一種新型低壓大電流試驗裝置

江蘇省低壓電器產品質量監督檢驗中心 丁志東 鄭劍云 張 鈺

0 引言

電器產品溫升試驗一般采用可調低壓工頻交流電源，而溫升試驗的目的是測量試品各部件的最高溫度或溫升，以確定試品是否符合相關國家標準要求。目前，國內較為廣泛采用的是在試品電源輸入端施加一個低電壓，通過調節串聯在試品各分支饋出電路的阻抗或變流器來獲得試驗電流。

傳統溫升試驗方法的缺陷是：①在調節試驗電流過程中，由于三相電流不平衡導致調節速度緩慢；②電能直接消耗在阻抗或變流器上，試驗成本提高；③試驗過程中電網電壓波動、連接導線阻抗變化、以及試品本身阻抗發熱變化，需反復調節阻抗或變流器以恒定電流；④對成套開關設備來說,特別是抽屜式開關柜,除主電路外其分支電路多達20多個，分支電路阻抗或變流器調節費時費力，且無法保證精度。根據GB7251.1《低壓成套開關設備和控制設備 第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設備》和GB14048.1《低壓開關設備和控制設備 第1部分：總則》的要求,成套開關設備的主電路及各分支電路必須同時通額定電流進行溫升試驗。傳統試驗方法很難適應當今技術發展需要，有必要采用自動化程度高的試驗裝置來提高效率并達到節能目的。

1 系統設計

1.1 試驗方法

采用短路法進行低壓成套開關設備溫升試驗，短路法是所有溫升試驗中需要電源容量最小、試驗電壓最低的試驗方法。圖1是短路法進行低壓成套開關設備溫升試驗原理框圖。它是利用對被測設備主電路輸入端直接短接，而通過多臺恒流電源通過搭積木的方式分別并接在被測設備各分支饋出回路倒輸入恒定電流以達到測試目的。本方法成功克服了原方案無法解決的銅阻溫升造成電流飄移需實時調整的缺點，不但可以提高檢測精度，加快校驗速度，提高工作效率，而且恒流電源額定輸出電壓低(僅1～2V)，節能效果可以提高75%以上，大大地降低了能耗。

1.2 工作原理

圖1 積木式溫升試驗原理框圖

圖2 低壓大電流試驗裝置原理框圖

低壓大電流試驗裝置主要由交流配電單元、調壓變壓器、變流器、電機控制傳動單元、電流采樣單元、人機界面 (觸摸式液晶屏)、微機控制單 元(PLC)等組成。

其工作原理如下：電機控制傳動單元接收微機監控單元信息處理的結果控制調壓變壓器使交流電源輸出電流自動保持恒定。交流采樣單元實時監測交流電源電流輸出情況并將信息通過數據總線送入微機監控單元。微機監控單元作為交流恒流電源的數據處理中心，以現場總線方式對交流系統進行信息采集、處理完成智能化管理，信息處理的結果一方面將作為人機界面觸摸式液晶顯示屏的信息來源；另一方面通過通信接口傳給上位計算機監控系統實現實時遠程監控管理。

1.3 試驗裝置特點

本裝置采用數字化控制、人機界面、智能傳感技術方面進行了創新屬國內首創，符合國際測試設備發展趨勢要求，實現了交流電源的微機化、智能化、網絡化，集測量、控制和數據通信一體化。

試驗裝置特點如下：①人機界面選用觸摸式液晶顯示屏，界面清晰直觀，操作簡單方便；②主控單元選用可編程控制器完成全數字化智能控制，自動化程度高、可靠性好、控制靈活方便；③采用支持現場總線技術的智能型傳感器，以通信方式進行現場數據的傳輸，提高了數據的準確性；④采用大容量隔離變壓器，將系統電源與試驗電源進行隔離，并在初級與次級之間加裝屏蔽層，使電源免受電網暫態過程和諧波干擾保證了電源質量；⑤提供串行通信接口，配合自行開發的軟件可與后臺計算機連接實現遠程監控與管理。

2 穩流控制

可調變壓器依靠機械移動調節原理實現穩流控制，當有偏差時，應驅動電機減小偏差，當偏差為零時立即停止，但由于機械慣性和控制的滯后，由命令發出到電機停止時需要一定的時間，這段時間與電機速度相關，在這段時間內驅動機構會繼續移動一段距離，可能會造成過調節現象，嚴重時會導致在目標值附近出現震蕩。因此，需要動態調節制動速度，到接近目標值時速度降到足夠低。PLC穩流控制算法的目的是實時測量目標電流偏差，估算調壓器滑動觸頭距離目標位置的路程和當前速度下的制動距離，當制動距離大于到達穩流位置路程時，應降低速度使制動距離等于計算路程。如此不斷執行調整和計算知道進入穩流范圍。

2.1 三相同步穩流

圖3 電機驅動調壓器穩流原理框圖

在三相溫升試驗中，往往是中間相電壓較其他兩相低，表現出三相電壓不平衡。因此，三相電壓同步升降是無法獲得三相相同的電流。穩流時，三相如果以相同速度上升，中間相會首先達到目標電流，而另外兩相還需要繼續升壓，這樣用進一步升高了中間相電壓，導致中間相電流超出目標電流，信號經反饋后對中間相降壓。如此反復，中間相會出現來回震蕩。如果電機轉速快，PLC反饋靈敏，震蕩就會很明顯。因此采用三相相對同步，即三相電流差異保持在5%以內。當某相電流超出另外兩相的5%，該相調壓器暫停升壓，三相都處于5%時，再進行動作。實踐表明，穩流過程的時間沒增加，而震蕩現象明顯減少。

2.2 快速穩流

電機的速度控制曲線如圖4所示，曲線的第1段對應于負載電流遠離用戶設定的目標值電流的情況，電機速度經過加速、恒速、減速3個運行階段，如果負載電流同目標電流相差不是很大，電機速度曲線可能只有加速、減速段，該算法由PLS2指令自動實現，PLS2指令充分考慮了電機的機械特性，會以最快的速度發出控制脈沖但不會造成步進電機因為脈沖變化太快而出現失步的現象；曲線的第2段對應于負載電流接近于目標值的低速運行情況。

圖4 電機速度控制曲線

3 裝置在低壓電器溫升試驗中的應用

低壓成套開關設備在低壓供電系統中負責完成電能的控制、保護、測量、轉換和分配。由于低壓成套開關設備深入到生產現場、公共場所、居民住宅等地點。對于低壓成套開關設備本身來說，重要的就是可靠性，而反映可靠性的一個最重要的指標就是低壓成套開關設備在傳輸、分配電流中的溫升狀態。該實驗裝置已經在江蘇省低壓電器產品質量監督檢驗中心投入使用，經過多次試驗驗證，該設備穩流精度達到1%，電流范圍根據要求可以在200～5000A范圍內積木式搭接。在實施過程中，還增加了調試界面、計量校準界面、故障信息界面等。不僅實現了企業的性能需求，還極大地方便了調試維護等工作。為行業內試驗站提高工作效率及企業研發能力的提升，提供了重要保障。

4 結論

經測試，該裝置穩流精度達到1.5%，可以對所設定的試驗電流進行自動跟蹤，從而實現了溫升試驗大電流的自動穩定。該系統主要性能指標符合并優于國家標準GB7251和GB14048的規定，滿足溫升試驗的要求。“溫升試驗自動穩流系統”實現了試驗電流自動穩定。該系統屬智能儀器，操作簡單，使用方便，功能齊全，減輕了試驗人員的勞動強度、提高了工作效率，能有效地限制“人”對試驗結果的負面干擾。基于PLC的低壓大電流試驗裝置已用于低壓成套開關設備產品的3C型式試驗的溫升試驗，取得了良好的經濟效益。