1.本实用新型属于电容测试技术领域，具体是涉及到一种基于电容测试辅助设备的快速充放电装置。
背景技术：2.轨道交通牵引变流器用的电力电容在检修和筛选时，一般会测量电容极间绝缘参数，如极间绝缘电阻、极间漏电流等参数，但在使用电容极间绝缘测试仪进行测试过程中，由于电容测试辅助设备的充放电电流受到限制，导致电力电容的整个测试过程时间长，接近1小时。为了解决电力电容在测试极间绝缘参数时充放电时间长、测试效率低的问题，本实用新型提出一种基于电容测试辅助设备的快速充放电装置。
技术实现要素：3.本实用新型提供一种基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，以解决轨道交通牵引变流器用的电力电容在测试极间参数时间长、测试效率低的问题。
4.基于上述目的，本实用新型提供一种基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，包括：操作面板、光耦隔离模块、单片机、中间继电器模块、主控电路、被测电容和a/d转换器；所述主控电路包含充电回路、极间测试回路、放电回路和电压检测回路；
5.所述操作面板通过所述光耦隔离模块与所述单片机连接；所述单片机通过所述中间继电器模块与所述充电回路、所述极间测试回路和所述放电回路连接；所述充电回路、所述极间测试回路和所述放电回路均与所述被测电容连接；所述被测电容通过所述电压检测回路和所述a/d转换器与所述单片机连接；
6.所述单片机用于处理由所述操作面板输入并经所述光耦隔离模块传递的按键指令信号，处理所述被测电容两端并经所述电压检测回路、所述a/d转换器传递的电压信号，以及通过所述中间继电器模块控制所述充电回路、所述极间测试回路和所述放电回路。
7.优选地，还包括电源模块，所述电源模块包含高压电源、与所述高压电源连接的电压转换器；所述高压电源用于为所述主控电路供电；所述电压转换器用于生成所述单片机的工作电压，以及生成所述主控电路所需的控制电压。
8.优选地，所述主控电路中的所述充电回路、所述极间测试回路、所述放电回路和所述电压检测回路均设置有高压继电器，所述主控电路中的各回路通过所述高压继电器进行切换；
9.所述极间测试回路还设置有极间绝缘测试仪，所述极间测试回路通过所述极间绝缘测试仪对所述被测电容进行测试，获得所述被测电容的电压信号和极间绝缘参数；
10.所述电压检测回路还设置有隔离变送器，所述电压检测回路通过所述隔离变送器将所述被测电容两端的电压信号转换为电流信号，并输入至所述a/d转换器。
11.优选地，所述极间绝缘测试仪与所述单片机通过rs232总线连接。
12.优选地，所述操作面板包括按键指令输入模块，所述按键指令输入模块包含6路按
键开关，分别为自动按键开关、手动按键开关、充电按键开关、测试按键开关、放电按键开关、复位按键开关。
13.优选地，所述操作面板还包括紧急开关和电源开关。
14.优选地，所述光耦隔离模块包括6路按键输入隔离电路；
15.单路按键输入隔离电路包含光电隔离器、第一电阻、第二电阻和滤波电容；所述光电隔离器的第一输入端通过所述第一电阻与第一电压连接，所述光电隔离器的第二输入端连接一路按键开关，并通过所述滤波电容接地，所述光电隔离器的第一输出端通过所述第二电阻与第二电压连接，所述光电隔离器的第二输出端接地。
16.优选地，所述充电回路由高压电源、限流电阻、第一高压继电器、所述被测电容组成；其中，所述高压电源的正极依次通过所述限流电阻和所述第一高压继电器与所述被测电容的正极连接，所述被测电容的负极与所述高压电源的负极连接；
17.所述电容极间测试回路由极间绝缘测试仪、第二高压继电器、第四高压继电器、所述被测电容组成；其中，所述第四高压继电器为常开触点；所述极间绝缘测试仪的正极依次通过所述第二高压继电器、所述第四高压继电器与所述被测电容的正极连接，所述被测电容的负极与所述极间绝缘测试仪的负极连接；
18.所述放电回路由所述被测电容、第三高压继电器和放电电阻组成；其中，所述被测电容的正极依次通过所述第三高压继电器和所述放电电阻连接所述被测电容的负极；
19.所述电压检测回路包含第一电压表、第二电压表、所述极间绝缘测试仪、隔离变送器、第五高压继电器、第一分压电阻和第二分压电阻；其中，所述第五高压继电器为常闭触点；所述第五高压继电器的一端连接在所述第三高压继电器与所述被测电容之间，另一端依次通过所述第一分压电阻和所述第二分压电阻连接到所述极间绝缘测试仪的负极；所述第一电压表连接在高压电源两端；所述第二电压表的一端连接在所述第五高压继电器和所述第一分压电阻之间，另一端与所述极间绝缘测试仪的负极连接；所述隔离变送器连接在所述第二分压电阻两端。
20.优选地，所述a/d转换器集成在所述单片机的内部。
21.优选地，所述单片机为stm32单片机。
22.由上述可知，本实用新型提供的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置具有以下有效效果：
23.1)通过单片机控制中间继电器模块，进而控制主控电路中充电回路、测试回路、放电回路进行切换，并保证在同一时刻除电压检测回路外，只有某一个回路单独运行，主控电路具有简单可靠、安全性高的特点，且有效提高了测试效率；
24.2)以单片机为控制器，采用模块化编程、控制逻辑简单、运算速度快、经济成本低；
25.3)在控制面板和单片机之间增设光耦隔离模块，解决了单片机在电容充放电瞬间易受干扰的问题，结合电压检测回路设置的隔离变送器，有效提升了整个装置的抗干扰能力。
附图说明
26.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
27.图1为本实用新型一实施提供的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置的结构
示意图；
28.图2为本实用新型一实施提供的单片机控制电路原理图；
29.图3为本实用新型一实施提供的单路按键输入隔离电路原理图；
30.图4为本实用新型一实施提供的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置的主控电路原理图。
具体实施方式
31.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
32.请参考图1，现对本实用新型实施例提供的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置进行说明。该基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，包括：操作面板1、光耦隔离模块2、单片机3、中间继电器模块4、主控电路、被测电容5、a/d转换器(adc)6；主控电路包含充电回路7、极间测试回路8、放电回路9和电压检测回路10；
33.其中，操作面板1通过光耦隔离模块2与单片机3连接；单片机3通过中间继电器模块4与充电回路7、极间测试回路8和放电回路9连接；充电回路7、极间测试回路8和放电回路9均与被测电容5连接；被测电容5依次通过电压检测回路10和a/d转换器6与单片机3连接。
34.在本实施例中，操作面板1用于向单片机3输入按键指令信号，按键指令信号包含自动指令、手动指令、充电指令、测试指令、放电指令、复位指令等。
35.光耦隔离模块2用于对操作面板1的按键指令信号进行隔离，可以解决外围电涌通过单片机3的输入i/o端干扰单片机3的问题。
36.中间继电器模块4为单片机3输出i/o端的扩展，用于增强单片机3的驱动能力，使单片机3可以通过中间继电器模块4控制主控电路中的各回路进行切换。
37.充电回路7用于给被测电容5快速充电。作为优选，被测电容5的额定电压不超过2kv。
38.极间测试回路8用于在被测电容5充电完成后，对被测电容5进行测试，获得被测电容5的电压信号和极间绝缘参数。
39.放电回路9用于给被测电容5快速放电。
40.电压检测回路10用于监测被测电容5两端的电压信号，并将电压信号变送至单片机3。a/d转换器6用于对电压检测回路10的模拟信号转换为单片机3可处理的数字信号。作为优选，a/d转换器6可以集成在单片机3内部。
41.单片机3用于处理由操作面板1输入并经光耦隔离模块2传递的按键指令信号，处理被测电容5两端经电压检测回路10和a/d转换器6传递的电压信号，以及通过中间继电器模块4控制充电回路7、极间测试回路8和放电回路9。作为优选，单片机3为stm32单片机。
42.可理解的，本实施例的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，单片机3接收到由操作面板1发出并经光耦隔离模块2传递的自动指令信号时，控制整个装置进入自动模式，并通过a/d转换器6接收电压检测回路10检测的电压信号，根据电压信号控制中间继电器模块4，进而控制主控电路中的各回路进行切换，自动实现主控电路中充电、测试、放电等功能，而在单片机3接收到由操作面板1发出并经光耦隔离模块2传递的手动指令信号时，控制整个装置进入手动模式，单片机3根据操作面板1输入的按键指令信号驱动中间继电器模
块4，进而控制主控电路中的各回路进行切换，手动实现主控电路中充电、测试、放电、复位等功能。
43.由上述可知，本实施例的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置具有以下有效效果：
44.1)通过单片机3控制中间继电器模块4，进而控制主控电路中充电回路7、极间测试回路8、放电回路9进行切换，并保证在同一时刻除电压检测回路10外，只有某一个回路单独运行，主控电路具有简单可靠、安全性高的特点，且有效提高了测试效率；
45.2)以单片机3为控制器，采用模块化编程、控制逻辑简单、运算速度快、经济成本低；
46.3)在控制面板1和单片机3之间增设光耦隔离模块2，解决了单片机3在电容充放电瞬间易受干扰的问题，结合电压检测回路10设置的隔离变送器，有效提升了整个装置的抗干扰能力。
47.进一步地，该基于电容测试辅助设备的快速充放电装置还包括电源模块，电源模块包含高压电源、与高压电源连接的电压转换器；高压电源用于为主控电路供电；电压转换器用于生成单片机3的工作电压，以及生成主控电路所需的控制电压。
48.作为优选，电源模块还可以包含电源开关，该电源开关设置在高压电源和电压转换器之间，用于断开或接通高压电源。可理解的，本实施例的电源模块可以为极间绝缘测试仪、主控电路中的各回路供电，还可以为单片机3提供稳定的工作电压，以及为各回路的高压继电器提供控制电压。可选的，高压电源为ac220v。
49.进一步地，主控电路中各回路(包含充电回路7、极间测试回路8、放电回路9和电压检测回路10均设置有高压继电器，主控电路中的各回路通过高压继电器进行切换。
50.此外，极间测试回路8还设置有极间绝缘测试仪，极间测试回路8通过极间绝缘测试仪对被测电容5进行测试，获得被测电容5的电压信号和极间绝缘参数。优选地，极间绝缘测试仪与单片机3通过rs232总线连接，且极间绝缘测试仪采用高阻计sm7120。
51.电压检测回路10还设置有隔离变送器，电压检测回路10通过隔离变送器将被测电容5两端的电压信号转换为电流信号，并输入a/d转换器6。
52.参考图2的单片机控制电路原理图，本实施例的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，在通过操作面板1控制整个装置进入到自动模式时，被测电容5两端的电压信号经隔离变送器变送，并经a/d转换器6采集至单片机3，单片机3根据a/d转换器6采集的数字信号，控制中间继电器模块4，进而控制主控电路中各回路的高压继电器，自动实现主控电路中充电、测试、放电等功能；此外，在通过操作面板1控制整个装置切换到手动模式时，操作面板1输入按键指令，并经光耦隔离模块2传送至单片机3，单片机3根据按键指令驱动中间继电器模块4，进而控制主控电路中各回路的高压继电器，手动实现主控电路中充电、测试、放电、复位等功能。对于被测电容5的全周期，测试开始前对被测电容5进行充电，直至达到极间绝缘测试仪设定的电压值，利用单片机3控制极间绝缘测试仪对被测电容5进行测试，测试完成后再对被测电容5进行放电。
53.可理解的，本实施例中单片机3通过驱动中间继电器模块4，间接实现控制各回路中高压继电器的目的；同时，在对主控电路中的电压信号进行检测时，通过增加隔离变送器，可以隔离主控电路中电容充放电启动瞬间所产生高压的干扰。
54.进一步地，操作面板1包括按键指令输入模块，该按键指令输入模块包含6路按键开关，分别为自动按键开关、手动按键开关、充电按键开关、测试按键开关、放电按键开关、复位按键开关。
55.在本实施例中，根据按键开关功能可以将按键指令输入模块中的6路按键开关分为两类，一类是模式切换按键开关，另一类是操作按键开关。其中，模式切换按键开关包含自动和手动按键开关，操作按键开关包含充电、测试、放电和复位按键开关。本实施例通过按键指令输入模块中的模式切换按键开关实现整个装置手动模式和自动模式之间的切换，并通过操作按键开关实现手动模式下电容充电、测试和放电之间的切换。
56.进一步地，操作面板1还包括紧急开关和电源开关；紧急开关用于在装置故障时进行急停；电源开关用于断开或接通电源。
57.进一步地，光耦隔离模块2包括6路按键输入隔离电路，也即，按键指令输入模块中的按键开关和光耦隔离模块2中的按键输入隔离电路数量相同，请参考图3，单路按键输入隔离电路包含光电隔离器q1、第一电阻r5、第二电阻r6和滤波电容c2；光电隔离器q1的第一输入端通过第一电阻r5与第一电压vc连接，光电隔离器q1的第二输入端连接一路按键开关，并通过滤波电容c2接地，光电隔离器q1的第一输出端通过第二电阻r6连接第二电压vd，并与单片机3的输入i/o端连接，光电隔离器q1的第二输出端接地。
58.在本实施例中，光电隔离器q1的第一输入端为发光器(发光二极管)的阳极，第二输入端为发光器的阴极，第一输出端为受光器(光敏半导体管)的阳极，第二输出端为受光器的阴极。第一电压vc为24v，第二电压vd为3.3v。滤波电容c2用于吸收输入端的按键开关所产生的交流干扰。
59.对于按键输入隔离电路，其输入端的第一电压vc采用24v电压，第一电阻r5为限流电路，并根据光电隔离器q1的导通电流范围进行设置，且输入端可以有效滤除充放电瞬间产生的尖峰电压干扰。当输入端的按键开关按下时，光电隔离器q1导通，输出端由高电平变为低电平，相应地，单片机3检测到与输出端连接的输入i/o端由高电平变为低电平，则判断按键开关按下，并获取与按键开关对应的按键指令。本实施例的光耦隔离模块2有效解决了单片机3在电容充放电瞬间易受干扰的问题。
60.进一步地，请参考图4，主控电路中的充电回路7由高压电源、限流电阻r1、第一高压继电器k1、被测电容c组成；其中，高压电源的正极依次通过限流电阻r1和第一高压继电器k1与被测电容c的正极连接，被测电容c的负极与高压电源的负极连接。
61.极间测试回路8由极间绝缘测试仪、第二高压继电器k2、第四高压继电器k4、被测电容c组成；其中，极间绝缘测试仪与单片机3通讯连接，且极间绝缘测试仪的正极依次通过第二高压继电器k2、第四高压继电器k4与被测电容c的正极连接，被测电容c的负极与极间绝缘测试仪的负极连接；第四高压继电器k4为常开触点。
62.放电回路9由被测电容c、第三高压继电器k3和放电电阻r2组成；其中，被测电容c的正极依次通过第三高压继电器k3和放电电阻r2连接被测电容c的负极。
63.电压检测回路10包含电压表v1、电压表v2、极间绝缘测试仪、隔离变送器t、第五高压继电器k5、第一分压电阻r3和第二分压电阻r4；其中，第五高压继电器k5为常闭触点，第五高压继电器k5的一端连接在第三高压继电器k3与被测电容c之间，另一端依次通过第一分压电阻r3和第二分压电阻r4连接到极间绝缘测试仪的负极；电压表v1连接在高压电源两
端；电压表v2的一端连接在第五高压继电器k5和第一分压电阻r3之间，另一端与极间绝缘测试仪的负极连接；隔离变送器t连接在第二分压电阻r4两端。
64.在本实施例中，对于充电回路7，在主控电路中的第二高压继电器k2和第三高压继电器k3断开，仅闭合第一高压继电器k1时，开始对被测电容c进行快速充电。假设高压电源的额定输出电流为50ma，并以恒定大小的电流对被测电容c进行充电，那么充电时间为t1＝cu/i。可选地，被测电容c的最大充电电压为2kv，被测电容值为4300uf，充电回路7的充电时最多172秒。其中，充电回路7中的限流电阻r1只需额定功率满足要求即可。
65.对于测试回路52，在主控电路中的第一高压继电器k1和第三高压继电器k3断开，仅闭合第二高压继电器k2时，对被测电容c充电直至达到极间绝缘测试仪设定的电压值，再闭合常开触点k3，断开常闭触点k4，此时极间绝缘测试仪开始对被测电容c进行测试。
66.对于放电回路9，在主控电路中的第一高压继电器k1和第二高压继电器k2断开，仅闭合第三高压继电器k3时，被测电容c开始快读放电。根据电容时间常数rc确定放电时间t2≈5r2c，可选地，放电电阻r2为2.2kω，被测电容值为4300uf，放电回路9的放电时间约为47秒。其中，放电回路9中的放电电阻r2还需满足功率需求。
67.对于电压检测回路10，电压表v1用于监测高压电源两端的电压，电压表v2用于监测被测电容c两端的电压，极间绝缘测试仪可以显示电容测试时被测电容c两端的电压值以及电容极间绝缘电阻、极间漏电流等绝缘参数，隔离变送器t用于将第二分压电阻r4两端的电压变送至a/d转换器6，从而单片机3可以检测到被测电容c两端的电压，并根据不同的电压值来做出控制。可选地，第一分压电阻r3和第二分压电阻r4的阻值根据隔离变送器t的输入信号范围进行设置。可理解的，本实施例在主控电路中设置多个高电压监测点，实时显示电容两端电压，可以保证整个电容测试过程的安全性。
68.可理解的，主控电路中的充电回路7、极间测试回路8、放电回路9均由独立的高压继电器来进行切换，且充电回路7、极间测试回路8和放电回路9之间相互独立，逻辑控制时保证充电回路7、极间测试回路8和放电回路9中任意两个回路断开，再闭合剩下的一个回路即可，也即在同一时刻，主控电路中除电压检测回路10之外，充电回路7、极间测试回路8和放电回路9只有一个回路在工作。本实施例的主控电路简单可靠，并且通过在电压检测回路10设置多个监测点，保证了安全性，基于上述条件的电容充电、测试、放电全周期仅需几分钟，相较于独自使用极间绝缘测试仪进行测试，测试时间明显缩短，大大提高了测试效率。
69.以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，包括：操作面板、光耦隔离模块、单片机、中间继电器模块、主控电路、被测电容和a/d转换器；所述主控电路包含充电回路、极间测试回路、放电回路和电压检测回路；所述操作面板通过所述光耦隔离模块与所述单片机连接；所述单片机通过所述中间继电器模块与所述充电回路、所述极间测试回路和所述放电回路连接；所述充电回路、所述极间测试回路和所述放电回路均与所述被测电容连接；所述被测电容通过所述电压检测回路和所述a/d转换器与所述单片机连接；所述单片机用于处理由所述操作面板输入并经所述光耦隔离模块传递的按键指令信号，处理所述被测电容两端并经所述电压检测回路、所述a/d转换器传递的电压信号，以及通过所述中间继电器模块控制所述充电回路、所述极间测试回路和所述放电回路。2.根据权利要求1所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包含高压电源、与所述高压电源连接的电压转换器；所述高压电源用于为所述主控电路供电；所述电压转换器用于生成所述单片机的工作电压，以及生成所述主控电路所需的控制电压。3.根据权利要求2所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述主控电路中的所述充电回路、所述极间测试回路、所述放电回路和所述电压检测回路均设置有高压继电器，所述主控电路中的各回路通过所述高压继电器进行切换；所述极间测试回路还设置有极间绝缘测试仪，所述极间测试回路通过所述极间绝缘测试仪对所述被测电容进行测试，获得所述被测电容的电压信号和极间绝缘参数；所述电压检测回路还设置有隔离变送器，所述电压检测回路通过所述隔离变送器将所述被测电容两端的电压信号转换为电流信号，并输入至所述a/d转换器。4.根据权利要求3所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述极间绝缘测试仪与所述单片机通过rs232总线连接。5.根据权利要求1所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述操作面板包括按键指令输入模块，所述按键指令输入模块包含6路按键开关，分别为自动按键开关、手动按键开关、充电按键开关、测试按键开关、放电按键开关、复位按键开关。6.根据权利要求5所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述操作面板还包括紧急开关和电源开关。7.根据权利要求5所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述光耦隔离模块包括6路按键输入隔离电路；单路按键输入隔离电路包含光电隔离器、第一电阻、第二电阻和滤波电容；所述光电隔离器的第一输入端通过所述第一电阻与第一电压连接，所述光电隔离器的第二输入端连接一路按键开关，并通过所述滤波电容接地，所述光电隔离器的第一输出端通过所述第二电阻与第二电压连接，所述光电隔离器的第二输出端接地。8.根据权利要求1所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述充电回路由高压电源、限流电阻、第一高压继电器、所述被测电容组成；其中，所述高压电源的正极依次通过所述限流电阻和所述第一高压继电器与所述被测电容的正极连接，所述被测电容的负极与所述高压电源的负极连接；所述电容极间测试回路由极间绝缘测试仪、第二高压继电器、第四高压继电器、所述被
测电容组成；其中，所述第四高压继电器为常开触点；所述极间绝缘测试仪的正极依次通过所述第二高压继电器、所述第四高压继电器与所述被测电容的正极连接，所述被测电容的负极与所述极间绝缘测试仪的负极连接；所述放电回路由所述被测电容、第三高压继电器和放电电阻组成；其中，所述被测电容的正极依次通过所述第三高压继电器和所述放电电阻连接所述被测电容的负极；所述电压检测回路包含第一电压表、第二电压表、所述极间绝缘测试仪、隔离变送器、第五高压继电器、第一分压电阻和第二分压电阻；其中，所述第五高压继电器为常闭触点；所述第五高压继电器的一端连接在所述第三高压继电器与所述被测电容之间，另一端依次通过所述第一分压电阻和所述第二分压电阻连接到所述极间绝缘测试仪的负极；所述第一电压表连接在高压电源两端；所述第二电压表的一端连接在所述第五高压继电器和所述第一分压电阻之间，另一端与所述极间绝缘测试仪的负极连接；所述隔离变送器连接在所述第二分压电阻两端。9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述a/d转换器集成在所述单片机的内部。10.根据权利要求9所述的基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，其特征在于，所述单片机为stm32单片机。
技术总结本实用新型公开了一种基于电容测试辅助设备的快速充放电装置，包括操作面板、光耦隔离模块、单片机、中间继电器模块、主控电路、被测电容和A/D转换器；主控电路包含充电回路、极间测试回路、放电回路和电压检测回路；操作面板通过光耦隔离模块与单片机连接；单片机通过中间继电器模块与充电回路、极间测试回路和放电回路连接；充电回路、极间测试回路和放电回路均与被测电容连接；被测电容通过电压检测回路和A/D转换器与单片机连接。该装置抗干扰能力强，且测试效率高，同时装置的主控电路具有简单可靠、安全性高等特点。安全性高等特点。安全性高等特点。
技术研发人员：雷江河 赖伟 刘敏 侯懿 吴顶峰 孙雷 颜朝 胡涵 王福龙
受保护的技术使用者：中车株洲电力机车研究所有限公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2022/7/5
