cm2程控稳流电源电流稳定性的自动化测试

cm2程控稳流电源电流稳定性的自动化测试 第25卷第6期 航天器环境工程 SPACECRAFTENVIRONMENT 575 2008年12月 ENGn、『EERrNG CM2程 控 稳 流 电 源 电 流 稳 定 性 的 自 动 化 测 试 季启政1,桑琳1,王琪2 1.北京东方计量测试研究所,北京100086:2.北京卫星环境工程研究所,北京l00094 摘要:文章将零 磁通电流互感器技术应用到 了大电流稳定性测试中,从而 解决了cM2航天器磁环境模拟 设备中的程控稳流电源榆出电流稳定性测试的难题,稳定性指标高达lOo,8h.文章简述了零磁通电流互感器技 术的基本原理,介绍了采用零磁通电流互感器技术对CM2程控稳流电源电流稳定性进行自动测试的方法,分析 了影响大电流稳定性现场自动测试的因素并提出了相应解决. 关键词:零磁通;电流互感器;CM2:稳流电源;大电流;高稳定性 中图分 类号:T附52+.2 文献标识码:^ 文章编号:1673?13792 ?8 ?-0575稍 l 前言 流小电流后对小电流进行测试的技术。它以被测电 流产生的磁场为基础进行测量,从而避免了传统测 CM2程控稳流电源是一种高稳定性直流大电 量设备在电流测量过程中需与被测电路有电的联 流源,专用于对CM2航天器磁环境模拟设备中的 系,进而解决了大电流测试过程中测试设备因自身 零磁场和恒定磁场线圈的供电。程控稳流电源为线 功耗而发热的问题。零磁通电流互感器技术的这一 圈提供稳定电流产生磁场,分别抵消垂直、南北和 特点对保证测试设备自身稳定性至关重要。因此本 东西方向的地磁场,使线圈中心区域内产生零磁场 文将零磁通电流互感器技术应用到对CM2程控稳 或恒定磁场。稳流电源输出电流的稳定性直接影响 流电源稳定性测试中,同时采用分流器法对电源输 线圈中心磁场的质量,因此必须对稳流电源电流稳 出电流的小量程部分的稳定性进行测试,获得了满 定性进行周期准确的测量,以确定稳流电源的工作 意的测量结果。 状态是否满足CM2磁场线圈使用要求,从而保证 CM2磁环境模拟试验更加准确地模拟卫星磁试验 2零磁通电流互感器技术原理 所需要的磁场环境。 电流与磁场之间存在着密切的联系,它们之间 对于大电流测试,已经有很多单位对其进行了 的关系决定于恒定电流的磁场方程式。以与被测电 研究,但大部分侧重于对其准确度的研究,而对稳 流和已知电流有函数关系的磁学量进行直接比较 定性测试方法的研究涉及较少,对大电流高稳定性 为基础可制作电流互感器,其结构示意图如图l 所 测试方法的研究涉及更少。cM2程控稳流电源的 示。 最大输出电流为100 A ,稳定性指标要求高达 10‘5/8h,这两个指标以我国目前已建标的直流大 电流检定装置的计量能力 都很难实现准确测量, 因此必须研究其他测试技术来实现大电流的测 试。 零磁通电流互感器技术在大电流测试中的应 用越来越广泛,它不仅将电流测试的量程进一步拓 图1 电流互感器结构示意图 宽,而且还使大电流测试精度得到了进一步提高。 Schenlat ic s 劬lcture ofthe alrrem Fig.1 diag衄ofthe .缸aI塔f.o衄eIs 该技术是利用磁平衡原理将直流大电流转换成直 收稿日期:2008.09.17: 修回日期:2008.10加8 作者简介:季启政1979一 ,男,硕士研究生,工程师,主要从事电学计量和刀 陵工作.E-mail :jiq曲e甥790308@sil 诅.co札2008年第25卷 576 航天器环境工程 用分流器法和零磁通电流互感器技术对电源输出 图1中A 为高磁导率铁芯,以被测电流 在绕着汇流排的铁芯与已知电流通过平衡绕组所 电流的1/10量程和高量 程进行测量,其测试系统 产生的磁势相平衡即为零磁通电流互感科11。公式 线路如图2所示。 测试系统由电流转换设备、数据采集系统以及 示如下: 负载系统三部分组成,可实现对CM2程控稳流源 四 的全量程稳定性自动化测试。根据测试电流的大小 缟罢 , 珐2警 。 可以对电流转换设备进行选择,lOA 以下电流的稳 式中:‘为被测电流,亦为一次绕组电流;J:为二 定性采用高稳定性大功率分流器进行测量,测 次绕组电流:暇为一次绕组匝数;%为二次绕组 试过程中需特别注意对分流器自身的温度进行控 匝数;红为一次绕组产生的磁通量;唬为二次绕组 制,下文重点讨论lOA以上电流稳定性测试时所 产生的磁 通量。 采用的零磁通电流互感器技术。 对于零磁通电流互感器,两绕组所产生的磁势 相平衡,于是有 2 缟伤。 由1 、2 式可得 3 ‘?彤厶?%。 图2 CM2程控稳流电源电流稳定性测试框图 B10ck the curr ent of Fig.2 diag姗for me酗u血g s劬il ity 3 式即为零磁通电流互感器的原理表达式, 山e CM2 stabil切ed al 玎em suppIy 即电流互感器一次绕组匝数与电流的乘积和二次 本文所使用的零磁通电流互感器由电流变换 绕组匝数与电流的乘积相等。 头、电子控制单元以及量程选择器三部分组成,如 零磁通电流互感器的上述特性表明,互感器两 图3所示【2】。其中:电流变换头包括铁芯、一次绕 端的电流比与匝数比成反比,通过调整匝数比,可 组、二次绕组以及检测绕组等:电子控制单元由零 以将~次绕组的直流大电流转换成二次绕组的直 磁通检测器、放大电路、温控电路以及电流电压转 流小电流。本文直接应用了零磁通电流互感器的这 换电路组成。零磁通检测电路是用来检测铁芯磁势 一特性,将被测直流大电流转换成直流小电流,再 平衡情况并通过反馈补偿电路调节二次绕组的电 流来维持铁芯磁势的动态平衡,从而实现对被测电 用高准确度数字表直接测量。 流的准确测量。量程选择器用来设定电流互感器的 本文主要研究对大电流稳定性的测试方法,因 电流变比。为了保证在较大的电流范围内的测量线 此更加关注测试过程中互感器自身稳定性,而对互 性度和准确度,互感器的二次绕组采用了分段绕制 感器转换精度没有严格要求。为了提高互感器的稳 的方法,共绕制了匝数分别为20、40、80、160和 定性,避免使用过程中出现如漏磁、受外磁场干扰 320的5段绕组,各段绕组可以代数累加作为二次 等现象,本文所使用的零磁通电流互感器对其变换 绕组使用。量程选择器控制上述二次绕组的连接方 头的材料、绕线方法和屏蔽措施都做了仔细研究和 式和累加匝数,使对应40A到600A以20A 为步 特殊处理。 进的不同的一次电流,可以单独和串联接入不同匝 3 CM2程控稳流电源电流稳定性测试系统 数的二次绕组,保证二次绕组的额定输出电流为1 A。二次绕组中的电流经过高稳定度的负载电阻后 CM2程控稳流电源可以输出O~100 A 连续可 转变成电压,再经输出放大器电路转换成稳定的 调节的电流,并且输出的电流具有很高的稳定性: lO V电压输出。10 v是高准确度 字标准表准确 当输出电流为lO ~100A 时,其稳定性可达10。5/8h、 度和稳定性指标最高的量程,因此可以实现准确测 10击/30min;当输出电流为O~lOA 时,其稳定性 量。 为104/8h、10.5/30min。根 此特点,本文分别采季启政等:cM2程 控稳流电 源电流稳定性的自动化测 试 了满足实现自动化测试,该高精度数字表还必须留 有IEEE488并行接口或RS232串行接口,以便实 现计算机自动控制。鉴于上述要求,本文采用了 b~ 黔 产 WA 、也TEK生产的8位半高精度多功能标准表 I 叫 习 J 128l ,充分满足本文测试要求。计算机通过自动测 i , H 到 试软件对高精度数字表进行控制,以实现数据自动 L ! | 筒 r : I ‘, i I 表I 采集。本文开发的自动测试软件基于虚拟仪器平 :电流变换头 台,采用Lab?ew 图形编程语言进行编写。自动测 图3零磁通电流互感器技术原理图 试程序系统流程画面如图4所示,根据测试要求, nlc of ze肛 日lD【 Fig .3 确ncipl e diagr 锄of 血e tecllIlology 前面板设置了电压量程、采样时间、采样间隔等输 a 哪TI:m 仃ansf .o?ners 入量,同时还设置了表格、图表等观察输出量。测 数据采集系统由高精度数字表和计算机构成。 试人员可以针对电源的长期或短期稳定性测试,输 对高精度数字表的要求非常高,不仅要求具有7位 入所需的采样间隔,其数据表格和数据图表便会直 半以上的显示能力,而且还要求其在直流电压功能 观显示出测试结果。 lOV 量程的稳定性至少需达到10击/8h。另外,为 图4自动测试系统流程I 母j 面 Flowchart ofthe 卸tomatic me硒?.emeIIt Fig.4 syst em CM2程控稳流电源对其负载电阻要求比较 于CM2磁场线圈距离稳流电源较远 至少100m, 高,不仅要求阻值变化只能在0.51?25%Q之 长距离测试也可能对测试结果产生影响,因此本文 A、0.5 间,而且还要求能够承受100A 以上的电流。负载 另外选用了100 Q滑行变阻器作为近距离 Q 滑行变阻器是普通电阻, 阻值超出上述范围,电源输出电流的稳定性将得不 测试负载。100A 、O .5 到保证。而对于普通电阻,长时间通100A电流, 长时间通过大电流必然会发热,因此使用过程中必 其自身必然将产生大量热量从而改变阻值,因此必 须使用风扇等降温措施。 须慎重选择负载。本文分别采用CM2磁场线圈和 4 CM2程控稳流电源电流稳定性测试的干 100 A、O.5 Q 滑行变阻器作为负载。CM2磁场线 扰因素控制 m ×16 m ×16 圈自身阻值为O.5 Q ,且为16 m 的 在CM2程控稳流电源电流稳定性测试过程 立 体框架结构,散热面积大,发热现象不明显, 中,现场环境在发生不断的变化,而这些变化很大 阻值变化不大;但在长期稳定性试验过程中,环境 程度上对其测试结果产生影响。这些影响并非电源 温度的变化对其负载线圈阻值有着一定的影响。由航天器环境工程 2008年 第25卷 自身品质闯题,如果附加到测试结果中去,必将使 3 对负载设备的影响。对 于。舵磁场线圈, 由于其自身散热面积非常大,因此因功耗产生的温 测试结果不能真实表现出电源的质量。本文详细分 A、O.5 度变化可以忽略。而对于100 Q滑行变阻 析了测试过程中多种干扰因素对稳定性测试的影 响,并尝试采用一定措施进行屏蔽。 器,长时间通电温度变化很大。本文测 试过程中使 用多台风扇从不同角度对其进行降温,监测结果显 4.1 电磁环境的影响及控制 示,测试过程中,负载电阻的变化没有超过CM2 1 电环境的影响 程控稳流源对负载的要求。 测试现场供电电源的成分非常复杂,来自其他 4.3其他因素的影响及控制 各类试验的高低频噪声非常丰富,测试过程发现,这 些噪声对稳流源输出的影响较为明显。为了减小电网 除上述因素外,还有很多方面影响着测试结 噪声影响,本文使用净化电源对稳流源进行供电。 果,如负载电阻与电源输出的连接处,若有连接不 牢、过分老化氧化或者材料导电率差异较大等现象 2 磁环境的影响 时,容易产生附加电阻,而此附加电阻与负载电阻 CM2航天器磁环境模拟试验室周围用电产生 的磁场以及周围实验室试验所产生的磁场对本文 之和超出要求范围,将直接影响电源输出电流的稳 的测试结果产生一定的影响。基于现场测试点与电 定性。所使用测量标准的稳定性指标必须非常高, 一般要求与被测设备稳定性指标满足三分之一关 源之间距离较远,在测试过程中要使用对讲机。使 用过程中发现对讲机发射的电磁波对测试结果产 系,否则数据处理时需考 虑标准设备引入的误差, 生影响。为了减小磁干扰,本文使用屏蔽线进行测 本文采用的自动测试系统 基士满足测试要求。 试,并尽量选择夜间其他实验室不进行试验的时候 5测量结果 进行测试。 ’ 基于零磁通电流互感器技术的电流稳定性自 4.2温度变化的影响及控制 动测试系统实现了对CM2磁环境模拟试验室3台 温度的变化对测量设备、被测设备以及负载设 程控稳流电源的电流稳定性测试,测试结果均符合 备都将产生不同程度的影响。尤其是本文进行的稳 规定的技术指标,表l 给出了z方向程控稳流源输 定性测试,所需时间较长,环境温度变化以及测试 出电流为70A的8h稳定性测试结果。 过程仪器自身功耗发热引起的温度变化都较为明 表1 o舵程控稳流电源输出稳定性的测试结果 T.abI e l results oftl 地CM2 oft he 显,这些变化必然对稳定性 测试结果产生影响【2】。 Me勰u血g o呻ut s 缸山ilny stabilized culTent suppl y 为此,本文采取了一些措施进行控制。 测试时阃:2008年3月2日 1 对测量设备的影响。零磁通电流互感器和高 测试地点 :航天器磁环境 模拟试验室CM2 所用标准设备:数字标准表1281,零磁通电流互感器, 精度数字表自身功耗较小,发热不明显,本文使用 风扇对其降温。分流器长时间通电,温度变化较为 测试条件 设定值/A 测量值/A 时间 70.00 70.16505 明显,因此本文将其置放于便携式油槽中进行恒温。 15:20 1.采用零磁通电 流互感器 技术; 2 对被测设备的影响。被测程控电流源长时 70.00 70.16490 16:20 2.零磁通电流互感器最程 间输出大电流,其内部取样电阻温度急剧升高,若 开关置于100A 量程: 70.oo 70.16482 17:20 3.数字标准表置于lOV 不采取控温措施,不仅输出电流稳定性得不到保 量程,显示位数设为7位半; 障,甚至危及设备安全。因此本文测试过程中对其 70.00 70.165ll 18:20 4.程控稳流电源的控温水 箱设置为10?O .25 ?: 控温系统严格要求,不仅要求能够控温,而且还要 70.oo 70.16526 19:20 5.程控稳流电源采用净化 求具有较高的控温精度。试验表明,水循环控温系 电源供电; 70.00 70.16539 20:20 6.负载为CM2磁场线圈。 统温度控制在lO ?,变化范围不大于?O.1?为 70.oo 70.16527 2I :20 最佳,实际使用时温度值可以根 环境温度作适当 70.oo 70.16508 22:20 调整,控温范围可以放宽至?O.5?。