無窮大。

圖3為根據本發明實施方式的測量輸入阻抗的示意圖。如圖3所示，將一高精度電阻與跟隨電路串聯，藉助微弱信號專用測量儀器鎖相放大器sr860測電阻兩端電壓，然後計算輸入阻抗的值，計算公式為：

測得該高壓跟隨電路在實驗室輸入電阻實測值約為20gω。

在本發明的實施方式中，運放a1選擇opa2140，耐壓能力±20v，增益帶寬積11mhz，則

取r2＝1kω，c2＝140pf，可使電壓調理器在寬頻調頻條件下消除角差且保證工作穩定，不會產生自激振蕩。高壓功率運放a2選擇pa15或者pa88，需要±225v直流電源供電。

優選地，所述變比調節單元103的輸入端與所述第一電壓跟隨單元102的輸出端相連接，用於對所述跟隨後的分壓高壓信號u2進行高精度調節。優選地，其中所述變比調節單元採用多盤感應分壓器調節變比。圖4為根據本發明實施方式的多盤感應分壓器的示意圖。如圖4所示，由於分壓器本體的分壓比存在一定誤差，將誤差控制在較小範圍比較困難。本專利基於多盤感應分壓器原理在高壓跟隨器中加入電壓調節功能，就可以調節整個系統的變比，大大減少分壓比誤差。感應分壓器的基本結構是自耦式電壓互感器，繞組由匝數相等且均勻繞制的幾段繞組構成。多盤感應分壓器由多個單盤感應分壓器組成，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、準確度高、穩定性好、溫度係數低、結構簡單等特點。在本發明的實施方式中，在本發明的實施方式中，使用六盤感應分壓器，即有6個完全一樣的電磁繞組：n1、n2...n6，每個繞組有11個抽頭：0～10，圖中將抽頭5和6引出接至下一級，根據互感器原理，u2＇＝0.1·u2，以此類推，u3＝10-6·u2。通過改變抽頭引出位置，可以任意調節u3的值。調整範圍0.000001·u2≤u3≤0.999999·u2，理論上感應分壓器本身的誤差為零，電壓調節精度可達多盤感應分壓器輸入端電壓的10-6。

本發明的系統具有高輸入阻抗(gω級)，並具有變比可調功能，實驗驗證其準確度等級工頻下滿足0.01級，1khz以下滿足0.1級。圖5為根據本發明實施方式的測量不同頻率滿足的等級的原理圖。如圖5所示，tx為被測裝置，即本發明實施方式的整個電子分壓器，ts為標準裝置，其準確度等級為0.002級，是目前國內最高標準。tx與ts一次相連，二次側取差壓，在不同頻率下測得電子分壓器工頻下滿足0.01級，1kh以下0.1級，而傳統分壓器只適用於工頻(50hz)條件下。本發明的技術方案能實現最高160v(rms)輸出，可與分壓器本體一起組成電子式分壓器，有利於提高分壓器技術研究水平，進一步提升關於諧波電壓計量測試能力。

圖6為根據本發明實施方式的高壓信號調理方法600的流程圖。如圖5所示，所述高壓信號調理方法600用於對分壓器的高壓信號進行高精度調節，使得分壓器的分壓比可以靈活調節，以減小分壓器本體的分壓比誤差。所述高壓信號調理方法600從步驟601處開始，在步驟601通過分壓器對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，並將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元。

優選地，在步驟602利用第一電壓跟隨電路將所述初始的分壓高壓信號u1轉化分壓高壓信號u2，其中所述u1和u2等電位。優選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。優選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩衝電路和跟隨電路，在所述緩衝電路單元中電容c2和電阻r2串聯後和運算放大器a1並聯，用於對電路中的相位進行補償，所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運算放大器a1的增益帶寬積。

優選地，在步驟603利用變比調節單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調節。優選地，其中所述利用變比調節單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調節，包括：利用多盤感應分壓器對所述分壓高壓信號u2進行高精度調節。

已經通過參考少量實施方式描述了本發明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發明以上公開的其他的實施例等同地落在本發明的範圍內。

通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考「一個/所述/該[系統、組件等]」都被開放地解釋為所述系統、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這裡公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。