新穎、快速、高精度變壓器直流電阻測(cè)試儀的研
【摘 要】介紹了一種實(shí)用、新穎、能快速測(cè)量變壓器直流電阻的高精度儀器的研制思路及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果,對(duì)其中某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并給出了性能指標(biāo),具有高精度、低噪聲、小功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:集成運(yùn)算放大器 恒流源 濾波 高精度放大器
1 引 言
變壓器繞組直流電阻的測(cè)量是變壓器實(shí)驗(yàn)中既簡(jiǎn)便又重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)繞組直流電阻的測(cè)量,可以檢查出繞組內(nèi)部導(dǎo)線的焊接質(zhì)量和引線與繞組的焊接質(zhì)量,繞組所采用的導(dǎo)線是否符合設(shè)計(jì)要求,分接開關(guān)(有載調(diào)壓開關(guān)OLT)引線與套管等載流部分接觸是否良好,三相電阻是否平衡等等。意義重大,在這方面的研究與探討是值得的。
2 基本原理介紹
為便于顯示,變壓器繞組的直流電阻應(yīng)該轉(zhuǎn)化為電壓或電流,因此采用電阻-電壓變換方法進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的電阻測(cè)量方法采用電橋測(cè)量方法,其輸出電壓U0隨被測(cè)電阻Rx的變化而變化。該方法在某些地方有一定的優(yōu)點(diǎn)。例如在用應(yīng)變片測(cè)量壓力時(shí),比較容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償〔2〕。但也有一些缺點(diǎn),如用平衡電橋測(cè)量變壓器繞組直流電阻,電路復(fù)雜;若用不平衡電橋測(cè)量,U0與Rx成非線性關(guān)系。
由歐姆定律I=U/R,可知R=U/I,只要電流I固定,就容易得到電阻與電壓的線性變換關(guān)系。電流I固定,可采用一個(gè)恒流源向被測(cè)電阻Rx供電,再測(cè)出它兩端電壓Ux便可換算出被測(cè)電阻Rx的值。因此,采用恒流源給變壓器繞組供電測(cè)其端電壓來(lái)測(cè)得變壓器繞組的直流電阻,圖1所示是測(cè)量變壓器直流電阻的系統(tǒng)原理圖框圖,可采用此方法測(cè)量變壓器的直阻。下面介紹測(cè)量變壓器直流電阻的基本原理:
2.1 恒流源的實(shí)現(xiàn)
圖2中A1為加法器,A2與VT1~VT2組成反相放大器(其中T1~T2是組成復(fù)合管用于放大A2的輸出電流,最大可以輸出3安培的基準(zhǔn)電流),A3是電壓跟隨器。該恒流源經(jīng)過(guò)多次濾去紋波 ,能確保輸出電流恒定。恒流源全部采用集成運(yùn)算放大器ICL7650(或CF7650)。它是Intersil公司于80年代初研制成功的高精度、低漂移、動(dòng)態(tài)校零CMOS型的斬波式單片集成運(yùn)放,稱為第四代運(yùn)放。其輸入失調(diào)電壓Uos只相當(dāng)于通用型運(yùn)放F007的千分之一,Uos=1.0μV,失調(diào)電壓溫漂為0.01μV/℃,每月漂移低于100pA,且有極高共模抑制比(≥130dB),開環(huán)增益Ad>140dB,輸入電壓Uin的波動(dòng)對(duì)放大器輸出影響很小,因而恒流源穩(wěn)定、可靠、其漂移和噪聲指標(biāo)可大大改善〔4〕。(電源采用正負(fù)±12V供電。)
為分析方便,設(shè)R1=R,簡(jiǎn)單分析其工作原理如下:
加法器A1的輸出電壓U1:
U1=-(Uin+U4) (1)
對(duì)運(yùn)放A2根據(jù)一般運(yùn)放分析方法:
U2=-U1=Uin+U4 (2)
跟隨器A3的輸出電壓U4:
U4=U3 (3)
U1~U4見圖中標(biāo)注。
標(biāo)準(zhǔn)電阻RN上的電流IN為:
聯(lián)立(1)~(4)有:
Uin=U2-U3 (5)
因?yàn)檫\(yùn)放A3構(gòu)成跟隨電路,其輸入阻抗很高(≥1012Ω),所以標(biāo)準(zhǔn)電阻RN上的電流IN全部流向被測(cè)電阻Rx,即
由上式可知,恒定電流Ix與輸入電壓Uin成一一對(duì)應(yīng)線性關(guān)系。那么,被測(cè)電阻Rx兩端電壓Ux=Ix·Rx,所以
,
則Ux的值就是被測(cè)電阻Rx的值。為保證恒流源的技術(shù)指標(biāo),R1一般選精度較高的電阻,如0.1%精密電阻,取10K電阻值。
2.2 低通濾波器
由圖1可知,測(cè)量環(huán)節(jié)中采用的INA128儀用放大器,其放大倍數(shù)是1,因而同時(shí)也將前面環(huán)節(jié)輸出的紋波電壓一起放大了1倍,后面又要和反相放大環(huán)節(jié)線連,不濾去紋波,則紋波將進(jìn)一步被放大,勢(shì)必影響小電阻值的測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,為此采用了壓控電壓源低通濾波器〔1〕,如圖3,R1=R2=100K,C1=0.22μF,C2=0.42μF,其增益為1,采用同相方式,其截止頻率fc≤5Hz。
2.3 高精度反相放大器〔5〕
由于直阻測(cè)試儀中有6個(gè)檔位,分別是20mΩ、200mΩ、2Ω、20Ω、200Ω、2000Ω,各檔位需要通過(guò)的電流分別是100A,10A,1A,0.1A,0.01A和0.001A。由于開關(guān)電源是5V/10A型,因而在設(shè)計(jì)中,若選3A為最大輸出電流,要獲得10A,就需放大10/3倍,要獲得100A就需放大100/3倍,可見20mΩ與200mΩ檔的測(cè)試電路,除有10倍固定放大倍數(shù)電路環(huán)節(jié)外,其它部分電路完全一樣。因而這個(gè)10倍的放大關(guān)系必須特別準(zhǔn)確,可靠。這樣設(shè)計(jì),使電路緊湊、體積小,造型更加美觀,使用運(yùn)用方便,造價(jià)低廉。
對(duì)圖4,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析理論,可得:
由普通反相放大器理論可知:
由于前面環(huán)節(jié)采用低通濾波器,fc≤5Hz,A1與A2運(yùn)放用雙運(yùn)放,如LF358,則A1(f)≌A2(f)。取
若Rf=10R1,則F=1/10,且選精度高的電阻,能保證較精確的10倍放大關(guān)系。所以能保證變壓器直流電阻測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)多量程的直流電阻的精確測(cè)量。
3 主要技術(shù)指標(biāo)
·恒流源穩(wěn)定度:
?。?)0.1A<0.05%,0.01A<0.07%,0.001A<0.09%
(2)1.0A<0.1%,3A<0.2%
(3)溫漂<0.05%/℃(采用12V直流風(fēng)扇)
·量程:20mΩ、200mΩ、2Ω、20Ω、200Ω、2000Ω
·輸出電壓:滿刻度為2.000V
·預(yù)熱時(shí)間:≤1分鐘(用20mΩ或200mΩ檔預(yù)熱)
·環(huán)境溫度:0~60℃
·使用電源:220V±10%,50Hz,功耗約30W。
參 考 文 獻(xiàn)
2 劉迎春.傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1989
3 孔有林.集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用.北京:人民郵電出版社,1988年
4 Intersil公司.Intersil公司產(chǎn)品手冊(cè),1999年
5 陳森錦.運(yùn)算放大器應(yīng)用電路集萃.中國(guó)計(jì)量出版社,1989
評(píng)論