风电机组变桨用超级电容测试系统设计

风电机组变桨用超级电容测试系统设计
摘要：变桨控制系统有电网电源和备用电源两组供电电源，避免在电网发生
故障时不能工作，无法安全被制动，因此后备电源的稳定将是风机安全运行的保障。

超级电容以其功率密度高、充放电速度快、循环充放电次数多等优点而被广
泛运用在后备电源中，通过串联以匹配后备电源电压等级。

当电容单体因电参数
改变、开路或被击穿等原因导致电容值发生改变时，电容单体上的电压将超过额
定值，甚至造成损坏，从而影响到后备电源的正常供电。

对超级电容进行测试，
更换异常电容是解决问题的有效手段。

但现有超级电容测试系统体积较大，需上
位机软件配合，同时不能匹配后备电源使用超级电容的额定电压，因此无法对后
备电源用超级电容进行测试。

针对上述问题，本文设计出一种体积较小、测量速
度快，且具有对电容进行编号，对测试结果进行打印并能通过ＵＳＢ进行存储等
功能的超级电容测试系统。

关键词：风电机组；超级电容；变桨系统；测试系统
引言
电容是基本元器件，其特性直接影响产品的质量。

以前，电容的测量工作是
给出不同的测试条件，用测量仪器人工逐点记录，然后对测量数据进行人工或计
算机辅助分析与处理。

这需要投入大量的人力和物力，效率低，特别是当需要掌
握连续变化条件下的某些参数时，难以达到测试要求。

随着表面贴装器件（SMD）的广泛应用，电路工作频率的不断提高，各类仪器日趋小型化、智能化，人们对
测试仪的测试过程和精度有了更高要求，使得电路中电感、电容、电阻（LCR）
元件量值准确可靠的测量成为迫切需要解决的问题。

1超级电容容量测试原理
模型中包含一个等效串联电阻ＥＳＲ、一个电容Ｃ及等效并联电阻ＥＰＲ。

等效串联电阻ＥＳＲ反映的是电容在充放电过程中的能量损耗；等效并联电阻Ｅ
ＰＲ反映的是电容存在缓慢的自放电情况，表征漏电流的大小，对超级电容器的长期性能很重要。

2检测系统原理及各模块实现
2.1检测对象
测试用超级电容采用某科技开发有限公司提供的两组串联不对称电极双电层超级电容组件。

2.2系统原理介绍
超级电容管理系统可实现对超级电容工作电流和电压的实时采集。

系统共由3个主要模块组成:现场电压、电流、采集与调理模块(即采集模块),信号隔离与MCU信号处理模块(即中央处理模块),电源管理模块。

采集模块内,霍尔电压、霍尔电流传感器分别对超级电容电压和电流进行现场采集,采集信号经过仪用放大,然后转化为4mA～20mA电流信号并发送到中央处理模块。

中央处理模块内,采集模块发送的4mA～20mA电流信号,经过电流电压变换后,再进行隔离放大、AD转换并送到MCU;MCU将数据处理后通过CAN接口传送到上位机;当检测到数据异常时MCU输出故障信号,以便工作人员能即时采取措施。

电源管理模块为各功能模块提供稳定隔离的电压。

增加RS232通信串口,以便MCU程序烧录。

2.3各主要模块的实现
2.3.1采集模块的实现
采集模块包括总线电流的采集、总线电压的采集两个部分,采用霍尔电流传感器隔离被测系统,比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高,安全性能好,抗干扰能力强。

本文选用Honywell公司的基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器CSNK591,测量范围±1200A,线性精度达到0.1%,总体精度达到0.5%,响应速度小于1!s,完全满足了系统的要求。

采集信号经精密电阻转变为电压信号,再由仪用放大器放大为±5V双极性电压信号。

系统选用AD620BR仪用放大芯片,该芯片在增益较低时具有较大的共模抑制比(G=10时,共模抑制比最小为100dB),能较强地抑制由于温度、电磁噪声等因素引起的共模干扰。

放大信号通过OP27GS芯片
抬升至0～10V单极性信号,经过射极跟随器送至变送器XTR110KU,转为4mA～
20mA的电流信号送到中央处理模块。

2.3.2中央处理模块实现
中央处理模块是测试系统的核心部分,包括MCU和AD单元、模拟信号二次调
理单元、故障输出单元和CAN接口单元等。

采集模块输入的4mA～20mA电流信号
首先经过模拟信号二次调理单元,进行信号的变送、隔离、滤波和放大。

模拟信
号的隔离方式很多,常用的方法为隔离放大器、线性光耦以及电压频率转化,其中
隔离放大器和线性光耦隔离电压高,抗干扰能力强,线性度高,但线性光耦隔离线
路复杂,需要调整的参数较多,并且当输入电压比较小时,线性度较差。

故本文选
用BB公司高精度ISO124U隔离运算放大器完成输入模拟信号的隔离,隔离后的信
号经5阶Butterworth低通滤波MAX280电路过滤高频干扰,随后通过一射极跟随
器送出。

3系统设计
3.1恒流电子负载
电子负载的主控芯片采用ＳＴＣ公司生产的ＳＴＣ８Ａ４Ｋ６４Ｓ２Ａ１２
微处理器。

其为完全集成的混合系统级的ＭＣＵ芯片，ＭＣＵ内部集成高精度Ｒ
Ｃ时钟，可彻底省掉外部晶振和外部复位电路，内置超高速ＡＤＣ和多个１６位
定时器等外设，完全适用于本系统设计的电子负载，采用ＲＥＦ０２Ｃ专用参考
电压芯片得到５Ｖ标准参考电压。

3.2高精度采样模块
为对电压信号进行精确转换，选用Ｔｉ公司生产的２４位高精度ＡＤＣ芯片
ＡＤＳ１２５６。

ＡＤＳ１２５６通过高速ＳＰＩ接口和主控芯片进行连接和通信，时钟信号管脚外接一个７．６８ＭＨｚ的晶振，模拟电源供电管脚使用５Ｖ
电源进行供电，数字电源管脚使用３．３Ｖ电源进行供电。

ＡＤＣ的参考电压信
号使用标准参考电压芯片ＡＤＲ４３１提供２．５Ｖ标准电压，使得ＡＤＣ的电
压分辨率低至０．１５μＶ。

在参考电压两端并联多组陶瓷电容，保证电源纯净，
对电压电流信号进行高精度采样。

在模拟电压信号的输入端加入ＲＣ低通滤波电路，滤除高频噪声。

3.3ＵＳＢ存储模块设计
ＵＳＢ存储模块选用某公司生产的ＣＨ３７６ＵＳＢ接口芯片，主控芯片与ＣＨ３７６采用的是硬件ＳＰＩ串行连接方式。

ＣＨ３７６芯片通过ＳＤＯ、ＳＤＩ、ＳＣＫ、ＳＣＳ直接连接到主控芯片对应的管脚。

ＵＤ＋和ＵＤ－接线端口为ＵＳＢ数据端口，连接至外部ＵＳＢ底座。

ＲＳＴ１管脚连接至主控芯片ＧＰＩＯ口。

Ｒ２９用于限制作为ＵＳＢ主机提供给外部ＵＳＢ设备的电流。

电容ＣＴ１６和Ｃ４０用于ＣＨ３７６电源退耦，其中ＣＴ１６为容量１０μＦ的钽电容，滤波性能良好，可有效减少噪声。

Ｃ４０为容量４７００ｐＦ～０．０２μＦ的独石或高频瓷片电容。

电容Ｃ２２和ＣＴ９用于外部电源退耦。

结语
电容测试一直以来都是阻抗测试的重点与难点，传统的电容测量方法已经不能满足现代电子行业测试精度与自动测试的需求。

本文提出的电容测试系统采用结合自动平衡电桥阻抗测量技术与信号鉴相技术，通过对鉴相输入信号的采集与判断，对信号进行调理，使测试系统具有良好的工作特性。

本文设计的电容测试系统结构简单，能够对电容值进行自动测试，具有较理想的测试精度。

参考文献
[1]吴正毅.测试技术与测试信号处理[M].北京：清华大学出版社，1991：141-146.
[2]张贤达.现代信号处理[M].北京：清华大学出版社，1995：92-99.
[3]孔庆刚，王建波，杨益平．存量风机变桨系统后备电源优化［J］．电气传动自动化，2017，39（1）：22－26．
[4]刘祎．超级电容储能装置作为兆瓦级风力机变桨系备用电源的研究［D］．北京：华北电力大学，2011．。