工頻三相標準源的製作方法
2023-10-10 18:15:29
專利名稱：工頻三相標準源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三相電參數的標準計量裝置。
對於包括三個相電壓及相角、三個相電流及相角、相電流和相電壓之間可調相位等多個三相交流電參數進行標準計量，關係到電站的正常發電、生產廠的成本核算、效益分析。目前應用三相校驗臺對這些電參數進校驗。這種三相校驗臺，如河南思達ST-9001，是由三相電源、三相標準表、調節設備(包括幅值、相位、頻率)，臺體(包括量程變換的電壓互感器、電流互感器等)等部分組成，體積龐大，笨重，臺體上有塊監視表，調節過程中要注視儀表的指示，操作不便，勞動強度大，整體精度取決於標準度的準確度。目前計量單相交流電參數的標準源，如WK-5型，是將輸出信號轉化成直流信號與機內的直流基準信號進行比較來保持輸出信號幅值的準確度，幅值取樣丟失了相位信號，需增加相位/時間採樣，再進行相位控制。對於要對三個電壓、三個電流及相位進行調節的三相標準源，採用這種幅值法控制使系統複雜，易引起振蕩不能正常工作。
本發明的目的是提出一種不用調節設備、標準表、監視表，體積小、重量輕、操作方便、造價低，直接給出十一個三相電參數的工頻三相標準源。
本發明採用的技術方案是用單片機做控制中心，設有接口和保護系統，其特徵是採用數字合成三相正弦波作為信號源，信號源輸出三個相電壓、三個相電流信號，形成六個單元，每個單元信號經前饋式功率放大器放大，並由矢量取樣器將信號送入比較器與信號源基準比較，實現前饋控制。從而保證輸出信號與標準信號相同。
本發明採用的數字合成三相信號源由直流標準電源、存儲器ROM、地址發生器、數/模轉換器DAC、頻率綜合器、時分割移相器組成，其中直流標準電源提供標準信號幅值，頻率綜合器提供標準頻率，通過存儲器、數/模轉換器、時分割移相器合成正弦波，通過控制脈衝時間間隔改變移相角。
六個單元的前饋式功率放大器均由負反饋放大器、前饋誤差放大器、矢量採樣放大器組成，其中電流各單元採用的負反饋放大器為跨導式放大器。
三個電壓單元輸出端接有高比率、準確度的精密電阻，三個電流單元的輸出端接有高安匝數的互感器和精密運放、精密電阻，構成矢量取樣器，對幅值、位相進行矢量取樣後送至比較器。
本發明的三相標準源的信號幅值基準溯源於直流基準電壓，頻率、相角溯源於高穩定的石英振蕩，輸出的電壓、電流準確度可達0.02％，調節細度優於1×10-4相位設定誤差可達0.02°，功率因數等於1時功率設定值準確度為0.02％。由於簡化了構成，成本大幅度降低。採用智能化全鍵盤操作，使用方便，功能齊全，體積小，功能強。可廣泛用於校驗三相三線、三相四線有功、無功及單相電能表，也可校驗工頻頻率表，單、三相交流電壓、電流、功率、相位、功率因數表等。
圖1為本發明整機原理、結構圖；圖2為本發明三相標準源數字合成信號源的原理結構圖；圖3為本發明三相標準源的前饋式電壓功率放大器原理、結構圖；圖4為本發明三相標準源的前饋式電流功率放大器原理結構圖；圖5為本發明三相標準源的電壓單元矢量取樣器；圖6為本發明三相標準源的電流單元矢量取樣器。
下面結合附圖敘述本發明的實施例。
本實施例的工頻三相標準源由三相正弦數字合成信號源0、三個前饋式電壓功率放大器11、12、比較器13、三個電流功率放大器41、42、比較器43、三個電壓矢量取樣器14、三個電流矢量取樣器44、單片機管理系統CPU、鍵盤7、接口8、顯示CRT、過壓、過流保護系統9組成。信號源0輸出六路參數UAV、UBV、UCV、UAI、UBI、UCI構成六個單元1、2、3、4、5、6，各單元獨立閉環並與信號源串聯，見圖1。其中數字合成信號源0由標準直流電壓源DC，頻率綜合器01，二個地址發生器021、022，二個數據存儲器ROM041、042,6個數碼位12的數/模轉換器DAC051、052、053、054、055、056，時分割移器03組成，如圖2。一個周期內合成點數取3600點，直流參考標準電壓源DC提供Vref為0-10V，準確度優於20PPM，幅值穩定優於10PPM，細度為滿量程1PPM，三個前饋式電壓功率放大器由三個負反饋放大器11、三個前饋誤差放大器12、三個矢量取樣放大器15組成，如圖3。三個前饋式電流功率放大器由三個跨導式負反饋放大器41、三個前饋誤差放大器42、三個矢量取樣放大器45組成，如圖4。三個電壓單元1、2、3的輸出端接有高比率高準確度的精密電阻R141、R142，如圖5。三個電流單元4、5、6輸出端接有高安匝數互感器CT，精密運放440、精密電阻R441、R442，如圖6。
其工作過程和原理如下見圖2，信號源0通過改變參考標準電壓Vref可調節合成正弦信號幅值為需要值，頻率綜合器01輸出頻率Fclk，在Fclk/10作用下地址發生器021控制正弦ROM041以一定速率輸出正弦數據，並由數/模轉換器DAC051變成模擬正弦信號VA，當啟動電路檢測到某一「特定地址」時，起動移相計數器03，由移相設定值M開始做減法，當M減至零時發出同步脈衝，使地址發生器022從「特定地址」開始與地址發生器021同步循環輸出VB，此時VA與VB相角相當於M個脈衝，每個脈衝代表0.01°，只要M不變，這個過程就不斷循環，只要改變移相設定值M就可方便地改變相角，這樣就由信號源0輸出了六路標準帶有相位的電壓UAV、UBV、UCV、電流UAI、UBI、UCI信號。
為了滿足一些消耗功率較大的儀表的校驗、測試，需對六路信號進行功率放大。如圖3、如圖4，採用的負反饋放大器11、41增益為K，負反饋放大器增益K的誤差為e，前饋放大器12、42的增益為A，矢量取樣放大器15、45增益為β，則由圖3有o(1+e)=Ki,o=A(i-o)+Ki,當A＞＞1時，則U.o(1+eA)=U.i,]]>可以看出引入前饋技術後使原來的負反饋放大器的增益誤差e縮小了Aβ倍，適當選取Aβ值就可使前饋放大器的總增益只有幅值沒有幅角，即對信號i只有線性放大而不產生附加相位。
經過前饋功率放大的信號，採用電壓互感、電流互感器擴展量程。由互感器輸出的三個電壓單元1、2、3接有高比率準確度的精密電阻，R141、R142，溫度係數小於10ppm/c°，如圖5、採樣電壓β，U.=R1R1+R2U.]]>，互感器輸出的三個電流單元4、5、6接有高安匝數n的互感器CT和精密運放440、精密電阻R441、R442，如圖6，採樣電壓n,n=n
R，高安匝數的互感器大大降低了激磁誤差，精密運放的引入使互感器次級工作在近於短路狀態，這樣n就代表了
的幅值及相位。由此取到的矢量信號β、n即含有信號的幅值，又含有信號的位相，將其送入比較器13、43與信號源輸出信號進行實時跟蹤比較，實現全信息取樣和前饋控制。
管理系統採用8031單片機為系統核心，通過CPU數據總線控制，鍵盤7、顯示CRT、調頻、調幅、調相均採用大規模集成電路，軟體系統採用鍵樹結構，設計了RS232接口卡8，可組建自動測試系統，採用ADC0809A/D實時採樣進行故障診斷9，對幅值瞬間檢測，400μS完成4個通道檢測，檢測故障信號後向CPU發出中斷請求，CPU響應中斷進行相應處理，並給出「故障、錯誤」信息。
權利要求
1.工頻三相標準源，由單片機(CPU)做控制中心，設有鍵盤(7)、顯示(CRT)、接口(8)和保護系統(9)，其特徵是採用數字合成三相正弦波為內部基準信號源(0)，信號源輸出三個相電壓UAV、UBV、UCV、三個相電流UAI、UBI、UCI信號形成六個單元，三個電壓單元(1)、(2)、(3)信號經前饋式電壓功率放大器(11)、(12)放大，三個電流單元(4)、(5)、(6)信號經前饋式電流功率放大器(41)、(42)放大，通過矢量取樣器(14)、(44)將輸出的電流、電壓及相位送入比較器(13)、(43)，跟蹤信號源基準實現前饋控制。
2.按照權利要求1所述的工頻三相標準源，其特徵是該裝置數字合成信號源(0)由直流標準電源(DC)、頻率綜合器(01)、時分割移相器(03)、存儲器ROM(041)、(042)、地址發生器(021)、(022)、數模轉換器DAC(051)、(052)、(053)、(054)、(055)、(056)組成，其中直流標準電源提供標準信號幅值Vref，頻率綜合器(01)提供標準頻率Fclk，通過存儲器ROM、數/模轉換器DAC、時分割移相器(03)合成正弦波，控制脈衝時間間隔改變移相角。
3.按照權利要求1所述的工頻三相標準源，其特徵是該裝置三個電壓單元(1)、(2)、(3)的前饋式功率放大器由負反饋放大器(11)、前饋誤差放大器(12)、矢量取樣放大器(15)組成，三個電流單元(4)、(5)、(6)的前饋式功率放大器由跨導式負反饋放大器(41)、前饋誤差放大器(42)、矢量取樣放大器(45)組成。
4.按照權利要求1所述的工頻三相標準源，其特徵是該裝置的三個電壓單元(1)、(2)、(3)的輸出端接有高比率、高準確度的精密電阻(R141)、(R142)，三個電流單元(4)、(5)、(6)的輸出端接有高安匝數的互感器(CT)和精密運放(440)、精密電阻(R441)、(R442)，對輸出信號的幅值、位相進行矢量取樣送入比較器與信號源輸出的標準值比較，確保輸出信號與標準信號相同。
全文摘要
工頻三相標準源是由單片機做控制中心,數字合成正弦波做三相標準信號源0,信號源輸出幅度、相位、頻率均可調節的六個信號作為內部基準量U
文檔編號G01R35/00GK1218184SQ9711569
公開日1999年6月2日 申請日期1997年11月26日 優先權日1997年11月26日
發明者高巍, 李河, 楊新華, 梁浩, 梁福成 申請人:黑龍江省計量科學研究所