一种恒流源电路及继电保护测试装置的制作方法

1.本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种恒流源电路及继电保护测试装置。


背景技术：

2.继电保护测试装置已广泛运用于线路保护，主变差动保护，励磁控制等各个领域。继电保护测试仪是保证变电站等电力系统安全可靠运行的一种重要测试仪器。现有技术的大功率恒流源电路大都是采用已经成熟的音频线性功放作为功放输出主体，并对应采用相关的恒流控制电路等。音频线性功放（ab类）电路负载是固定的（例如8欧姆4欧姆），而且输入只限于交流，且效率非常低，最大在60%左右，因此，现有技术中的继电保护装置的恒流源电路存在功率放大器效率低，无法采用直流输入信号的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种恒流源电路及继电保护测试装置，以解决现有技术的继电保护装置的恒流源电路存在效率低，且无法采用直流输入信号的问题。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
5.一种恒流源电路，应用于继电保护测试装置，包括：
6.电源输入模块，所述电源输入模块设置有第一储能单元和第二储能单元，所述第一储能单元的正极用于与外部电源的正极电连接，所述第二储能单元的负极用于与外部电源的负极电连接，所述第一储能单元的负极与所述第二储能单元的正极电连接；
7.若干个数字功放模块，各个所述数字功放模块分别接入外部信号源发送的输入信号，并分别与所述第一储能单元的正极以及所述第二储能单元的负极电连接，用于产生续流能量，并在所述输入信号为正极性时将所述续流能量提供给所述第二储能单元充电，以及在输入信号为负极性时将所述续流能量提供给所述第一储能单元充电；
8.其中，当所述输入信号为直流信号时，部分所述数字功放模块接收正直流输入信号，与部分所述数字功放模块一一对应的另一部分所述数字功放模块接收负直流输入信号，所述正直流输入信号和所述负直流输入信号的值相等。
9.进一步的，所述第一储能单元包括第一电容，所述第二储能单元包括第二电容；
10.所述第一电容的一端用于连接外部电源的正极，所述第一电容的另一端连接所述第二电容的一端并共同接地，所述第二电容的另一端用于连接外部电源的负极；
11.所述数字功放模块分别连接所述第一电容的正极以及所述第二电容的正极。
12.进一步的，所述电源输入模块还包括第一隔离单元和第二隔离单元；
13.所述第一隔离单元设置于所述第一储能单元和外部电源之间，并连接所述第一储能单元的正极，所述第一隔离单元用于在所述第一储能单元电压上升时使所述第一储能单元与外部电源隔离；
14.所述第二隔离单元设置于所述第二储能单元和外部的电源之间，并连接所述第二储能单元的负极，所述第二隔离单元用于在所述第二储能单元电压上升时使所述第二储能单元与外部电源隔离。
15.进一步的，所述第一隔离单元包括第一二极管，所述第二隔离单元包括第二二极管；
16.所述第一二极管的正极用于与外部电源的正极连接，所述第一二极管的负极与所述第一储能单元的正极连接；
17.所述第二二极管的负极用于与外部电源的负极连接，所述第二二极管的正极与所述第二储能单元的负极连接。
18.进一步的，所述数字功放模块包括：
19.信号调制单元，所述信号调制单元用于将外部的输入信号进行调制后获得对应的脉冲宽度调制信号；
20.开关单元，所述开关单元分别与所述第一储能单元、第二储能单元以及信号调制单元电连接，用于根据所述脉冲宽度调制信号使输出单元与所述第一储能单元或所述第二储能单元导通；以及
21.所述输出单元，所述输出单元与所述开关单元电连接，用于根据所述开关单元的导通状态向所述第一储能单元或所述第二储能单元充电。
22.进一步的，所述信号调制单元包括三角波发生器和数字信号调制器；
23.所述数字信号调制器分别与所述三角波发生器以及所述开关单元连接，所述数字信号调制器用于接收所述输入信号和所述三角波发生器输出的三角波信号，以及根据所述输入信号和所述三角波信号输出所述脉冲宽度调制信号至所述开关单元。
24.进一步的，所述开关单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三二极管以及第四二极管；
25.所述第一晶体管的栅极连接所述信号调制单元，所述第一晶体管的漏极连接所述第一储能单元的正极，所述第一晶体管的源极分别连接所述第二晶体管的漏极以及所述输出单元；
26.所述第二晶体管的栅极连接所述信号调制单元，所述第二晶体管的源极连接所述第二储能单元的负极；
27.所述第三二极管的正极连接所述输出单元，所述第三二极管的负极连接所述第一储能单元的正极；
28.所述第四二极管的正极连接所述第二储能单元的负极，所述第四二极管的负极连接所述输出单元。
29.进一步的，所述输出单元包括电感以及第三电容；
30.所述电感的一端连接所述开关单元，所述电感的另一端用于连接外部的负载；
31.所述第三电容的一端连接所述电感的另一端，所述第三电容的另一端接地。
32.进一步的，所述电源输入模块还包括：
33.电压检测模块，所述电压检测模块分别所述第一储能单元的正极、所述第二储能单元的负极以及所述信号调制单元电连接，用于检测所述第一储能模块储能单元的正极端与所述第二储能单元的负极端之间的电压，并在所述第一储能单元的正极端与所述第二储
能单元的负极端之间的电压存在异常时向所述信号调制单元输出异常信号；
34.所述信号调制单元还用于根据所述异常信号关闭所述开关单元。
35.一种继电保护测试装置，包括壳体和电路板，所述电路板上设置有如上述任一项所述的恒流源电路，所述电路板安装于所述壳体上。
36.本实用新型的有益效果在于：通过设置数字功放模块，提高恒流源电路的功率放大器效率，并且通过设置第一储能单元和第二储能单元，当输入信号为直流信号时，部分数字功放模块接收正极性的输入信号，对应的另一部分数字功放模块接收负极性的输入信号，以使数字功放模块产生的续流能量分别输出至第一储能模块和第二储能模块并抵消，从而使恒流源电路及继电保护测试装置适用交流输入和直流输入。
附图说明
37.图1为现有技术中的继电保护测试装置的恒流源电路原理图；
38.图2为本实施例的恒流源电路的原理框图；
39.图3为本实施例的恒流源电路的另一原理框图；
40.图4为本实施例的恒流源电路的原理图。
41.标号说明：
42.100、电源输入模块；110、第一储能单元；120、第二储能单元；130、第一隔离单元；140、第二隔离单元；150、电压检测单元；160、电源接口；200、数字功放模块；210、信号调制单元；211、三角波发生器；212、数字信号调制器；220、开关单元；230、输出单元；240、第一数字功放模块；250、第二数字功放模块；300、外部电源；400、信号放大模块；500、恒流调制模块；600、低通滤波模块；700、电流检测模块；800、音频线性功放。
具体实施方式
43.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
44.音频线性功放（ab类）电路负载是固定的（例如8欧姆4欧姆），而且输入只限于交流，且效率非常低，最大在60%左右，因此所需的散热器件和供电器件增加，导致音频线性功放的设备比较笨重。请参照图1，现有技术中的继电保护测试装置采用音频线性功放800，由于继电保护测试装置的大功率恒流源功放输出负载阻抗是变化的，在零到几欧姆之间，大部分时候阻抗接近零，所以它的效率比音频线性功放800更低，所需的散热器件和供电器件进一步增加，继电保护测试装置整体更加笨重。
45.实施例一
46.请参照图2至图4，本实用新型的实施例一为：一种恒流源电路，应用于继电保护测试装置。
47.请参照图2，所述恒流源电路包括：电源输入模块100，所述电源输入模块100设置有第一储能单元110和第二储能单元120，所述第一储能单元110的正极用于与外部电源300的正极电连接，所述第二储能单元120的负极用于与外部电源300的负极电连接，所述第一储能单元110的负极与所述第二储能单元120的正极电连接；若干个数字功放模块200，各个所述数字功放模块200分别接入外部信号源发送的输入信号，并分别与所述第一储能单元
110的正极以及所述第二储能单元120的负极电连接，用于产生续流能量，并在所述输入信号为正极性时将所述续流能量提供给所述第二储能单元120充电，以及在输入信号为负极性时将所述续流能量提供给所述第一储能单元110充电。其中，当所述输入信号为直流信号时，部分所述数字功放模块200接收正直流输入信号，与部分所述数字功放模块200一一对应的另一部分所述数字功放模块200接收负直流输入信号，所述正直流输入信号和所述负直流输入信号的值相等。
48.本实施例中的恒流源电路的工作原理为：数字功放模块200接收外部信号源发送的输入信号，由于数字功放模块200在工作时会产生续流能量。当采用单相数字功放模块200与电源输入模块100连接时，数字功放模块产生的续流能量会给其中一个储能单元充电，导致该储能单元电压上升，从而影响电源的供电电压。本实施例使部分数字功放模块200接收正极性的直流输入信号，并将对应的续流能量输出至第一储能单元110充电；与之一一对应的另一部分数字功放模块200接收负极性的直流输入信号，并将对应的续流能量输出至第二储能单元120充电。第一储能单元110的负极和第二储能单元120的正极电连接，使两个对应的数字功放模块200的续流能量相互抵消，从而使电源的供电电压保持稳定。
49.可以理解的，本实施例的恒流源电路采用数字功放模块200，相较于现有技术中的继电保护测试装置，功放效率最大可以达到90%，从而节省能耗，减少体积和重量，有利于实现装置或设备的轻便化。由于目前的数字功放电路只能通交流，无法通直流，本实施例在电源输入模块100设置第一储能单元110和第二储能单元120，并且使两个数字功放模块200分别接收不同极性的直流输入信号，使续流能量分别输出至对应的储能单元，通过储能单元将对应的两个数字功率模块的续流能量抵消，以保持电源的供电电压稳定，从而实现恒流源电路及继电保护测试装置兼容交流输入信号和直流输入信号。
50.请参照图4，本实施例中，所述数字功放模块200还用于连接外部负载，将输入信号调制、放大以及滤波还原后输出至外部负载。外部信号源可以为上位机或信号发生器等。恒流源电路还包括信号放大模块400、恒流调制模块500、电流检测模块700以及低通滤波模块600，该若干模块为现有技术。具体的，输入信号发送至数字功放模块200前先经过信号先后经过信号放大模块400和恒流调制模块500，进行信号前置处理放大和恒流调制。另外，本实施例还将数字功放模块200的输出端连接电流检测模块700，通过电流检测模块700检测数字功放模块200的输出电流，以根据输出电流获得检测信号，将检测信号经过低通滤波模块600低通滤波后输出至恒流调制模块500以提供反馈，从而形成反馈回路。
51.具体的，所述数字功放模块200包括：信号调制单元210，所述信号调制单元210用于将外部的输入信号进行调制后获得对应的脉冲宽度调制信号；开关单元220，所述开关单元220分别与所述第一储能单元110、第二储能单元120以及信号调制单元210电连接，用于根据所述脉冲宽度调制信号使输出单元230与所述第一储能单元110或所述第二储能单元120导通；以及所述输出单元230，所述输出单元230与所述开关单元220电连接，用于根据所述开关单元220的导通状态向所述第一储能单元110或所述第二储能单元120充电。
52.可以理解的，本实施例通过信号调制单元210将输入信号调制成对应的脉冲宽度调制信号，再通过脉冲宽度调制信号调节开关单元220的导通状态，输出单元230根据开关管的导通状态向第一储能单元110或第二储能单元120充电。当输入信号为直流信号时，不同的数字功放模块200分别接收不同极性且等值的输入信号。请参照图3和图4，示例性地，
恒流源电路设置有第一数字功放模块240和第二数字功放模块250。第一数字功放模块240中，信号调制单元210获取正直流输入信号并调制获得第一脉冲调制信号，开关单元220根据第一脉冲调制信号使输出单元230与第二储能单元120导通，输出单元230向第二储能单元120充电。第二数字功放模块250中，信号调制单元210获取负直流输入信号并调制获得第二脉冲调制信号，开关单元220根据第二脉冲调制信号使输出单元230与第一储能单元110导通，输出单元230向第一储能单元110充电。
53.请参照图4，具体的，所述信号调制单元210包括三角波发生器211和数字信号调制器212。所述数字信号调制器212分别与所述三角波发生器211以及所述开关单元220连接，所述数字信号调制器212用于接收所述输入信号和所述三角波发生器211输出的三角波信号，以及根据所述输入信号和所述三角波信号输出所述脉冲宽度调制信号至所述开关单元220。
54.具体的，所述开关单元220包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三二极管d3以及第四二极管d4。所述第一晶体管q1的栅极连接所述信号调制单元210，所述第一晶体管q1的漏极连接所述第一储能单元110的正极，所述第一晶体管q1的源极分别连接所述第二晶体管q2的漏极以及所述输出单元230。所述第二晶体管q2的栅极连接所述信号调制单元210，所述第二晶体管q2的源极连接所述第二储能单元120的负极。所述第三二极管d3的正极连接所述输出单元230，所述第三二极管d3的负极连接所述第一储能单元110的正极。所述第四二极管d4的正极连接所述第二储能单元120的负极，所述第四二极管d4的负极连接所述输出单元230。本实施例中，所述第一晶体管q1的栅极、所述第二晶体管q2的栅极各自分别连接所述数字信号调制器212。本实施例中，第一晶体管q1和第二晶体管q2为n沟道场效应管，第一晶体管q1和第二晶体管q2并非同时导通，其中一个晶体管必须在另一个晶体管关闭后才能导通，否则会造成串通损耗，甚至烧坏晶体管。
55.具体的，所述输出单元230包括电感l1以及第三电容c3；所述电感l1的一端连接所述开关单元220，所述电感l1的另一端用于连接外部的负载；所述第三电容c3的一端连接所述电感l1的另一端，所述第三电容c3的另一端接地。其中，所述电感l1的一端分别连接所述第一晶体管q1的源极、第二晶体管q2的漏极、第三二极管d3的正极以及第四二极管d4的负极。
56.具体的，所述第一储能单元110包括第一电容c1，所述第二储能单元120包括第二电容 c2。所述第一电容c1的一端用于连接外部电源300的正极，所述第一电容c1的另一端连接所述第二电容c2的一端并共同接地，所述第二电容c2的另一端用于连接外部电源300的负极。所述数字功放模块200分别连接所述第一电容c1的正极以及所述第二电容 c2的正极。其中，所述第一电容c1的正极分别与所述第一晶体管q1的漏极以及所述第三二极管d3的负极连接，所述第二电容 c2的负极分别与所述第二晶体管q2的源极以及所述第四二极管d4的正极连接。其中，所述续流能量由电感l1产生。
57.请参照图4，可以理解的，当输入信号为正直流信号时，第一晶体管q1的导通宽度大于第二晶体管q2的导通宽度，电感l1的电流方向始终为正。电感l1的续流能量分别通过第四二极管d4、第二晶体管q2、地以及pvcc-端向第二电容c2充电。当输入信号为负直流信号时，第二晶体管q2的导通宽度大于第一晶体管q1的导通宽度，电感l1的电流方向始终为负。电感l1的续流能量分别经过第一晶体管q1、第三二极管d3、pvcc 端、第三电容c3以及地
向第一电容c1充电。因此，在输入信号为直流时，采用至少一对数字功放模块200，其中一个数字功放模块200用于接入正直流输入信号，并向电源输入模块100的第二电容c2充电；另一个数字功放模块200用于接入负直流输入信号，并向电源输入模块100的第一电容c1充电，以使第一电容c1和第二电容c2储存的能量相互抵消。
58.可选的，所述电源输入模块100还包括第一隔离单元130和第二隔离单元140。所述第一隔离单元130设置于所述第一储能单元110和外部电源300之间，并连接所述第一储能单元110的正极，所述第一隔离单元130用于在所述第一储能单元110电压上升时使所述第一储能单元110与外部电源300隔离。所述第二隔离单元140设置于所述第二储能单元120和外部的电源之间，并连接所述第二储能单元120的负极，所述第二隔离单元140用于在所述第二储能单元120电压上升时使所述第二储能单元120与外部电源300隔离。可选的，所述第一隔离单元130包括第一二极管d1，所述第二隔离单元140包括第二二极管d2。所述第一隔离单元130包括第一二极管d1，所述第二隔离单元140包括第二二极管d2。所述第一二极管d1的正极用于与外部电源300的正极连接，所述第一二极管d1的负极与所述第一储能单元110的正极连接。所述第二二极管d2的负极用于与外部电源300的负极连接，所述第二二极管d2的正极与所述第二储能单元120的负极连接。本实施例中，电源输入模块100包括与外部电源300连接的电源接口160，第一二极管d1的正极以及第二二极管d2的负极通过电源接口160与外部电源300连接，第一二极管d1的负极与第一电容c1的正极连接，第二二极管d2的负极与第二电容c2的负极连接。
59.可以理解的，本实施例在电源输入模块100设置第一二极管d1和第二二极管d2，能有效避免误操作时，因第一电容c1或第二电容c2的电压上升导致电源受到干扰，有利于保证电源的工作稳定性。
60.请继续参照图4，可选的，所述电源输入模块100还包括：电压检测单元150，所述电压检测单元150分别所述第一储能单元110的正极、所述第二储能单元120的负极以及所述信号调制单元210电连接，用于检测所述第一储能模块储能单元的正极端与所述第二储能单元120的负极端之间的电压，并在所述第一储能单元110的正极端与所述第二储能单元120的负极端之间的电压存在异常时向所述信号调制单元210输出异常信号.所述信号调制单元210还用于根据所述异常信号关闭所述开关单元220。
61.可以理解的，本实施例通过设置电压检测单元150，监控第一电容c1的正极至第二电容c2的负极之间的电压，在出现异常时及时发送异常信号给信号调制单元210，以使开关单元220及时关闭，有利于保护数字功放模块200以及外部负载。
62.本实施例中，电压检测单元150的其中一种设置为：电压检测单元150设置第一比较器和第二比较器，第一比较器的其中一个输入端连接第一电容c1，以获取第一电容c1的电压；第二比较器的其中一个输入端连接第二电容c2,以获取第二电容c2的电压。第一比较器的另一个输入端以及第二比较器的另一个输入端接入参考电压，第一比较器的输出端和第二比较器的输出端连接数字功放模块200中的信号调制单元210，用于向信号调制单元210提供比较结果。本实施例中，第一数字功放模块240、第二数字功放模块250各自的信号调制单元210根据比较结果判定第一电容c1的正极至第二电容c2的负极之间的电压是否存在异常，如果存在异常，则关闭自身的开关单元220。
63.示例性地，电压检测单元150的另一种设置为：电压检测单元150设置有第三比较
器，第三比较器的其中一个输入端连接第一电容c1，以获得第一电容c1的电压；第三比较器的另一个输入端连接第二电容c2，以获得第二电容c2的电压；第三比较器的输出端连接数字功放模块200中的信号调制单元210，用于向信号调制单元210提供比较结果。本实施例中，第一数字功放模块240、第二数字功放模块250各自的信号调制单元210根据比较结果判定第一电容c1的正极至第二电容c2的负极之间的电压是否存在异常，如果存在异常，则关闭开关单元220。
64.请参照图4，示例性地，本实施例中的外部信号源采用信号发生器，用于提供输入信号。信号放大模块400包括第一运算放大器，第一运算放大器的输入端与信号发生器连接，用于对输入信号进行放大后输出。恒流调制模块500包括第二运算放大器，第二运算放大器的输入端与第一运算放大器的输出端连接，并且第二运算放大器的输入端还与后级电路连接，以实现对输入信号的恒流调制。低通滤波模块600包括低通滤波器，用于对输入信号进行低通滤波。数字信号调制器212采用现有的双极性调制的数字信号调制器212，数字信号调制器212接收三角波发生器211提供的基波与恒流调制后的输入信号进行数字信号调制，分别输出两路独立的脉冲信号，以分别驱动第一场效应管q1和第二场效应管q2。其中，每个数字功放模块各自连接单独的信号放大模块400、恒流调制模块500以及低通滤波模块600。
65.第一数字功放模块240和第二数字功放模块250由于分别接入极性相反且等值的直流输入信号，第一数字功放模块240、第二数字功放模块250的第一场效应管q1分别接收的相反极性的脉冲信号，第一数字功放模块240、第二数字功放模块250的第二场效应管q2分别接收相反极性的脉冲信号。具体的，第一数字功放模块240输入正直流信号，其第一场效应管q1导通，第二场效应管q2断开；此时第二数字功放模块250输入负直流信号，其第一场效应管q1断开，第二场效应管q2导通。那么，第一数字功放模块240的电感l1通正向电，第二数字功放模块250的电感l1通负向电。当场效应管接收的脉冲信号电平变化时，第一数字功放模块240的第一场效应管q1断开，第二场效应管q2导通，电感l1将储能电流释放，经第二场效应管q2和第四二极管d4到达pvcc-端，再对第二电容c2充负电；第二数字功放模块250的第一场效应管q1导通，第二场效应管q2断开，电感l1将储能电流释放，经第一场效应管q1和第三二极管d3到达pvcc 端，再对第一电容c1充正电。因此，第一电容c1的负极板上的正电荷与第二电容c2的负极板的负电荷结合抵消。
66.实施例二
67.本实施例提供一种继电保护测试装置，用于连接待测试的负载，所述继电保护装置包括电源、壳体和电路板，所述电路板上设置有如实施例一中任一项所述的恒流源电路，所述电路板安装于所述壳体上，所述电源与所述恒流源电路电连接。
68.综上所述，本实用新型提供的恒流源电路及继电保护测试装置，采用数字功放模块，相较于现有技术中的继电保护测试装置，功放效率最大可以达到90%，从而节省能耗，减少体积和重量，有利于实现装置或设备的轻便化。同时，通过设置第一储能单元和第二储能单元，并且使两个数字功放模块分别接收不同极性的直流输入信号，使电感的续流能量分别输出至对应的储能单元，通过储能单元将对应的两个数字功率模块的电感的续流能量抵消，以保持电源的供电电压稳定，从而实现恒流源电路及继电保护测试装置兼容交流输入信号和直流输入信号。
69.除此之外，恒流源电路还设置有隔离单元，有利于使电源不受干扰，保证电源的工作稳定性；还设置有电压检测模块，以检测第一储能单元和第二储能单元的电压，并在出现电压异常时关闭开关单元，有利于保证数字功放模块的工作稳定性。
70.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围。