一种多功能程控交流电源的制作方法

本实用新型属于电子设备技术领域，具体涉及一种多功能程控交流电源。

背景技术：

交流电源是一种常用的电子设备，在科学研究，工业生产，航空航天，技术培训等各个领域发挥着不可替代的作用。最常见、最易获取的交流电源就是居民用220vac/50hz单相交流电压源和工业用380vac/50hz三相交流电压源。然而，在许多应用场合，这两种固定的电源并不能满足各类设备或场合的需求。比如，有的场合需要低压或高压的电压源，或者连续可调的电压源，有的场合需要不同频率、不同相位的电压源或电流源。为了满足不同场合的多种需求，多功能程控电源应运而生。

目前，国内外市场均有相关的产品出现，但是在功能、可靠性、安全性等方面均有大幅提升的空间。在技术方案方面，目前存在数字电源、模拟电源、数模混合电源三类，数字电源的效率高、体积小、算法灵活，有利于技术保护，但存在开发难度相对大，开发周期长，电磁干扰较为严重，且线性度相对差的特点。模拟电源具有成本低，性能好的优点，但效率较低，技术保密性差。数模混合电源具备两类电源的优点，摒弃了两类电源固有的缺点，是一类具有广泛应用前景的电源。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种多功能程控交流电源，该电源可以同时提供3相交流电压源输出和3相交流电流源输出；交流电压源和交流电流源的输出幅值、频率、相位、谐波均单独可调；具有输出过载、短路、断路保护功能；输出交流电压和输出交流电流分别采用隔离升压线圈和隔离升流实现；具有总线通信功能和专用通信协议。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种多功能程控交流电源，包括一块控制板、一块功率放大板、三个升压线圈和三个升流线圈，控制板完成接收并执行pc机通过串行通信发出的控制指令，该控制指令包括六路正弦信号发生、六路功率放大电路的保护及启停，控制板和功率放大板通过排针、排母连接，功率放大板通过采用插头及导线分别与三个升压线圈和三个升流线圈连接；功率放大板完成六路正弦信号的第一次放大和闭环调节以及过流、过载、短路故障的检测；升压线圈完成电压信号的第二次放大，升流线圈完成电流信号的第二次放大。

控制板包括单片机、六路数/模转换电路、六路放大电路、第一电平转换电路、第二电平转换电路、rs485接口电路、按键/拨码开关电路、led指示灯/蜂鸣器电路、输入接口电路和输出接口电路；

输入接口电路、第一电平转换电路、单片机、六路数/模转换电路、六路放大电路和输出接口电路依次单向信号传输，单片机、第二电平转换电路和输出接口电路依次单向信号传输，按键/拨码开关电路的输出端与单片机的输入端单向信号连接，单片机的输出端与led指示灯/蜂鸣器电路的输入端单向信号连接，输入接口电路通过rs485接口电路与单片机双向信号连接。

功率放大板包括控制信号输入/输出接口、六路启停控制电路、六路过载保护电路、三路电压输出接口和三路电流输出接口，控制板通过控制信号输入/输出接口把六路幅值在-12v~12v之间的模拟正弦信号传递给功率放大板，其中三路作为电压源的输入信号，即三路电压放大电路，另外三路作为电流源的输入信号，即三路电流放大电路；

三路电压放大电路的结构相同，每路电压放大电路均包括依次连接的二次侧电压调节电路、第一一次侧电压调节电路、第一pwm调制电路、第一滤波电路和第一一次侧电压互感器，三路电压放大电路的三个第一一次侧电压互感器的输出端均与三路电压输出接口的输入端连接，三路电压输出接口的输出端与三个升压线圈连接；第一一次侧电压调节电路与第一一次侧电压互感器连接；

三路电流放大电路的结构相同，每路电压放大电路均包括依次连接的一次侧电流调节电路、第二一次侧电压调节电路、第二pwm调制电路、第二滤波电路和第二一次侧电压互感器和一次侧电流互感器，三路电流放大电路的三个一次侧电流互感器的输出端均与三路电流输出接口的输入端连接，三路电流输出接口的输出端与三个升流线圈连接；第二一次侧电压调节电路与第二一次侧电压互感器连接；

六路启停控制电路根据控制信号输入信号的状态，对三路电压放大电路、三路流电压放大电路进行启停控制；六路过载保护电路根据三路电压放大电路、三路流电压放大电路的运行状态，从控制信号输入/输出接口向控制板反馈功率放大板的故障状态。

每个升压线圈的输出端均连接有一个二次侧电压互感器，二次侧电压互感器还与二次侧电压调节电路连接。

采用上述技术方案，本实用新型的工作原理及过程为：

1、控制板的基本工作原理是：pc机通过输入接口经rs485接口电路向单片机发送控制指令，该控制指令中包括对三相交流电压源、三相交流电流源输出的幅值、频率、相位、谐波的要求参数。单片机对收到的指令进行解析，并按要求采用算法产生六路数字信号；六路数字信号经过六路数/模转换电路转换为六路幅值在0v~5v之间的模拟信号，再经过六路放大电路转换为幅值在-12v~12v之间的模拟信号，经输出接口电路传输给功率放大板。

单片机同时通过第一电平转换电路，从输入接口采集功率放大板传递来的故障信号，根据功率放大板是否存在故障，并通过第二电平转换电路和输出接口电路控制六路信号的启停。按键/拨码开关电路用于操作员现场调试，通过按键和拨码开关的组合，手动控制六路正弦信号的输出状态（幅值、频率、相位、谐波）。led指示灯/蜂鸣器电路用于整机的故障和状态提示，当单片机诊断到功率放大板上的六路放大电路存在故障时，启动蜂鸣器，并设置led灯闪烁状态进行报警。led指示灯同时还可以指示角落端头的运行状态

2、三路电压放大电路工作原理相同，以其中一路为例说明其工作过程：电压源输入信号和二次侧电压互感器的输出信号相减，经过二次侧电压调节电路处理后传递给第一一次侧电压调节电路，该信号与第一一次侧电压互感器的输出相减，经第一一次侧电压调节电路处理，传递给第一pwm调制电路进行放大，再经过第一滤波电路和第一一次侧电压互感器后输出第一级放大后的电压；该电压经过升压线圈进行放大后，输出第二级放大后的电压，作为该路电压源的输出。二次侧电压互感器采用升压线圈中的辅助线圈实现二次侧电压幅值的隔离检测，第一一次侧电压互感器采用采样电阻实现一次侧电压的非隔离检测。

三路电流放大电路工作原理相同，以其中一路为例说明其工作过程。电流源输入信号和一次侧电流互感器的输出信号相减，经过一次侧电流调节电路处理后传递给第二一次侧电压调节电路，该信号与第二一次侧电压互感器的输出相减，经第二一次侧电压调节电路处理，传递给第二pwm调制电路进行放大，再经过第二滤波电路、第二一次侧电压互感器和一次侧电流互感器输出第一级放大后的电流。该电流经过升流线圈进行放大后，输出第二级放大后的电流，作为该路电流源的输出。一次侧电流互感器采用采样电路实现一次侧电流的非隔离检测，第二一次侧电压互感器采用采样电阻实现一次侧电压的非隔离检测。

本实用新型的交流电源属于数模混合类电源。在控制方式方面，目前存在面板机械开关控制、面板触摸屏控制和远程软件控制方式，其中远程软件控制方式采用的通信方式有以太网、rs-485、rs-422、rs-232、can总线等，采用的软件协议有modbus，profinet等。本实用新型涉及的电源采用rs-485通信方式，采用自定义的通信协议进行输出控制。

本实用新型使用pc机软件经过rs-485通信方式控制六路交流电源的输出方式，也可以使用控制板上的拨码开关和按键开关控制交流电源的输出方式；可以完成三路交流电压源、三路交流电流源的幅值、频率、相位、谐波各项参数的独立控制；可以根据设置的电压幅值高低自动控制外部继电器切换升压线圈的电压范围；具有过热、过压、欠压、过流保护功能，故障产生时可以自动切断输出，同时向上位机发送故障码。

综上所述，本实用新型的优点和具有的技术效果为：

1）易用性：设置电源的输出有两种方式：上位机软件方式和拨码开关方式。上位机软件通过点击对应按钮发送对应的控制指令，可以方便的对电源进行全部功能的设置。拨码开关在电源的控制板上，通过10位的拨码开关和按键，可以完成电压源的升压线圈切换，输出幅值两级的设置，三路电压输出的启停控制，可以完成电流源输出幅值的四级设置，三路电流输出的启停控制。两种设置方式相互独立，自由切换。

2）可靠性：采用32位单片机执行控制算法，六路波形输出无延时，且不受通信事件的干扰；对六路输出回路状态实时检测，故障发生时能及时切断全部输出，避免事故的发生；同时采用硬件电路对系统的电压、电流、温度进行检测，当过压、欠压、过流、输出开路、过热等异常发生时立即关闭输出。

3）安全性：电压采用隔离升压线圈，电源内部与输出完全电气隔离，避免操作操作人员触电。升流线圈采用隔离升流线圈，电源内部与输出完全隔离，且具有开路保护功能。

4）多功能：本电源功能丰富，同时具有三路电压源、三路电流源，电压源相电压0-240v线性可调，频率0.1-500hz线性可调，相位0-360°线性可调，谐波1-36次阶数、幅值任意可调。led灯指示设备运行状态，蜂鸣器完成报警提示，报警代码通过通信接口自动发送到上位机。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构框图；

图2是本实用新型中控制板的结构框图；

图3是本实用新型中功率放大板的结构框图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实用新型的一种多功能程控交流电源，包括一块控制板1、一块功率放大板2、三个升压线圈3和三个升流线圈4，控制板1完成接收并执行pc机5通过串行通信发出的控制指令，该控制指令包括六路正弦信号发生、六路功率放大电路的保护及启停，控制板1和功率放大板2通过排针、排母连接，功率放大板2通过采用插头及导线分别与三个升压线圈3和三个升流线圈4连接；功率放大板2完成六路正弦信号的第一次放大和闭环调节以及过流、过载、短路故障的检测；升压线圈3完成电压信号的第二次放大，升流线圈4完成电流信号的第二次放大。

控制板1包括单片机7、六路数/模转换电路8、六路放大电路9、第一电平转换电路10、第二电平转换电路11、rs485接口电路12、按键/拨码开关电路13、led指示灯/蜂鸣器电路14、输入接口电路15和输出接口电路16；

输入接口电路15、第一电平转换电路10、单片机7、六路数/模转换电路8、六路放大电路9和输出接口电路16依次单向信号传输，单片机7、第二电平转换电路11和输出接口电路16依次单向信号传输，按键/拨码开关电路13的输出端与单片机7的输入端单向信号连接，单片机7的输出端与led指示灯/蜂鸣器电路14的输入端单向信号连接，输入接口电路15通过rs485接口电路12与单片机7双向信号连接。

功率放大板2包括控制信号输入/输出接口17、六路启停控制电路18、六路过载保护电路19、三路电压输出接口20和三路电流输出接口21，控制板1通过控制信号输入/输出接口17把六路幅值在-12v~12v之间的模拟正弦信号传递给功率放大板2，其中三路作为电压源的输入信号，即三路电压放大电路，另外三路作为电流源的输入信号，即三路电流放大电路；

三路电压放大电路的结构相同，每路电压放大电路均包括依次连接的二次侧电压调节电路22、第一一次侧电压调节电路23、第一pwm调制电路24、第一滤波电路25和第一一次侧电压互感器26，三路电压放大电路的三个第一一次侧电压互感器26的输出端均与三路电压输出接口20的输入端连接，三路电压输出接口20的输出端与三个升压线圈3连接；第一一次侧电压调节电路23与第一一次侧电压互感器26连接；

三路电流放大电路的结构相同，每路电压放大电路均包括依次连接的一次侧电流调节电路27、第二一次侧电压调节电路28、第二pwm调制电路29、第二滤波电路30和第二一次侧电压互感器31和一次侧电流互感器32，三路电流放大电路的三个一次侧电流互感器32的输出端均与三路电流输出接口21的输入端连接，三路电流输出接口21的输出端与三个升流线圈4连接；第二一次侧电压调节电路28与第二一次侧电压互感器31连接；

六路启停控制电路18根据控制信号输入信号的状态，对三路电压放大电路、三路流电压放大电路进行启停控制；六路过载保护电路19根据三路电压放大电路、三路流电压放大电路的运行状态，从控制信号输入/输出接口17向控制板1反馈功率放大板2的故障状态。

每个升压线圈3的输出端均连接有一个二次侧电压互感器6，二次侧电压互感器6还与二次侧电压调节电路22连接。

本实用新型的工作原理及过程为：

1、控制板1的基本工作原理是：pc机5通过输入接口经rs485接口电路12向单片机7发送控制指令，该控制指令中包括对三相交流电压源、三相交流电流源输出的幅值、频率、相位、谐波的要求参数。单片机7对收到的指令进行解析，并按要求采用算法产生六路数字信号；六路数字信号经过六路数/模转换电路8转换为六路幅值在0v~5v之间的模拟信号，再经过六路放大电路9转换为幅值在-12v~12v之间的模拟信号，经输出接口电路16传输给功率放大板2。

单片机7同时通过第一电平转换电路10，从输入接口采集功率放大板2传递来的故障信号，根据功率放大板2是否存在故障，并通过第二电平转换电路11和输出接口电路16控制六路信号的启停。按键/拨码开关电路13用于操作员现场调试，通过按键和拨码开关的组合，手动控制六路正弦信号的输出状态（幅值、频率、相位、谐波）。led指示灯/蜂鸣器电路14用于整机的故障和状态提示，当单片机7诊断到功率放大板2上的六路放大电路9存在故障时，启动蜂鸣器，并设置led灯闪烁状态进行报警。led指示灯同时还可以指示角落端头的运行状态

2、三路电压放大电路工作原理相同，以其中一路为例说明其工作过程：电压源输入信号和二次侧电压互感器6的输出信号相减，经过二次侧电压调节电路22处理后传递给第一一次侧电压调节电路23，该信号与第一一次侧电压互感器26的输出相减，经第一一次侧电压调节电路23处理，传递给第一pwm调制电路24进行放大，再经过第一滤波电路25和第一一次侧电压互感器26后输出第一级放大后的电压；该电压经过升压线圈3进行放大后，输出第二级放大后的电压，作为该路电压源的输出。二次侧电压互感器6采用升压线圈3中的辅助线圈实现二次侧电压幅值的隔离检测，第一一次侧电压互感器26采用采样电阻实现一次侧电压的非隔离检测。

三路电流放大电路工作原理相同，以其中一路为例说明其工作过程。电流源输入信号和一次侧电流互感器32的输出信号相减，经过一次侧电流调节电路27处理后传递给第二一次侧电压调节电路28，该信号与第二一次侧电压互感器31的输出相减，经第二一次侧电压调节电路28处理，传递给第二pwm调制电路29进行放大，再经过第二滤波电路30、第二一次侧电压互感器31和一次侧电流互感器32输出第一级放大后的电流。该电流经过升流线圈4进行放大后，输出第二级放大后的电流，作为该路电流源的输出。一次侧电流互感器32采用采样电路实现一次侧电流的非隔离检测，第二一次侧电压互感器31采用采样电阻实现一次侧电压的非隔离检测。

需要着重指出的是：本实用新型中涉及到的pc机5、控制板1、各个电气元件均为已知硬件，市场上均可以购置，其具体构造及型号不再赘述。本实用新型的功能是由选择的硬件设备及其相互之间的连接关系带来的，不需要进行计算机程序控制上的改进，不需要设计新的软件。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。