电力变压器直流电阻的快速测量方法----恒流源的设计与试验（一） 电力变压器, 恒流源, 稳定性, 可靠性, 测量

Bazinga

第四章直流电阻测试仪用恒流源的设计与试验
4.1恒流源的应用与分类
近年来电力变压器直流电阻快速测试的研究中，恒流源器件被广泛采用，这是由于经仿真试验表明：较大的直流电流有利于感性负载直流电阻测量的快速性；具有高稳定度的直流电流有利于感性负载直流电阻测量的准确性。因此，研究一种具有高稳定性、较强带负载能力的较大容量的恒流源直接决定感性负载直流电阻测量的准确性、快速性和可靠性。因此本章介绍恒流源的基本原理和类型，并进行了恒流源器件的设计与试验。

一般把能够向负载提供恒定电流的电源称为“恒流源”。所谓“恒流”是一种习惯叫法，并不是电流值绝对不变，而是在一个工作范围内保持足够的稳定性。恒流源的基本作用是消除或削弱负载电阻和环境温度变化对输出电流的影响。

恒流源分类：按照所采用的调整元件不同，可分为电真空器件恒流源、双极性晶体管恒流源、场效应器件恒流源和集成电路恒流源。按照调整方式不同，恒流源可分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源。间接调整型恒流源根据调整元件的工作状态不同，又分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源[21]和组合调整型恒流源等。

文中先按调整方式分类对各种恒流源电路的特点与性能作简要介绍。然后则根据采用的调整元件不同，对各类恒流源电路进行详细讨论。

4.1.1.直接调整型恒流源
直接调整型恒流源由恒流器件和供电电源串联组成，电路结构非常简单，主要是利用了恒流器件的非线性特性对负载电流进行直接调整并使之保持稳定。作为恒流器件，早先采用镇流管，目前则广泛使用半导体恒流二极管。半导体恒流二极管在电路中的连接方法及其恒流特性如图4-1（a）所示。

半导体恒流二极管能在很宽的电压范围Us～Ub内提供十分恒定的电流，如图4-1（b），它在晶体管电路中得到了广泛应用。但是，目前恒流二极管的最大电流只是毫安级，限制了它的应用。


4.1.2间接调整型恒流源电子管、晶体管一般不能直接提供恒定电流，但可利用它们和其它电子元器件组合而成的恒流电路来实现恒流，所以称为间接调整。根据调整元件的工作状态不同，又分为连续调整、开关调整和组合调整型恒流源。

（1）连续调整型恒流源图4-2是连续调整型恒流源的结构示意图，其中4-2（a）是开环电路，4-2（b）是闭环电路。在图4-2（a）中，由基准电压Us，精密电阻Rs与射极跟随器F构成连续调整型恒流源开环电路。由于跟随器的输出电压和输入电压（即基准电压Us）大致相等，因此串联在输出电流通路中的实际负载上流过近似恒定的电流，它等于基准电压S U与精密电阻Rs之比，即Io = Us/ Rs.

图4-2（b）为连续调整型恒流源闭环电路，其中A为放大器，它是一个输入端接基准电压Us，另一输入端加上反馈电压IoRs，由于放大器的作用，使输出电流在标准电阻S R上的压降和基准电压近似相等，得到Io = Us/ Rs.由此可见，连续调整型恒流源的输出电流仅由基准电压和标准电阻决定，而与电源电压和负载变化无关。




（2）开关调整型恒流源

图4-3是开关调整型恒流源，这里的电源Us通过开关S和滤波回路向负载RL提供电流。由于这个电流也通过标准电阻Rs而放大器A将Rs上的电压降IoRs和基准电压Us比较，并对开关S进行控制以保持输出电流Io的稳定。




图4-3中S是一个电子开关，他的形式很多，在交流输入的情况下，一般采用单结晶体管触发的可控硅相控开关电路。而在直流输入时，则用多谐振荡器控制的开关电路。开关型恒流源用于输出容量大，但对恒流源性能要求不高的场合，例如用作蓄电池的恒流充电器。

（3）组合调整型恒流源
在连续调整型恒流源闭环电路中，当负载电阻很小甚至短路时，输入电源电压全部加到调整管的集-射极，耗散功率很大。所以，这种电路的恒流性能虽好，但输出容量不能很大。对于开关调整型恒流源，因其调整管工作在开关状态，效率明显提高，但输出纹波较大。为了克服上述矛盾，可以采用组合调整型恒流源，即在开关调整稳压电路后紧接连续调整恒流电路。

这样一来，开关电路输出的脉冲纹波经后接的连续调整电路的调整后，最终输出的电流就十分稳定，其结构方框图如图4-4所示



4.2恒流源的组成电路
随着电力电子技术的高速发展，高频开关电源因其体积小、重量轻、效率高等优点得到广泛的重视和应用。但因高频开关电源存在开关干扰较大，控制线路复杂等缺点，使其的应用受到限制。如测量仪器所需的稳压、稳流源，要求电源在一定的范围内连续可调、稳定性高、保护性能好。若直接采用高频开关电源则技术难度大，成本高，实用价值不大。而串联直流稳压电源虽具有调压范围宽、稳定性能好、控制线路简单等特点，但其调整管的功耗大，耐压性能不能很高。基于高频开关电源和串联直流稳压电源各自的特点，一般选择如下所示的方案。




电路的原理框图如图4-5所示。图中电源由主电路和控制电路组成。主电路包括预稳压电路、串联稳压电路、高频逆变电路和过流保护电路。控制电路以80C196单片机为核心，包括采样电路、交流同步电路、晶闸管触发驱动电路、高频逆变电路触发驱动和保护电路。本电路的稳压过程由两部分组成；串联调整稳压电路和晶闸管预稳压电路。串联稳压电路与常规的稳压电路相同，通过采样输出电压、将输出电压反馈到比较电路与基准电压比较，串联稳压电路根据比较器比较的差值进行调整使输出稳定。预稳压电路通过检测电路将调整管的输入电压和系统的输出基准电压检测送到单片机，单片机将两者求差后与基准电压比较，单片机根据比较的差值产生晶闸管的触发角，使调整管两端的电压在设定值，同时使调整管的输入电压稳定。通过这两步稳压使本电源的稳定度大大提高。过流保护是通过电流换流电路来实现的。当过流时，换流电路通过换流，使晶闸管预稳压电路不工作，切断串联稳压电路的输入，使电路的电流降低，当过电流消除后，单片机重新启动预稳压电路，保护电路不工作。

4.3整流电路
整流电路有可控制整流电路和不可控制整流电路两大类。其中可控制整流按相数又分为：单相和三相：单相可控整流按控制的类型又分为：单相半波可控整流，单相桥式全控整流电路，单相桥式半控整流电路。单相不可控整流电路又分为：单相半波整流，单相桥式整流电路。

为了从一定程度上降低成本和简化设计，可采用不可控的单相桥式整流电路，该整流电路由变压器的整流二极管组成。变压器首先把220V电压变换为整流电路所需的交流电压值，然后再由整流二极管将其变换成单相脉冲电压。

电力变压器采用副边无中心抽头的，为实现全波整流，必须采用桥式整流电路，二极管D1-D4组成整流桥，变压器副边无中心抽头。整流电路如图4-6：




当变压器的副边电压为

时，在滤波电容两端得到电压u0，当忽略二极管正向压降时，可用付氏级数表达式如下


式中，U2是电力变压器副边的交流电压的有效值，ω= 2πf，f是市电频率，u0中包含了直流平均成分U0，其值为付氏级数的第一项，即

此外，还包含频率分别为2ω、4ω等的交流谐波成分，其中2ω的谐波频率最低，常称为基波，其电压幅值Udm最大，由上式的第二项可知

整流器输出直流平均电压U0和电压脉动系数S1是它最主要的两项技术指标。脉动系数的定义可表示为：


因此，对于桥式整流电路来说


脉动系数是衡量整流器输出波形平滑程度的一项重要指标。为了把整流电路之后的交流成分滤去，因此，在整流电路后需要来连接一个低通滤波器，以使单相脉动电压或电流通过滤波电路之后，其交流成分受到较大的抑制，而平均直流成分减少不多，从而使滤波器输出电压的脉动系数大为减少。
4.4晶闸管预稳压电路
晶闸管预稳压电路的基本电路如图4-7所示。




该电路的工作原理是：检测电路将调整管的输入电压U1和输出的基准电压U01检测到单片机，单片机根据计算可以得到调整管的输出的基准电压U01以及晶闸管的基准触发角α。当ΔU1=Uor1+U2-U1不为零时，由此偏差可计算得到Δα，再由T1 +α+Δα的输入电压始终在Uor1+U2，稳定了输入，同时也使调整管两端的电压为设定值，其中T1为交流输入的过零点的时刻，U2为调整管至输出的电路压降。