一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)及其測試方法
【專利摘要】一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)及其測試方法，該系統(tǒng)包括功率電路及其驅(qū)動模塊、采樣模塊、電源整流供電模塊、DSP或FPGA控制模塊、通訊轉(zhuǎn)換模塊、PC機及上位機軟件；其中功率電路及其驅(qū)動模塊與待測鐵磁元件相連用以輸出特定幅值、頻率的正負方波、正弦波、恒流源，用于對各類鐵芯類設備進行勵磁特性、伏安特性、直流電阻等相關測試等；本發(fā)明擯棄了傳統(tǒng)主動控制輸出電壓頻率的方式，而通過采樣電流對輸出電壓正負極性進行控制以實現(xiàn)自適應變頻，具有結(jié)構(gòu)簡單、測試方便、勵磁電流對稱性好、測量精度高、采樣數(shù)據(jù)全等優(yōu)點，適合各類鐵芯類設備進行勵磁特性、伏安特性測試。
【專利說明】
一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)及其測試 方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明公開了一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)及其測試方法，涉 及電力用互感器、電抗器、變壓器、其他各類鐵芯類設備進行勵磁特性(或伏安特性)測試。
【背景技術】
[0002] 互感器等鐵芯類設備是電力行業(yè)中不可或缺的一環(huán)，其性能對電力系統(tǒng)的計量、 監(jiān)控、繼電保護、錄波、測距均有影響。勵磁特性、伏安特性試驗是對鐵芯類設備進行檢測的 重要手段。傳統(tǒng)方式一般采用工頻電源在被測鐵芯類設備施加電壓的方法進行試驗，根據(jù) 變壓器理論相關知識，如果采用工頻或者高頻電源測試，則被測設備兩端電壓將會上升至 較高水平這是不利于測試人員及設備安全的。于是近年來出現(xiàn)了低頻低壓的測試方式，使 得測試環(huán)境更加安全、測試儀器更加輕便。但是現(xiàn)有的低頻低壓測試電流互感器等各類鐵 芯類設備的方法，大多采用主動控制輸出方波頻率的方式進行測試，存在著測試過程勵磁 電流不對稱、測量精確度不夠、非高速采樣設備采樣數(shù)據(jù)丟失等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于改善以往在鐵芯類設備低頻低壓測試方法中存在的勵磁電流 不對稱、測量精確度不夠、非高速采樣設備采樣數(shù)據(jù)丟失等問題，放棄了以往測試方法中主 動控制輸出電壓頻率的方式，而通過采樣電流對電壓正負極性進行控制，其結(jié)構(gòu)簡單、測試 方便、勵磁電流對稱性好、測量精度高、采樣數(shù)據(jù)全，適合各類鐵芯類設備進行勵磁特性、伏 安特性測試。
[0004] 本發(fā)明是通技術方案是:一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)，包括： 功率電路及其驅(qū)動模塊、采樣模塊、電源整流供電模塊、DSP或FPGA控制模塊、通訊轉(zhuǎn)換模 塊、PC機及上位機軟件;其中功率電路及其驅(qū)動模塊與待測鐵磁元件相連用以輸出特定幅 值、頻率的正負方波、正弦波、恒流源，用于對各類鐵芯類設備進行勵磁特性、伏安特性、直 流電阻等相關測試;采樣模塊負責對被測鐵芯類設備的電流、電壓等相關信息進行采集并 上傳至控制模塊同時接收控制模塊的控制指令;電源整流供電模塊與控制模塊以及功率電 路相連負責對功率電路進行低壓供電以及信號調(diào)理。而控制模塊采用頻率自適應方式對功 率電路輸出電壓(方波)的正負極性進行控制，同時控制模塊通過通訊轉(zhuǎn)換模塊將需要存儲 與處理的各類信息上傳到PC機最后送至上位機軟件如labview進行操作。
[0005] -種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)與連接關系為:系統(tǒng) 最底層為功率電路及其驅(qū)動模塊，可以通過切換輸出特定幅值、頻率的正負方波、正弦波、 恒流源。功率電路與控制模塊之間連接著電源整流供電模塊，該模塊主要用以提供低壓供 電與信號調(diào)理。電源整流供電模塊的上方平行放置著DSP或FPGA控制模塊，對功率電路提供 控制指令，以及電壓電流采樣電路，對被測鐵芯類設備的電流、電壓等相關信息進行采集。
[0006] -種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試方法，交替將正電壓和負電壓加載至 待測鐵芯類設備輸入端，采集被測設備的電壓、電流;通過電流閾值比較，控制電壓的正負 輸出，自適應地改變輸出方波電壓的頻率，使得被測鐵芯類設備的勵磁電流逐漸增加或減 小;通過該被動控制方波電壓頻率的方法和相關數(shù)學模型得出:基本磁化曲線、鐵芯磁化回 線簇、伏安特性曲線；
[0007] 步驟為：
[0008] 1)對待測鐵芯類設備的測量閾值電流±Iset進行設置；
[0009] 2)交替將正電壓和負電壓加載至待測的鐵芯類設備輸入側(cè)，采集被測鐵芯類設備 電流I、電壓U;
[0010] 3)對于高速采樣設備：將采集的電流I與當前設定的閾值電流± I s e t進行比較， 若-Iset<I<ISet，則輸出電壓保持為正極性；直到采樣電流I遞增達到正向閾值電流 Iset，則自動將輸出電壓切換為負極性并保持；當采樣電流I遞減達到反向閾值電流-Iset 時，再次自動將輸出電壓切換為正極性并保持，通過對達到正負閾值電流的次數(shù)進行計數(shù)， 測量出一個閾值電流對應的一圈磁滯回線，再自動對閾值電流進行更改測量出另一個閾值 電流對應的一圈磁滯回線，往復循環(huán)直至測試完成；
[0011] 4)對于非高速采樣設備，對正負閾值電流± Iset進行緩沖處理，使其保持為Iset 或-Iset-段時間，以滿足采樣需求，此時輸出電壓極性的調(diào)節(jié)方式與高速采樣設備測試時 所述不再一致，當采樣電流I滿足-Iset<I<I Set，輸出電壓保持為正極性；當采樣電流I遞 增達到正向閾值電流Iset后，輸出電壓保持為零，此時被測設備勵磁電流穩(wěn)定為Iset直到 采樣設備采樣完成再將輸出電壓切換至負極性；當采樣電流I遞減達到反向閾值電流-Iset 后，輸出同樣電壓保持為零，此時被測設備勵磁電流穩(wěn)定為-Iset直到采樣設備采樣完成再 將輸出電壓切換至正極性，通過對達到正負閾值電流的次數(shù)進行計數(shù)，測量出一個閾值電 流對應的一圈磁滯回線，再自動對閾值電流進行更改測量出另一個閾值電流對應的一圈磁 滯回線，往復循環(huán)直至測試完成；
[0012]
數(shù)學模型，求得被測鐵芯類設 備磁通與勵磁電流之間的關系，生成磁化曲線并存儲，其中(6.為被測鐵芯類設備輸出側(cè)兩 端所加電壓，起為被測鐵芯類設備的勵磁電壓，Φ (t)為被測鐵芯類設備磁通。
[0013] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] 1、可以在低壓低頻的環(huán)境下完成測試，有效降低試驗過程對人員以及被測設備的 安全風險，同時使得測試設備實現(xiàn)輕量化；
[0015] 2、采用電流控制，頻率自適應控制方式控制輸出電壓極性，解決勵磁電流不對稱 現(xiàn)象，使得測量精確度更高；
[0016] 3、對勵磁電流進行緩沖處理，使得非高速采樣設備同樣實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的采集，避 免采樣數(shù)據(jù)丟失；
[0017] 4、本發(fā)明不同于常規(guī)低頻低壓測試方法中直接對輸出電壓頻率進行控制，而采用 對鐵芯類設備勵磁電流進行主動控制，通過勵磁電流閾值比較，來控制輸出電壓極性，達到 方波電壓頻率自適應調(diào)整的目的，以解決測試過程勵磁電流不對稱的問題，提高鐵芯類設 備的測試精度；同時，對于非高速采樣設備難以獲取勵磁電流峰值的不足，此發(fā)明還對輸出 方波電壓的波形進行了改進，以滿足較低采樣速度時同樣適用。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0019 ]圖2為本發(fā)明勵磁特性試驗等效電路；
[0020]圖3為本發(fā)明等幅變頻方波輸出；
[0021 ]圖4為本發(fā)明等幅變頻方波對應的磁化曲線簇圖；
[0022]圖5為本發(fā)明電流翻轉(zhuǎn)對應方波電壓圖；
[0023]圖6為本發(fā)明改進電流翻轉(zhuǎn)對應方波電壓圖。
【具體實施方式】
[0024]為了更加清楚的闡述本發(fā)明的技術方案與優(yōu)勢，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一 步詳細說明，圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0025] 按照圖2建立被測鐵芯類設備勵磁特性試驗等效電路。其中Lm代表主電感、Re代表 渦流損耗電阻，Rh代表磁滯損耗電阻，R。*代表二次繞組直流電阻，u(t)是試驗時施加于二次 繞組上的端電壓，e(t)是二次繞組感應電勢。i e(t)是渦流損耗的等效電流，ih(t)是磁滯損 耗的等效電流，im( t)是流經(jīng)RdPLm組成的并聯(lián)支路的電流，i ex (t)是勵磁電流。
[0026] 對待測鐵芯類設備測試的閾值電流Iset進行設置。
[0027] 采用如圖3所示的等幅變頻的正負方波對被測鐵芯類設備進行供電，并對勵磁電 流工、電壓U等所需數(shù)據(jù)進行采樣并存儲。
[0028] 對于高速采樣設備，如圖5所示，控制模塊將采樣所得的勵磁電流I將采集的電流I 與當前設定的閾值電流±Iset進行比較，若-i set<i<iset，則輸出電壓保持為正極性;直到 采樣電流I遞增達到正向閾值電流I set，則自動將輸出電壓切換為負極性并保持；當采樣電 流I遞減達到反向閾值電流-Iw時，再次自動將輸出電壓切換為正極性并保持，通過對達到 正負閾值電流的次數(shù)進行計數(shù)，測量出一個閾值電流對應的一圈磁滯回線。再自動對閾值 電流進行更改，以自適應的改變輸出方波的頻率，使得輸出方波呈現(xiàn)為圖3所示的一組等幅 變頻方波，從而測量出另一個閾值電流對應的一圈磁滯回線，最終得到由等幅變頻的方波 測量出與之對應的磁化曲線簇，如圖4所示。
[0029]對于非高速采樣設備，如圖6所示，對正負閾值電流±Iset進行緩沖處理，使其保持 為Iset或-IS(3t-段時間，以滿足采樣需求。此時輸出電壓極性的調(diào)節(jié)方式與高速采樣設備測 試中所述不再一致，當采樣電流I滿足-I se3t<I<Ise3t，輸出電壓保持為正極性;當采樣電流I 遞增達到正向閾值電流I se3t后，輸出電壓保持為零，此時被測設備勵磁電流穩(wěn)定為Ise3t直到 采樣設備采樣完成再將輸出電壓切換至負極性；當采樣電流I遞減達到反向閾值電流-I set 后，輸出同樣電壓保持為零，此時被測設備勵磁電流穩(wěn)定為-Iset直到采樣設備采樣完成再 將輸出電壓切換至正極性，通過對達到正負閾值電流的次數(shù)進行計數(shù)，測量出一個閾值電 流對應的一圈磁滯回線，再自動對閾值電流進行更改測量出另一個閾值電流對應的一圈磁 滯回線，往復循環(huán)直至測試完成。
[0030]測試過程中控制模塊通過通訊轉(zhuǎn)換模塊將各項所需數(shù)據(jù)上傳至PC機處理，最后將 數(shù)據(jù)送至上位機軟件，在labview等上位機軟件中，根據(jù)測試數(shù)據(jù)。
數(shù)學模型，求得被測鐵芯類設備磁通與勵磁電流之間的關系，生成磁 化曲線并存儲。
【主權項】
1. 一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)，特征在于包括:功率電路及其驅(qū) 動模塊、采樣模塊、DSP或FPGA控制模塊、PC機及上位機在內(nèi)的關鍵模塊； 所述DSP或FPGA控制模塊與功率電路及其驅(qū)動模塊相連，根據(jù)測試需要發(fā)送控制信號 控制功率電路輸出所需的特定幅值、頻率的正負方波、正弦波、恒流源； 所述DSP或FPGA控制模塊還與采樣模塊相連，用于控制采樣模塊對被測鐵芯類設備的 電流、電壓進行采集。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試系統(tǒng)，其特征在 于，控制模塊為DSP或FPGA控制模塊能對輸出電壓的正負極性進行控制。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻測試系統(tǒng)的測試方 法，其特征在于DSP或FPGA控制模塊對輸出電壓的正負極性進行控制，主動控制輸出電流、 被動控制輸出電壓極性實現(xiàn)自適應地改變輸出方波電壓的頻率。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試方法，其特征在 于，測試中的自適應變頻技術，對于高速采樣設備測試，將采集的被測鐵芯類設備采樣電流 I與預先設定的測量閾值電流±Iset進行比較； 當-Iset<I<Iset，輸出電壓保持為正極性；當采樣電流I遞增達到正向閾值電流 Iset，則自動將輸出電壓切換為負極性并保持；當采樣電流I遞減達到反向閾值電流-Iset 時，再次自動將輸出電壓切換為正極性并保持。5. 根據(jù)權利要求3所述的一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試方法，其特征在 于，測試系統(tǒng)中自適應變頻技術，對于非高速采樣設備測試，將采集的被測鐵芯類設備采樣 電流I與預先設定的測量閾值電流±Iset進行比較并加以緩沖處理； 當采樣電流I滿足-Iset<I<Iset，輸出電壓保持為正極性；當采樣電流I遞增達到正 向閾值電流Iset后，輸出電壓保持為零，此時被測設備勵磁電流穩(wěn)定為Iset直到采樣設備 采樣完成再將輸出電壓切換至負極性；當采樣電流I遞減達到反向閾值電流-Iset后，輸出 同樣電壓保持為零，此時被測設備勵磁電流穩(wěn)定為-Iset直到采樣設備采樣完成再將輸出 電壓切換至正極性。6. 根據(jù)權利要求4或5所述的一種鐵磁元件勵磁特性的自適應變頻的測試方法，其特征 在于，測試系統(tǒng)通過對達到正負閾值電流的次數(shù)進行計數(shù)，測量出一個閾值電流對應的一 圈磁滯回線，再自動對閾值電流進行更改測量出另一個閾值電流對應的一圈磁滯回線，往 復循環(huán)直至測試完成。
【文檔編號】G01R31/00GK105866586SQ201610261349
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】梁仕斌, 劉濤, 田慶生, 王磊
【申請人】云南電力試驗研究院(集團)有限公司, 云南電力技術有限責任公司