新穎、快速、高精度變壓器直流電阻測(cè)試儀的研制與探討

【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)中既簡便又重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。通過繞組直流電阻的測(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。