一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路及方法

1.本发明涉及导电线缆的电阻和自感检测技术领域，特别涉及一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路及方法。


背景技术：

2.用于远距离输电的线缆具有较大电阻和自感，因此，电源的远端负载系统输入的电压会小于电源的实际输出电压。尤其是低压大电流应用场合，线缆电阻造成的压降较大，并且阻值会随环境因素发生变化从而影响负载系统正常工作。当负载系统出现扰动时，可能会造成线缆末端电压出现波动，由于远距离线缆电感值较大，电源未必能及时响应，可能会使负载系统出现故障或进入保护状态。
3.现有的长线缆阻抗检测方法主要是通过在线缆末端并联一个足够大的电容以实现负载端较低的交流阻抗，通过连续调制到负载系统的电流来测量由于线路电阻而产生的电压变化，计算得到线缆电阻值，从而进行线缆压降补偿。但是这种方法未能实现线缆自感的检测，使得线缆阻抗模型不完整，不利于电源系统的动态分析和正常工作。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提出一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路及方法，旨在实现在导电线缆的单端实现线缆输入端电压和线缆电流检测，从而得到线缆的电阻和自感参数。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路，包括：电源、开关s、辅助电阻raux、线缆等效电阻rc、线缆等效自感lc、滤波电容caux、负载或二次电源；
6.其中，所述开关s的一端与所述电源连接，另一端分别与所述辅助电阻raux的一端、所述线缆等效电阻rc的一端连接，所述辅助电阻raux的另一端分别与所述电源、所述负载或二次电源、所述滤波电容caux的一端连接，所述线缆等效电阻rc的另一端与所述线缆等效自感lc的一端连接，所述线缆等效自感lc的另一端分别与所述滤波电容caux的另一端、所述负载或二次电容连接。
7.本发明进一步的技术方案是，在所述电源正常工作并为所述负载或二次电源供电时，所述开关s为常开状态，在0-t1阶段，由所述辅助电阻raux、线缆等效电阻rc、线缆等效自感lc、滤波电容caux构成的环路处于稳态，存在关系：
8.v
o1
＝i
cable1
rc+v
l
ꢀꢀ
(1)
9.当需要对线缆线缆阻抗参数进行检测时，断开所述开关s，断开瞬间，所述电容caux向线缆阻抗和所述辅助电阻raux放电，由于线缆末端所述滤波电容caux的作用，负载或二次电源端电压v
l
不会发生突变，线缆电感由于线缆电流的波动存在瞬态电压尖峰，在t2时间点由raux、rc、lc和caux构成的环路存在关系：
[0010][0011]
在t3时刻，所述开关s仍处于断开状态，线缆电流逐渐稳定，此时电流变化率为0，因此线缆电感电压为0，当所述滤波电容caux容值较大，足以将负载或二次电源与前端电路解耦时，负载或二次电源端电压v
l
的变化可视为0，此时由raux、rc、lc和caux构成的环路处于稳态，存在关系：
[0012]vl
＝v
o3-rc×icable3
ꢀꢀ
(3)
[0013]
其中，v
o1
、v
o2
、v
o3
分别为t1、t2、t3时刻线缆源端电压，i
cable1
、i
cable2
、i
cable3
分别为t1、t2、t3时刻线缆电流，di
cable2
/dt为t2时刻线缆电流变化率。
[0014]
为实现上述目的，本发明还提出一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测方法，所述方法应用于如上实施例所述的基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路，所述方法包括以下步骤：
[0015]
步骤s10，在电源的输出端添加所述辅助开关s和所述辅助电阻raux；
[0016]
步骤s20，在t1时刻，闭合所述开关s，采样线缆源端电压v
o1
和线缆电流i
cable1
，得到关系(1)：
[0017]vo1
＝i
cable1
rc+v
l
ꢀꢀ
(1)；
[0018]
步骤s30，在t2时刻，断开所述开关s，断开瞬间，电容caux向线缆阻抗和电阻raux放电，由于线缆末端滤波电容的作用负载系统端电压v
l
不会发生突变，线缆电感由于线缆电流的波动存在瞬态电压尖峰，此时采样线缆源端电压v
o2
和线缆电流i
cable2
，获得线缆电流变化率di
cable2
/dt，得到公式(2)：
[0019][0020]
步骤s40，在t3时刻保持开关s断开，线缆电流逐渐稳定，此时电流变化率为0，因此线缆电感电压为0，当caux容值较大，足以将负载或二次电源与前端电路解耦时，负载系统端电压v
l
的变化可视为0，此时采样线缆源端电压v
o3
和线缆电流i
cable3
，得到公式(3)；
[0021]vl
＝v
o3-rc×icable3
ꢀꢀ
(3)
[0022]
步骤s50，联立公式(1)至公式(3)，求解得到线缆等效电阻rc和线缆等效自感lc的值。
[0023]
本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路及方法的有益效果是：
[0024]
1、本发明仅通过添加辅助开关和辅助电阻便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，逻辑简单，易于实现；
[0025]
2、本发明能够实现仅在长线缆的单端进行导电线缆阻抗的精确检测。
[0026]
3、本发明可以用于解决远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载系统输入电压，且对负载系统无任何冲击影响；
[0027]
4、本发明解决了远距离线缆电感对系统动态的影响，解决了线缆电压延时响应的问题，避免负载系统出现故障。
[0028]
5、本发明可以应用于任意电源系统，不受前端电源类型和负载系统的电路结构制约，具有普适性。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0030]
图1是本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路的电路结构示意图；
[0031]
图2是本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路的工作时序图。
[0032]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
请参照图1，本发明提出一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路，本发明适用于检测任意材质、长度和直径的导电线缆的电阻和自感。本发明所采用的技术方案主要是通过添加辅助开关和并联电阻，检测线缆输入端电压和线缆电流，从而得到线缆的电阻和自感参数。
[0035]
具体地，如图1所示，本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路较佳实施例包括电源、开关s、辅助电阻raux、线缆等效电阻rc、线缆等效自感lc、滤波电容caux、负载或二次电源。图1中，vo为线缆源端电压，v
l
为负载端电压或二次电源输入电压(即线缆末端电压)，i
cable
为线缆流经的电流。
[0036]
其中，所述开关s的一端与所述电源连接，另一端分别与所述辅助电阻raux的一端、所述线缆等效电阻rc的一端连接，所述辅助电阻raux的另一端分别与所述电源、所述负载或二次电源、所述滤波电容caux的一端连接，所述线缆等效电阻rc的另一端与所述线缆等效自感lc的一端连接，所述线缆等效自感lc的另一端分别与所述滤波电容caux的另一端、所述负载或二次电容连接。
[0037]
请参照图2，图2是本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路工作时序图。
[0038]
本发明在所述电源的输出侧添加所述辅助开关s和并联所述辅助电阻raux，在所述电源正常工作并为所述负载或二次电源供电时，所述开关s为常开状态，在图2中所示的0-t1阶段，由所述辅助电阻raux、线缆等效电阻rc、线缆等效自感lc、滤波电容caux构成的环路处于稳态，存在关系：
[0039]vo1
＝i
cable1
rc+v
l
ꢀꢀ
(1)
[0040]
当需要对线缆线缆阻抗参数进行检测时，断开所述开关s，断开瞬间，所述电容caux向线缆阻抗和所述辅助电阻raux放电，由于线缆末端所述滤波电容caux的作用，负载或二次电源端电压v
l
不会发生突变，线缆电感由于线缆电流的波动存在瞬态电压尖峰，如图2中t2时间点所示，此时由raux、rc、lc和caux构成的环路存在关系：
[0041][0042]
在t3时刻，所述开关s仍处于断开状态，线缆电流逐渐稳定，此时电流变化率为0，因此线缆电感电压为0，当所述滤波电容caux容值较大，足以将负载或二次电源与前端电路解耦时，负载或二次电源端电压v
l
的变化可视为0，此时由raux、rc、lc和caux构成的环路处于稳态，存在关系：
[0043]vl
＝v
o3-rc×icable3
ꢀꢀ
(3)
[0044]
其中，v
o1
、v
o2
、v
o3
分别为t1、t2、t3时刻线缆源端电压，i
cable1
、i
cable2
、i
cable3
分别为t1、t2、t3时刻线缆电流，di
cable2
/dt为t2时刻线缆电流变化率。上述参数可通过在线缆源端进行电压采样和电流采样获得。
[0045]
综上，联立式(1)至式(3)可求解得到所述线缆等效电阻rc和所述线缆等效自感lc的值。
[0046]
本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路的有益效果是：
[0047]
1、本发明仅通过添加辅助开关和辅助电阻便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，逻辑简单，易于实现；
[0048]
2、本发明能够实现仅在长线缆的单端进行导电线缆阻抗的精确检测。
[0049]
3、本发明可以用于解决远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载系统输入电压，且对负载系统无任何冲击影响；
[0050]
4、本发明解决了远距离线缆电感对系统动态的影响，解决了线缆电压延时响应的问题，避免负载系统出现故障。
[0051]
5、本发明可以应用于任意电源系统，不受前端电源类型和负载系统的电路结构制约，具有普适性。
[0052]
为实现上述目的，本发明还提出一种基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测方法，所述方法应用于如上实施例所述的基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测电路，所述方法包括以下步骤：
[0053]
步骤s10，在电源的输出端添加所述辅助开关s和所述辅助电阻raux；
[0054]
步骤s20，在t1时刻，闭合所述开关s，采样线缆源端电压v
o1
和线缆电流i
cable1
，得到关系(1)：
[0055]vo1
＝i
cable1
rc+v
l
ꢀꢀ
(1)；
[0056]
步骤s30，在t2时刻，断开所述开关s，断开瞬间，电容caux向线缆阻抗和电阻raux放电，由于线缆末端滤波电容的作用负载系统端电压v
l
不会发生突变，线缆电感由于线缆电流的波动存在瞬态电压尖峰，此时采样线缆源端电压v
o2
和线缆电流i
cable2
，获得线缆电流变化率di
cable2
/dt，得到公式(2)：
[0057][0058]
步骤s40，在t3时刻保持开关s断开，线缆电流逐渐稳定，此时电流变化率为0，因此线缆电感电压为0，当caux容值较大，足以将负载或二次电源与前端电路解耦时，负载系统端电压v
l
的变化可视为0，此时采样线缆源端电压v
o3
和线缆电流i
cable3
，得到公式(3)；
[0059]vl
＝v
o3-rc×icable3
ꢀꢀ
(3)
[0060]
步骤s50，联立公式(1)至公式(3)，求解得到线缆等效电阻rc和线缆等效自感lc的值。
[0061]
本发明基于开关瞬态的导电线缆阻抗单端检测方法的有益效果是：
[0062]
1、本发明仅通过添加辅助开关和辅助电阻便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，逻辑简单，易于实现；
[0063]
2、本发明能够实现仅在长线缆的单端进行导电线缆阻抗的精确检测。
[0064]
3、本发明可以用于解决远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载系统输入电压，且对负载系统无任何冲击影响；
[0065]
4、本发明解决了远距离线缆电感对系统动态的影响，解决了线缆电压延时响应的问题，避免负载系统出现故障。
[0066]
5、本发明可以应用于任意电源系统，不受前端电源类型和负载系统的电路结构制约，具有普适性。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。