新穎、快速、高精度變壓器直流電阻測試儀的研制與探討

【摘　要】介紹了一種實(shí)用、新穎、能快速測量變壓器直流電阻的高精度儀器的研制思路及現(xiàn)場測試效果，對其中某些關(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)行測量。傳統(tǒng)的電阻測量方法采用電橋測量方法，其輸出電壓U0隨被測電阻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)變片測量壓力時，比較容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償〔2〕。但也有一些缺點(diǎn)，如用平衡電橋測量變壓器繞組直流電阻，電路復(fù)雜；若用不平衡電橋測量，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，可采用一個恒流源向被測電阻Rx供電，再測出它兩端電壓Ux便可換算出被測電阻Rx的值。因此，采用恒流源給變壓器繞組供電測其端電壓來測得變壓器繞組的直流電阻，圖1所示是測量變壓器直流電阻的系統(tǒng)原理圖框圖，可采用此方法測量變壓器的直阻。下面介紹測量變壓器直流電阻的基本原理：
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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的波動對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。)
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??? 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：
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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全部流向被測電阻Rx，即
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?? 由上式可知，恒定電流Ix與輸入電壓Uin成一一對應(yīng)線性關(guān)系。那么，被測電阻Rx兩端電壓Ux＝Ix·Rx，所以
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，

則Ux的值就是被測電阻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，勢必影響小電阻值的測量準(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〕
　 由于直阻測試儀中有6個檔位，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。
???對圖4，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析理論，可得：
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由普通反相放大器理論可知：
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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
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　 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試儀實(shí)現(xiàn)多量程的直流電阻的精確測量。
　　　　　　　　　　
3　主要技術(shù)指標(biāo)
???·恒流源穩(wěn)定度：
　（1）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。