CN101846701A - 不平衡度矢量测试仪及其调整h桥电容器组平衡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为不平衡度矢量测试仪，解决H桥电容器组调整平衡工作效率低的问题。工控机分别与计算机，显示器和数字信号发生器相连，数字信号发生器分别与D/A转换器，第1和第2光电隔离器相连，D/A转换器经低通滤波器和功率放大器与H桥电容器组两端相连，H桥电容器组的低电位端和功率放大器负输出端与第1可变电阻R1连接，功率放大器负输出端和第1可变电阻的输出与第1信号放大器的输入连接，第1信号放大器的输出经第1A/D采样板与第1光电隔离器相连，H桥电容器组的中性线的断开两端与第2可变电阻R2连接，第2可变电阻R2的输出和中性线的低电位端与第2信号放大器的输入连接，第2信号放大器的输出经第2A/D采样板与第2光电隔离器相连。

Description

不平衡度矢量测试仪及其调整H桥电容器组平衡的方法

技术领域：

本发明与H桥电容器组的不平衡调整的仪器和方法有关。

背景技术：

为实现电网无功平衡并滤除直流换流站生成的特征谐波，500kV直流换流站需配置多组大容量无功补偿电容器和交流滤波器。大容量无功补偿电容器和交流滤波器由超过100只的单体电容器串、并联组成。为避免电容器局部故障对其它电容器造成破坏，需设置高灵敏度的保护装置，当电容器组发生局部故障时，快速将故障电容器组从电网断开。

为实现灵敏、可靠的保护，一般将电力电容器组连接为“H”桥接线方式，“H”桥接线电容器组的典型连接方式见图1。图1中，144只电容器元件串、并联组成“H”桥，“H”桥由4个桥“臂”和连接4个臂的中性线组成。图中，流过电容器组的电流矢量记为Ic，流过“H”桥中性线的电流称为“不平衡电流矢量”，“不平衡电流矢量”记为“Ibph”，规定两个电流矢量的正方向如图1所示。

当“H”桥4个臂参数完全相等时，可以使流过“H”桥中性线的不平衡电流矢量幅值为零。当部分电容器发生故障时，电容器组的平衡被破坏，使“H”桥中性线流过因故障产生的不平衡电流，动作于“‘H’桥不平衡电流”的保护装置可以根据不平衡电流幅值变化检测出故障，并快速切除故障。根据不平衡电流保护原理，为使基于“‘H’桥不平衡电流”原理的保护具有高灵敏度，需要尽量减小无故障条件下的不平衡电流幅值，为此，需使无故障条件下“H”桥4个臂的电容量尽量相等。

在实际应用中，每只电容器的电容量不可能完全相等，“H”桥4个臂的电容值也不会完全相同。为使“不平衡电流保护”灵敏、可靠，需要将“电容器组固有不平衡电流”限制在一定范围内，这个限制值称为“不平衡电流报警定值Ibj”。根据规定，当无故障“H”桥电容器组的不平衡电流超过0.5×Ibj时，必须对“H”桥平衡进行调整。

受电容器制造工艺和组装技术限制，安装在500kV直流换流站的电容器组会出现“电容器组固有不平衡电流”超出允许范围的情况。对不平衡电流超过标准的电容器组，需对部分电容器元件的电气连接位置进行调整，以便使电容器组的不平衡电流满足使用要求。

由于组成“H”桥的电容器组由超过100只的单体电容器元件组成，而所需做的调整工作又十分精细，所以“H”桥平衡调整工作是一项十分困难的工作，既使对有经验的工程师，也是一个足够复杂的问题。有时，这项工作可能需要几天甚至更长的时间才能完成。对输送容量达到300万千瓦的换流站而言，延长“H”桥平衡调整时间可能意味着巨大的经济损失。

目前，还没有可用于帮助技术人员确定“H”桥电容器组不平衡调整方案的仪器。

在工程中，当需要调整“H”桥电容器组不平衡时，一般用下述试探的方法通过检查不平衡电流大小完成电容器组不平衡调整：

1)外加400V-1000V工频电压，用微安表检查流过“H”桥中性线的不平衡电流数值。

2)用电容表测量每只电容器电容量。

3)在不同桥臂找出具有“正偏差”和“负偏差”的电容器元件。并将部分电容器元件的安装位置进行交换。

4)再次施加400V-1000V工频电压，用微安表检查流过“H”桥中性线不平衡电流幅值的变化，判断不平衡调整方向是否正确，不平衡电流大小是否满足设计要求。当不平衡电流数值满足要求时，停止调整工作。不满足要求时，进行“5)”的工作。

5)重复步骤“3)、4)”，直至不平衡电流满足要求。

上述方法可以称之为“试探调整法”。其核心是根据不平衡电流幅值大小，用试探的方法检查电容器组调整平衡结果。由于“H”桥电容器元件数量多，可供选择的组合极多，难以确定调整方案。这种方法的主要缺点是调整前无法确定调整方向是否正确，可能出现调整后不平衡电流反而增大的情况，工作效率低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种操作方便，测试效率高的不平衡度矢量测试仪和高效调整H桥电容器组平衡的方法。

本发明是这样实现的：

本发明不平衡度矢量测试仪，工控机与数字信号发生器相连，数字信号发生器分别与D/A转换器，第1和第2光电隔离器相连，D/A转换器经低通滤波器和功率放大器与H桥电容器组两端相连，H桥电容器组的低电位端和功率放大器负输出端与第1可变电阻R1连接，功率放大器负输出端和第1可变电阻的输出与第1信号放大器的输入连接，第1信号放大器的输出经第1A/D采样板与第1光电隔离器相连，H桥电容器组的中性线的断开两端与第2可变电阻R2连接，第2可变电阻R2的输出和中性线的低电位端与第2信号放大器的输入连接，第2信号放大器的输出经第2A/D采样板与第2光电隔离器相连。

工控机与笔记本电脑和显示器连接，数字信号发生器为DSP5402板，

笔记本电脑：利用笔记本电脑键盘输入试验用信号频率、幅值，笔记本电脑将试验信号频率、幅值参数下装到工控机，试验信号是频率为1000Hz，有效值为60V的正弦电压信号，

工控机：将试验信号频率、幅值参数转换为控制DSP 5402板的控制命令，接收来自DSP 5402板的试验结果，在显示器上显示被试电容器组的总电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph、不平衡度矢量k₁，

显示器：显示被试电容器组的总电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph、不平衡度矢量k₁，

D/A转换器：接收来自DSP 5402板的数字信号，并将其转换成小信号模拟量，

低通滤波器：滤除A/D转换后小信号模拟量的高频分量，

功率放大器：将小信号模拟量放大到有效值为60V的输出信号，

第1可变电阻R1、信号放大器、第1A/D采样板、第1光电隔离器：利用R1将流过H桥电容器组的总电流Ic转换成与Ic成比例的小电压信号Vc1，并将Vc1放大为最大幅值为5V的电压信号Vc11，经第1A/D采样板将Vc11转换为数字信号，并将数字信号经第1光电隔离器送至DSP 5402板，由DSP 5402板根据采样值计算得到总电流矢量Ic，

第2可变电阻R2、第2信号放大器、第2A/D采样板、第2光电隔离器：将流过H桥中性线的不平衡电流Ibph转换成与Ibph成比例的小电压信号Vbph1，并将Vbph1放大为最大幅值为5V的电压信号Vbph11，经第2A/D采样板将电压信号Vbph11转换为数字信号，并将数字信号经第2光电隔离器送至DSP 5402板，由DSP 5402板根据采样值计算得到不平衡电流矢量Ibph，

DSP5402板：完成下述功能：

(1)计算试验电压信号u1(t)，并将其送到“D/A转换器”，

u1(t)＝U_t×sin(2×π×f×t)                (5.2.1)

式中：

U_t：试验电压信号幅值，U_t＝60V，

f：试验电压信号频率，取1.0kHz，

t：时间函数u1(t)的时间变量，单位秒，

(2)利用公式(5.2.2)、(5.2.3)、(5.2.4)和(5.2.5)计算经第1光电隔离器采集的H桥电容器组总电流Ic的幅值IC_m和相角θ_Ic；

$I_{C\_S}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vc}1\left(k\right)\×\sin (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.2}\right)$

$I_{C\_C}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vc}1\left(k\right)\×\cos (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.3}\right)$

$I_{\mathrm{Cm}}=\sqrt{I_{C\_S}^2+I_{C\_C}^2}---\left(\mathrm{5.2.4}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ic}}=\mathrm{ac}\tan \left(\frac{I_{C\_C}}{I_{C\_S}}\right)---\left(\mathrm{5.2.5}\right)$

式中：

N：每周波采样点数，N＝24；

Δt：采样时间间隔，

k：采样点号，取值：0，1，…(N-1)，

Vc1(k)：与总电流矢量Ic对应的采样值序列，

I_{C_S}：Ic的实部，

Ic_c：Ic的虚部，

I_Cm：Ic的模，

θ_Ic：Ic的相位角，

(3)利用公式(5.2.6)、(5.2.7)、(5.2.8)和(5.2.9)计算通过第1光电隔离器采集的H桥中性线不平衡电流矢量Ibph的幅值I_bphm和相角θ_Ibph；；

$I_{\mathrm{bph}\_S}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vbph}1\left(k\right)\×\sin (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.6}\right)$

$I_{\mathrm{bph}\_C}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vbph}1\left(k\right)\×\cos (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.7}\right)$

$I_{\mathrm{bphm}}=\sqrt{I_{\mathrm{bph}\_S}^2+I_{\mathrm{bph}\_C}^2}---\left(\mathrm{5.2.8}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ibph}}=\mathrm{ac}\tan \left(\frac{I_{\mathrm{bph}\_C}}{I_{\mathrm{bph}\_S}}\right)---\left(\mathrm{5.2.9}\right)$

式中：

N：每周波采样点数，N＝24；

Δt：采样时间间隔，

k：采样点号，取值：0，1，…(N-1)，

Vbph1(k)：与不平衡电流矢量Ibph对应的采样值序列，

I_{bph_s}：Ibph的实部，

I_{bph_C}：Ibph的虚部，

I_bphm：Ibph的模，

θ_Ibph：Ibph的相位角，

(4)利用公式(5.2.10)、(5.2.11)计算H桥电容器组不平衡度矢量k₁的幅值k_1m和相角θ_k1，

$k_{1m}=\frac{I_{\mathrm{bphm}}}{I_{\mathrm{Cm}}}---\left(\mathrm{5.2.10}\right)$

θ_k1＝θ_bph-θ_Ic                          (5.2.11)

k_1m：k₁的模，

θ_k1：k₁的相位角，

θ_k1的数值只能是0°或180°，当θ_k1是0°时，k₁＝+k_1m；当θ_k1是180°时，k₁＝-k_1m，

(5)将计算获得的矢量Ic、Ibph、k₁送到液晶显示器显示。

调整“H”桥电容器组不平衡的过程如下：

1)获取制造厂规定的“H”桥电容器组不平衡电流报警值Ibj，

2)获取制造厂规定的“H”桥电容器组额定电流Icn数值，

3)根据Ibj和Icn计算“不平衡度报警值bkj”：

$\mathrm{kbj}=\frac{\mathrm{Ibj}}{\mathrm{Icn}}---\left(\mathrm{5.3.1}\right)$

4)利用H桥不平衡度矢量测试仪”在H桥电容器组两端施加试验电压Uout，

5)计算电容器组不平衡度矢量k₁的幅值k_1m和相角θ_k1：

I_bphm是不平衡电流矢量Ibph的模，I_Cm是总电

                     流矢量Ic的模，

θ_k1＝θ_Ibph-θ_Ic    θ_Ibph是不平衡电流矢量Ibph的相位角，θ_Ic是总

                     电流矢量Ic的相位角。

当θ_k1是0°，k₁＝+k_1m，

当θ_k1是180°，

6)检查矢量k₁的幅值k_1m是否大于H桥接线电容器组不平衡度告警值kbj的0.5倍，

当满足：k_1m＜0.5×kbj时，不需对H桥电容器组平衡进行调整；

当满足：k_1m≥0.5×kbj时，按下述步骤调整H桥电容器组平衡：

(1)计算需要调整的不平衡电容量ΔCt数值：ΔC_t＝4×m×k₁×C_pj

式中：

m：H桥一个臂串联连接的电容器元件个数。

C_pj：电容器元件电容量的平均值。

k₁：由H桥电容器组不平衡度矢量测试仪测得的不平衡度矢量，

(2)当ΔC_t＞0时，减小H桥电容器组臂1上电容器元件电容量、减小H桥电容器组臂4上电容器元件电容量，增大H桥电容器组臂2上电容器元件电容量、增大H桥电容器组臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

(3)当ΔC_t＜0时，增大H桥电容器组臂1上电容器元件电容量、增大H桥电容器组臂4上电容器元件电容量，减小H桥电容器组臂2上电容器元件电容量、减小H桥电容器组臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将H桥电容器组调整到平衡状态。

7)重复“4)、6)”过程，直到H桥电容器组电容器组不平衡度满足规定要求。

本发明的工作原理

术语“‘H’桥平衡”指组成电容器组“H”桥四个臂的电容量处于完全相等的状态。当“H”桥四个臂电容量不相等时，称“H”桥存在“不平衡”。因“H”桥四个臂电容量不相等形成的“H”桥中性线电流矢量称为“H桥不平衡电流矢量”，记为Ibph。

对图1所示“H”桥电容器组，根据对电路方程推导的结果，“H”桥电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph与4个桥臂电容的不平衡数值间存在对应关系。根据理论分析，可以利用由Ic和Ibph确定的不平衡度矢量调整4个桥臂电容值大小，达到“H”桥调平衡目的。

设C1、C2、C3、C4分别表示“H”桥4个臂的电容量。

对图2所示“H”桥接线电容器组，有下述关系：

C1等于C1_1、C1_2、…、C1_35、C1_36串联的电容值

C2等于C2_1、C2_2、…、C2_35、C2_36串联的电容值

C3等于C3_1、C3_2、…、C3_35、C3_36串联的电容值

C4等于C4_1、C4_2、…、C4_35、C4_36串联的电容值

设：

C＝(C1+C2+C3+C4)/4

C1＝C+ΔC1

C2＝C+ΔC2

C3＝C+ΔC3

C4＝C+ΔC4

式中：

C1、C2、C3、C4：分别表示图1“H”桥4个臂的电容量；

C：表示“H”桥4个臂电容器电容量的平均值；

ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4：带符号数，分别表示4个臂电容器电容量与平均值的偏差值，桥臂电容量为正偏差时，用正数表示。

利用等值参数，可以用图2等值电路表示图1：

利用“不平衡电流矢量测试仪测量“H”桥不衡度k₁的试验接线见图3。图中“Uout”是“不平衡度矢量测试仪”的输出电压。

用公式(5.1.1)表达流过“H”桥电容器组的总电流矢量Ic(矢量角为0°)与流过“H”桥中性线的不平衡电流矢量Ibph的关系：

$k_1=\frac{\mathrm{Ibph}}{\mathrm{Ic}}---\left(\mathrm{5.1.1}\right)$

根据图2的电路方程，又可以得到：

$k_1=\frac{\mathrm{\ΔC}1+\mathrm{\ΔC}4-\mathrm{\ΔC}2-\mathrm{\ΔC}3}{4\×C}---\left(\mathrm{5.1.2}\right)$

式5.1.1中包含2个电流矢量，其中总电流矢量Ic取做基准矢量，其矢量角取为“0”度。本发明通过测量Ic矢量和Ibph矢量，利用式5.1.1计算“H”桥电容器组不平衡度矢量k₁。

本发明给出的表达式5.1.2描述了不平衡度矢量k₁与“H”桥4个臂不平衡电容值的关系。根据k₁矢量的符号和数值可以确定调整“H”桥电容器组不平衡的方案。

设“H”桥的每个臂由m只电容器元件串联组成，当“H”桥不平衡度矢量为k₁时，由式5.1.3可以计算出需要调整的不平衡电容量数值：

实际使用中通过调整“H”桥电容器元件(设元件电容平均值为C_pj)安装位置实现调平衡目的。设“H”桥的一个臂由m只电容器元件串联组成，当“H”桥不平衡度为k₁时，利用式5.1.3可以计算出为达到平衡需要调整的电容器元件的电容量数值：

ΔC_t＝4×m×k₁×C_pj                    (5.1.3)

式中：

ΔC_t：需要调整的电容器元件的电容值。

m：“H”桥一个臂串联连接的电容器元件个数。

C_pj：电容器元件电容量的平均值。

当ΔC_t＞0时，减小“H”桥臂1上电容器元件电容量、减小“H”桥臂4上电容器元件电容量，增大“H”桥臂2上电容器元件电容量、增大“H”桥臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

当ΔC_t＜0时，增大“H”桥臂1上电容器元件电容量、增大“H”桥臂4上电容器元件电容量，减小“H”桥臂2上电容器元件电容量、减小“H”桥臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

当ΔC_t＝0时，不需对“H”桥电容器组调整平衡。

利用本发明的方法和仪器，可以快速、有效地解决由超过100只电容器元件组成的“H”桥接线电容器组不平衡调整问题。

本发明可用于500kV-800kV直流换流站大容量无功补偿电容器和交流滤波器中“H”桥接线电容器组的不平衡调整，也可用于10kV-500kV交流电网各种“H”桥接线电容器组的不平衡调整。

本发明提出了一种基于测量“H”桥“不平衡电流矢量”、并根据测量结果确定调整“H”桥接线电容器组不平衡的方法，制作了实现该方法所需要的“‘H’桥不平衡电流矢量测试仪”。

利用本发明提供的方法和仪器，可以准确、快速地确定“H”桥接线电容器组不平衡调整方案，有效解决了调整方法问题，提高了工作效率。

本发明调整“H”桥平衡的方法与“试探调整法”相比的优点是，可以保证每一步调整的方向是正确的，因而可以提高调整效率，缩短调整时间。

本发明的技术方案与现有技术的差别，本发明的技术进步如下：

对由上百只电容器元件组成的“H”桥接线电容器组的不平衡调整，目前还没有基于科学判断的调整方法。当遇到问题需进行“H”桥不平衡调整时，目前是采用试探法。试探法的主要缺点是：对于任一个调整需求，由于对4个桥臂的每个臂均可作“电容量增加”或“电容量减小”两种调整选择，在调整之前并不知道调整方向是否正确，因此调整带有盲目性，有时可能得到与期望相反的结果，使不平衡增大。使用“试探法”调整不平衡，既使是丰富经验的工程师，也需经多次试探才能完成不平衡调整。

本发明提出了一种基于“H”桥不平衡度矢量进行“H”桥不平衡调整的方法。利用“‘H’桥不平衡度矢量测试仪”可以测量不平衡度矢量，并据此确定对4个臂电容量的调整方案。该方法避免了调整的盲目性，提高了工作效率。

另外，该方法不依赖于经验。只要使用本发明的方法，就可以正确、快速地完成“H”桥电容器组的不平衡调整。

附图说明：

图1为H桥电容器组接线图。

图2为H桥电容器组等值电路图。

图3为本发明的测试接线图。

图4为本发明测试仪框图。

图5为本发明的方法的流程图。

具体实施方式：

“‘H’桥不平衡度矢量测试仪”硬件框图见图4。测试仪由工控机、笔记本电脑、显示器、D/A转换、低通滤波器、功率放大器、R1、信号放大1、A/D采样板1、光电隔离1、R2、信号放大2、A/D采样板2、光电隔离2及DSP 5402板组成。各单元功能如下：

工控机与笔记本电脑和显示器连接，数字信号发生器为DSP5402板，

笔记本电脑：利用笔记本电脑键盘输入试验用信号频率、幅值，笔记本电脑将试验信号频率、幅值参数下装到工控机，试验信号是频率为1000Hz，有效值为60V的正弦电压信号，

工控机：将试验信号频率、幅值参数转换为控制DSP 5402板的控制命令，接收来自DSP 5402板的试验结果，在显示器上显示被试电容器组的总电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph、不平衡度矢量k₁，

显示器：显示被试电容器组的总电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph、不平衡度矢量k₁，

D/A转换器：接收来自DSP 5402板的数字信号，并将其转换成小信号模拟量，

低通滤波器：滤除A/D转换后小信号模拟量的高频分量，

功率放大器：将小信号模拟量放大到有效值为60V的输出信号，

第1可变电阻R1、信号放大器、第1A/D采样板、第1光电隔离器：利用R1将流过H桥电容器组的总电流Ic转换成与Ic成比例的小电压信号Vc1，并将Vc1放大为最大幅值为5V的电压信号Vc11，经第一A/D采样板将Vc11转换为数字信号，并将数字信号经第1光电隔离器送至DSP 5402板，由DSP 5402根据采样值计算得到Ic矢量，

第2可变电阻R2、第2信号放大器、第2A/D采样板、第2光电隔离器：将流过H桥中性线的不平衡电流Ibph转换成与Ibph成比例的小电压信号Vbph1，并将Vbph1放大为最大幅值为5V的电压信号Vbph11，经第2A/D采样板将电压信号Vbph11转换为数字信号，并将数字信号经第2光电隔离器送至DSP 5402板，由DSP 5402根据采样值计算得到Ibph矢量，

DSP5402板：完成下述功能：

(1)计算试验电压信号u1(t)，并将其送到“D/A转换器”。

u1(t)＝U_t×sin(2×π×f×t)                    (5.2.1)

式中：

U_t：试验电压信号幅值，U_t＝60V，

f：试验电压信号频率，取1.0kHz，

t：时间函数u1(t)的时间变量，单位秒，

(2)利用公式(5.2.2)、(5.2.3)、(5.2.4)和(5.2.5)计算经第1光电隔离器采集的H桥电容器组总电流矢量Ic的幅值I_Cm和相角θ_Ic；

$I_{C\_S}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vc}1\left(k\right)\×\sin (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.2}\right)$

$I_{C\_C}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vc}1\left(k\right)\×\cos (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.3}\right)$

$I_{\mathrm{Cm}}=\sqrt{I_{C\_S}^2+I_{C\_C}^2}---\left(\mathrm{5.2.4}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ic}}=\mathrm{ac}\tan \left(\frac{I_{C\_C}}{I_{C\_S}}\right)---\left(\mathrm{5.2.5}\right)$

式中：

N：每周波采样点数，N＝24；

Δt：采样时间间隔，

k：采样点号，取值：0，1，…(N-1)，

Vc1(k)：与总电流矢量Ic对应的采样值序列，

I_{C_S}：Ic的实部，

I_{C_C}：Ic的虚部，

I_Cm：Ic的模，

θ_Ic：Ic的相位角，

(3)利用公式(5.2.6)、(5.2.7)、(5.2.8)和(5.2.9)计算通过第1光电隔离器采集的H桥中性线不平衡电流矢量Ibph的幅值I_bphm和相角θ_Ibph；；

$I_{\mathrm{bph}\_S}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vbph}1\left(k\right)\×\sin (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.6}\right)$

$I_{\mathrm{bph}\_C}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vbph}1\left(k\right)\×\cos (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.7}\right)$

$I_{\mathrm{bphm}}=\sqrt{I_{\mathrm{bph}\_S}^2+I_{\mathrm{bph}\_C}^2}---\left(\mathrm{5.2.8}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ibph}}=\mathrm{ac}\tan \left(\frac{I_{\mathrm{bph}\_C}}{I_{\mathrm{bph}\_S}}\right)---\left(\mathrm{5.2.9}\right)$

式中：

N：每周波采样点数，N＝24：

Δt：采样时间间隔，

k：采样点号，取值：0，1，…(N-1)。

Vbph1(k)：与不平衡电流矢量Ibph对应的采样值序列，

I_{bph_S}：Ibph的实部，

I_{bph_C}：Ibph的虚部，

I_bphm：Ibph的模，

θ_Ibph：Ibph的相位角，

(4)利用公式(5.2.10)、(5.2.11)计算H桥电容器组不平衡度矢量k₁的幅值k_1m和相角θ_k1，

$k_{1m}=\frac{I_{\mathrm{bphm}}}{I_{\mathrm{Cm}}}---\left(\mathrm{5.2.10}\right)$

θ_k1＝θ_Ibph-θ_Ic                       (5.2.11)

k_1m：k₁的模，

θ_k1：k₁的相位角，

θ_k1的数值只能是0°或180°。当θ_k1是0°时，k₁＝+k_1m；当θ_k1是180°时，k₁＝-k_1m，

(5)将计算获得的矢量Ic、Ibph、k₁送到液晶显示器显示。

5.3使用本发明调整“H”桥电容器组不平衡的过程

1)获取制造厂规定的“H”桥电容器组不平衡电流报警值Ibj，

2)获取制造厂规定的“H”桥电容器组额定电流Icn数值，

3)根据Ibj和Icn计算“不平衡度报警值kbj”：

$\mathrm{kbj}=\frac{\mathrm{Ibj}}{\mathrm{Icn}}---\left(\mathrm{5.3.1}\right)$

4)利用“‘H’桥不平衡度矢量测试仪”在“H”桥电容器组两端施加试验电压Uout。

5)计算电容器组不平衡度k₁的幅值K_im和相角θ_k1：

I_bphm是不平衡电流矢量Ibph的模，I_Cm是总电流矢

                      量Ic的模，

θ_k1＝θ_Ibph-θ_Ic     θ_Ibph是不平衡电流矢量Ibph的相位角，θ_Ic是总电流

                      矢量Ic的相位角。

当θ_k1是0°，k₁＝+k_1m，

当θ_k1是180°，k₁＝-k_1m

6)检查矢量k₁的幅值k_1m是否大于H桥接线电容器组不平衡度告警值kbj的0.5倍，

当满足：k_1m＜0.5×kbj时，不需对H桥电容器组平衡进行调整；

当满足：k_1m≥0.5×kbj时，按下述步骤调整H桥电容器组平衡：

(1)计算需要调整的不平衡电容量ΔC_t数值：ΔC_t＝4×m×k₁×C_pj式中：

m：“H”桥一个臂串联连接的电容器元件个数。

C_pj：电容器元件电容量的平均值。

k₁：由“‘H’桥不平衡度矢量测试仪”测得的不平衡度矢量，

(2)当ΔC_t＞0时，减小“H”桥臂1上电容器元件电容量、减小“H”桥臂4上电容器元件电容量，增大“H”桥臂2上电容器元件电容量、增大“H”桥臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

(3)当ΔC_t＜0时，增大“H”桥臂1上电容器元件电容量、增大“H”桥臂4上电容器元件电容量，减小“H”桥臂2上电容器元件电容量、减小“H”桥臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

7)重复“4)、6)”过程，直到“H”桥接线电容器组不平衡度满足规定要求。

使用本发明调整“‘H’桥不平衡”的过程

使用本发明的方法调整“H”桥电容器组不平衡时，按照图5所示步骤进行：

(1)获取制造厂规定的“H”桥电容器组不平衡电流报警值Ibj。

(2)获取制造厂规定的“H”桥电容器组额定电流Icn数值。

(3)根据Ibj和Icn计算“不平衡度报警值kbj”：

$\mathrm{kbj}=\frac{\mathrm{Ibj}}{\mathrm{Icn}}---\left(\mathrm{5.3.1}\right)$

(4)按照图3，将“‘H’桥不平衡度测试仪”与“H”桥接线电容器组连接在一起。

5)利用“‘H’桥不平衡度测试仪”在“H”桥电容器组两端施加试验电压Uout。

6)检查k₁矢量的幅值k_1m是否大于“H”桥接线电容器组不平衡度告警值kbj的0.5倍。

当满足：k_1m＜0.5×bkj时，不需对“H”桥平衡进行调整；

当满足：k_1m≥0.5×kbj时，按下述步骤调整“H”桥平衡：

(1)利用公式5.1.3计算ΔC_t数值：ΔC_t＝4×m×k₁×C_pj

式中：

m：是“H”桥每个臂串联连接的电容器元件个数，

C_pj：是四个臂电容量的平均值。

(2)当ΔC_t＞0时，减小“H”桥臂1上电容器元件电容量、减小“H”桥臂4上电容器元件电容量，增大“H”桥臂2上电容器元件电容量、增大“H”桥臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

(3)当ΔC_t＜0时，增大“H”桥臂1上电容器元件电容量、增大“H”桥臂4上电容器元件电容量，减小“H”桥臂2上电容器元件电容量、减小“H”桥臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态。

7)重复“5)、6)”过程，直到“H”桥接线电容器组不平衡度满足规定要求。

Claims (3)

1.不平衡度矢量测试仪，其特征在于工控机与数字信号发生器相连，数字信号发生器分别与D/A转换器，第1和第2光电隔离器相连，D/A转换器经低通滤波器和功率放大器与H桥电容器组两端相连，H桥电容器组的低电位端和功率放大器负输出端与第1可变电阻R1连接，功率放大器负输出端和第1可变电阻的输出与第1信号放大器的输入连接，第1信号放大器的输出经第1A/D采样板与第1光电隔离器相连，H桥电容器组的中性线的断开两端与第2可变电阻R2连接，第2可变电阻R2的输出和中性线的低电位端与第2信号放大器的输入连接，第2信号放大器的输出经第2A/D采样板与第2光电隔离器相连。

2.根据权利求1所述的不平衡度矢量测试仪，其特征在于工控机与笔记本电脑和显示器连接，数字信号发生器为DSP5402板，

笔记本电脑：利用笔记本电脑键盘输入试验用信号频率、幅值，笔记本电脑将试验信号频率、幅值参数下装到工控机，试验信号是频率为1000Hz，有效值为60V的正弦电压信号，

工控机：将试验信号频率、幅值参数转换为控制DSP 5402板的控制命令，接收来自DSP 5402板的试验结果，在显示器上显示被试电容器组总电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph、不平衡度矢量k₁，

显示器：显示被试电容器组的总电流矢量Ic、不平衡电流矢量Ibph、不平衡度矢量k₁，

D/A转换器：接收来自DSP 5402板的数字信号，并将其转换成小信号模拟量，

低通滤波器：滤除A/D转换后小信号模拟量的高频分量，

功率放大器：将小信号模拟量放大到有效值为60V的输出信号，

第1可变电阻R1、信号放大器、第1A/D采样板、第1光电隔离器：利用R1将流过H桥电容器组的总电流矢量Ic转换成与Ic成比例的小电压信号Vc1，并将Vc1放大为最大幅值为5V的电压信号Vc11，经第1A/D采样板将Vc11转换为数字信号，并将数字信号经第1光电隔离器送至DSP 5402板，由DSP 5402板根据采样值计算得到总电流矢量Ic，

第2可变电阻R2、第2信号放大器、第2A/D采样板、第2光电隔离器：将流过H桥中性线的不平衡电流Ibph转换成与Ibph成比例的小电压信号Vbph1，并将Vbph1放大为最大幅值为5V的电压信号Vbph11，经第2A/D采样板将电压信号Vbph11转换为数字信号，并将数字信号经第2光电隔离器送至DSP 5402板，由DSP 5402板根据采样值计算得到不平衡电流矢量Ibph，

DSP5402板：完成下述功能：

(1)计算试验电压信号u1(t)，并将其送到“D/A转换器”，

u1(t)＝U_t×sin(2×π×f×t)                    (5.2.1)

式中：

U_t：试验电压信号幅值，U_t＝60V，

f：试验电压信号频率，取1.0kHz，

t：时间函数u1(t)的时间变量，单位秒，

(2)利用公式(5.2.2)、(5.2.3)、(5.2.4)和(5.2.5)计算经第1光电隔离器采集的H桥电容器组总电流矢量Ic的幅值I_Cm和相角θ_Ic；

$I_{C\_S}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vc}1\left(k\right)\×\sin (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.2}\right)$

$I_{C\_C}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vc}1\left(k\right)\×\cos (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.3}\right)$

$I_{\mathrm{Cm}}=\sqrt{I_{C\_S}^2+I_{C\_C}^2}---\left(\mathrm{5.2.4}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ic}}=\mathrm{ac}\tan \left(\frac{I_{C\_C}}{I_{C\_S}}\right)---\left(\mathrm{5.2.5}\right)$

式中：

N：每周波采样点数，N＝24；

Δt：采样时间间隔，

k：采样点号，取值：0，1，…(N-1)，

Vc1(k)：与总电流矢量Ic对应的采样值序列，

I_{C_S}：Ic的实部，

I_{C_C}：Ic的虚部，

I_Cm：Ic的模，

θ_Ic：Ic的相位角，

(3)利用公式(5.2.6)、(5.2.7)、(5.2.8)和(5.2.9)计算通过第1光电隔离器采集的H桥中性线不平衡电流矢量Ibph的幅值I_bphm和相角θ_Ibph；；

$I_{\mathrm{bph}\_S}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vbph}1\left(k\right)\×\sin (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.6}\right)$

$I_{\mathrm{bph}\_C}=\frac{2}{N}\×\underset{k=0}{\overset{-(N-1)}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vbph}1\left(k\right)\×\cos (\frac{2\×\mathrm{\π}}{N}\×\mathrm{\Δt}\×k)---\left(\mathrm{5.2.7}\right)$

$I_{\mathrm{bphm}}=\sqrt{I_{\mathrm{bph}\_S}^2+I_{\mathrm{bph}\_C}^2}---\left(\mathrm{5.2.8}\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ibph}}=\mathrm{ac}\tan \left(\frac{I_{\mathrm{bph}\_C}}{I_{\mathrm{bph}\_S}}\right)---\left(\mathrm{5.2.9}\right)$

式中：

N：每周波采样点数，N＝24；

Δt：采样时间间隔，

k：采样点号，取值：0，1，…(N-1)，

Vbph1(k)：与不平衡电流矢量Ibph对应的采样值序列，

I_{bph_S}：Ibph的实部，

I_{bph_C}：Ibph的虚部，

I_bphm：Ibph的模，

θ_Ibph：Ibph的相位角，

(4)利用公式(5.2.10)、(5.2.11)计算H桥电容器组不平衡度矢量k₁的幅值k_1m和相角θ_k1，

$k_{1m}=\frac{I_{\mathrm{bphm}}}{I_{\mathrm{Cm}}}---\left(\mathrm{5.2.10}\right)$

θ_k1＝θ_Ibph-θ_Ic                            (5.2.11)

k_1m：k₁的模，

θ_k1：k₁的相位角，

θ_k1的数值只能是0°或180°，当θ_k1是0°时，k₁＝+k_1m；当θ_k1是180°时，k₁＝-k_1m，

(5)将计算获得的矢量Ic、Ibph、k₁送到液晶显示器显示。

3.根据权利要求1所述的不衡度矢量测试仪调整H桥电容器组平衡的方法，其特征在于调整“H”桥电容器组不平衡的过程如下：

1)获取制造厂规定的“H”桥电容器组不平衡电流报警值Ibj，

2)获取制造厂规定的“H”桥电容器组额定电流Icn数值，

3)根据Ibj和Icn计算不平衡度报警值kbj：

$\mathrm{kbj}=\frac{\mathrm{Ibj}}{\mathrm{Icn}}---\left(\mathrm{5.3.1}\right)$

4)利用“H桥不平衡度矢量测试仪”在H桥电容器组两端施加试验电压Uout，

5)计算电容器组不平衡度矢量k₁的幅值k_1m和相角θ_k1：

I_bphm是不平衡电流矢量Ibph的模，I_Cm是总电流矢量Ic的模，

θ_k1＝θ_Ibph-θ_Ic  θ_Ibph是不平衡电流矢量Ibph的相位角，θ_Ic是总电流矢量Ic的相位角，

当θ_k1是0°，k₁＝+k_1m，

当θ_k1是180°，k₁＝-k_1m

6)检查k₁是否大于H桥接线电容器组不平衡度告警值kbj的0.5倍，

当满足：k_1m＜0.5×kbj时，不需对H桥电容器组平衡进行调整；

当满足：k_1m≥0.5×kbj时，按下述步骤调整H桥电容器组平衡：

(1)计算需要调整的不平衡电容量ΔC_t数值：ΔC_t＝4×m×k₁×C_pj式中：

m：H桥一个臂串联连接的电容器元件个数，

C_pj：电容器元件电容量的平均值，

k₁：由H桥电容器组不平衡度矢量测试仪测得的不平衡度矢量，

(2)当ΔC_t＞0时，减小H桥电容器组臂1上电容器元件电容量、减小H桥电容器组臂4上电容器元件电容量，增大H桥电容器组臂2上电容器元件电容量、增大H桥电容器组臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将“H”桥电容器组调整到平衡状态，

(3)当ΔC_t＜0时，增大H桥电容器组臂1上电容器元件电容量、增大H桥电容器组臂4上电容器元件电容量，减小H桥电容器组臂2上电容器元件电容量、减小H桥电容器组臂3上电容器元件电容量，并使电容器元件电容值调整量的和等于ΔC_t，即可将H桥电容器组调整到平衡状态，

7)重复“4)、6)”过程，直到H桥电容器组电容器组不平衡度满足规定要求。

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