型号用特种交流电源现场便携式检定装置设计

时间：2024-09-03

郭洪岩，何慧，张秀勇，马炎，杜雨丰，李俊箫，贾超

(北京振兴计量测试研究所，北京100074)

0 引言

型号用特种交流电源是为特殊负载或场合而设计的，给特定型号产品供电的专用交流电源。由于型号用特种交流电源对电压、电流和频率稳定度、带载能力、纹波、相位以及失真度有特殊要求，使得在检定此类电源时要比普通电源有更特殊甚至更严格的要求。

近年来，越来越多的特种交流电源被广泛应用在国防武器装备严重过程中，为各型号武器装备提供持续稳定、合乎要求的能量，是各型号设备不可或缺的“心脏”，在武器装研制生产中具有重大作用。任何型号设备都需要供电，但是这种供电不是一般意义上的供电，由于其自身负载特殊或其所处场合特殊，普通电源无法满足供电要求，这就需要采用经过特殊设计的电源。例如，某型号弹上电源变换器的研制、生产过程中就必须用到双组三相中频电源。电源变换器是武器装备中不可缺少的关键部件，其功能主要是把装备自身发电机产生的双组三相中频电整流成直流电，进而给装备各模块供电。所以电源变换器的质量关系到整个武器系统的质量。而某型号双组三相中频电源是生产、调试电源变换器的重要设备，对其进行定期周检是保证其性能指标的重要手段。因此，型号用特种交流电源现场便携式检定装置对整个武器系统起着至关重要的作用。

某型号双组三相中频电源体积大，且多安装在武器装备研制现场，在武器装备研制过程中，根据研制进度和试验需求，经常需要对中频电源进行测试或计量。目前使用的检定电源的标准仪器主要有台式数字多用表、示波器、音频分析仪，这些仪器体积和重量较大，不便于开展现场计量工作;且各个标准设备彼此之间接线较多且复杂，对计量过程准确性、可靠性和安全性有一定影响。因此，研制现场便携式检定装置是十分有必要的。

1 方案设计

1.1 硬件设计

1.1.1 组成和原理

型号用特种交流电源现场便携式检定装置的硬件基于PXI平台开发，所用的硬件有:PXI机箱、PXI控制器、PXI数字多用表、PXI数字化仪(俗称PXI示波器)以及交流负载。

本论文所采用的PXI总线是目前主流的虚拟仪器总线技术，其模块化仪器的特性非常适合用于现场测量环境，并且易于系统集成。由PXI仪器设备等组成的平台是业内领先的自动化测试与控制平台。与基于传统仪器组成的测试平台相比，PXI测试平台的测试效率更高，体积更小，成本更低，便于维护。型号用特种交流电源现场便携式检定装置检定原理图如图1所示。

图1中被检电源选择检定任务中所占比例较多的典型样品ZPD-3中频电源，该电源的输出端通过航插和电缆连接到交流负载的输入端，交流负载内部有电压表和电流表，能够实时测量交流电压和交流电流(交流电压也可用PXI数字表测量)，同时交流负载还带有RS485接口，能够接收上位机(PXI控制器)的指令进行测量，并将测量结果传回上位机。

图1 型号用特种交流电源现场便携式检定装置检定原理图

1.1.2 硬件接口及电缆设计

型号用特种交流电源现场便携式检定装置PXI机箱部分的硬件接口采用PXI板卡自身的接口，其中数字表模块采用标准香蕉插座，从被检电源输出端通过香蕉插头线可连接到PXI数字表模块，进行交流电压和频率测量;示波器模块采用标准BNC插座，从被检电源输出端通过示波器探头可连接到PXI示波器模块，进行失真度和相位测量。这样可以避免因多次接线引入的噪声信号以及有用信号的衰减，还可节省重复制作接口增加的额外成本。型号用特种交流电源现场便携式检定装置交流负载部分的硬件接口采用航插加电缆的方式，所有的电缆靠近交流负载端都采用同样的与负载相匹配的航插，另一端则采用与被检电源相匹配的航插。通过设计制作不同的电缆，保证每一台被检电源都有相应的电缆可供连接至负载进行检定。

1.2 软件设计

1.2.1 软件概述

本论文的PXI总线平台运行Windows 7操作系统，可以使用各种通用的应用软件与编程语言，如Lab-VIEW，C，C++等，考虑到软硬件要结合紧密，以及软件开发效率，本文的编程语言选用LabVIEW图形化编程语言，该技术途径可以实现:

1)对硬件接口(GPIB接口、串口、LAN接口等)具有良好的支持性;

2)具有模块化的编程方式，可以灵活地实现软件功能配置;

3)具有强大的图形化处理功能，在信号采集、处理以及波形显示、分析方面具有得天独厚的优势。

型号用特种交流电源现场便携式检定装置的程序流程图如图2所示。

图2 型号用特种交流电源现场便携式检定装置程序流程图

PXI控制器运行型号用特种交流电源现场便携式检定装置软件，通过RS485接口与交流负载通信，整个检定过程如下:

1)用合适的航插和电缆将被检电源输出端连接到交流负载的输入端，确认无误后开机上电。

2)运行型号用特种交流电源现场便携式检定装置软件，发送指令控制交流负载设置模式，比如设置为115V/7A。

3)发送指令控制交流负载测量空载电压，回读测量值，并将测量值存入计算机缓存区。

4)发送指令控制交流负载加载，测量满载载电压和电流，回读测量值，并将测量值存入计算机缓存区。

5)用本软件创建的公式计算出负载调整率。

6)从被检电源输出端通过示波器探头连接到PXI示波器模块，进行失真度测量，并暂存测量值。

7)从被检电源输出端通过香蕉插头线连接到PXI数字表模块，进行频率测量，并暂存测量值。

8)通过自动检测软件，将计算机缓存区的测量值写入检定记录对应的表格中，最终生成检定记录和证书。

1.2.2 相位测量软件

三相中频电源在航空器材的生产调试中不可或缺，其三相相电压间相位是衡量三相供电系统平衡供电的重要指标，相位测量是三相中频电源的重要测量项目之一。目前，国内外用于测量电压间相位的方法主要是三电压表法和过零鉴相法。三电压表法只需用到数字电压表，但相位测量精度有限;而以过零鉴相法为原理的仪器主要有示波器和相位计等。示波器靠人眼读取两波形过零点时刻，这样带入了较大的人眼读数误差，使得整体精度不高，而且体积和重量较大，不便携带。相位计精度较高，但是价格昂贵，而且对使用环境要求高，一般只适合在实验室使用，此外，较大的体积和重量同样影响其便携性。

目前，数字化仪(即PXI示波器模块)分辨率高、准确度高、线性好，是使用过零鉴相法测量相位的首选。本系统采用NI公司生产的基于PXI总线的PXI-5124型数字化仪是其中的典型代表，具有150 MHz带宽，200 MS/s的实时采样率，以及双通道12Bit分辨率，准确度高、线性好，完全满足本论文要求。软件基于LabVIEW平台开发，测量方法为过零鉴相法，并据此设计软件算法，最终实现对三相中频电源任意两相之间相位的自动测量，具体设计过程如下:

1)配置数字化仪的两个通道同时采集信号;

2)编程寻找信号A幅值过零时刻点t1;

3)编程寻找信号B幅值过零时刻点t2;

4)计算t2与t1的时间差并除以周期T再乘以360得到相位角;

1.2.3 失真度测量软件

失真度是表征交流电信号的一项重要指标。由于整个电网存在大量的感性负载，以及交流电源本身大量采用的非线性元器件，使得输出的交流电带有大量的谐波成分，所以在电源输出端必须加滤波电路，失真度测量就是衡量滤波效果好坏的核心方法。

基于PXI总线的失真度测量系统体积小、精度高、价格适中，具有良好的便携性和环境适应能力，尤其适用于现场计量，而且通过控制主机能够与其他的设备通信，接收指令进行程控操作，并将测量数据上传至上位机。

失真度测量基于PXI总线的PXI-5124型数字化仪，具有150 MHz带宽，200 MS/s的实时采样率，软件基于LabVIEW平台开发，测量方法为频谱分析法，并据此设计软件算法，具体设计过程如下:

1)配置数字化仪的一个通道采集信号;

2)根据采集的信号选定相应的窗函数并加窗处理;

3)进行快速傅里叶变换(FFT)，并对各点相对于最大值进行归一化处理;

4)编程寻找基波频率点及其幅值;

5)在各谐波频率点附近寻找最大各谐波幅值;

6)由失真度定义计算出失真度。

2 测量能力及结论

2.1 电压和频率测量能力

型号用特种交流电源现场便携式检定装置的电压和频率采用七位半的PXI-4071数字多用表模块测量，其电压和频率的测量准确度能够达到0.01%，而被检设备的电压和频率指标都处于0.5%至1%之间，根据计量标准与被检设备的三分之一法则，即计量标准的准确度等级应小于等于被检设备准确度等级的三分之一，可知本装置的电压和频率测量能力完全能够满足要求。

2.2 电流测量能力

型号用特种交流电源现场便携式检定装置的电流采用交流负载上的五位半电流表测量，其电流测量准确度能够达到0.1%，而被检电源的电流指标都大于等于1%，同样根据计量标准与被检设备的三分之一法则，可知本装置的电流测量能力完全能够满足要求。

2.3 相位测量能力

通过采用两台美国福禄克公司生产的9100型多功能校准源作为相位标准，产生具有一定相位角的同步信号u(A)和u(B)，同时以400 Hz为中心频率选取6个频率点(10 Hz，50 Hz，100 Hz，400 Hz，500 Hz，1 kHz)进行测量，相位测量结果如表1所示。

表1 相位测量结果

由表1可见，10 Hz频率点相位误差在0.3°以内，其他频率点相位误差在0.2°以内，而被检电源的相位指标都大于等于2°，说明基于PXI-5124型数字化仪开发的相位自动测量系统准确度高，稳定性好，频率响应较好，完全能够实现对型号用特种交流电源相位的测量，同时能够满足10 Hz～1 kHz中频带较高精度的相位测量要求。

2.4 失真度测量能力

本装置失真度测量能力验证所用标准信号源名称为:低失真度测量仪检定装置，型号为:DSJ-90A，生产厂家为:浙江省计量测试技术研究所。对比的标准测量设备为美国安捷伦公司生产的8903B型音频分析仪。

表2 失真THD(%)测量结果

由表2可见，各频率点的失真度测量准确度都在0.5%以内，最常用的400Hz、3%点甚至达到了0.03%，部分点还优于8903B，说明基于PXI-5124型数字化仪开发的失真度自动测量系统准确度高，稳定性好，频率响应较好，完全能够实现对型号用特种交流电源失真度的测量，同时能够满足10Hz～100kHz频带较高精度的失真度测量要求，具有较好的应用前景。