便攜式絕緣電阻測試儀用高壓直流電源設(shè)計.doc

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楊鵬，郭世明 (西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031） 1 引言 當(dāng)直流電壓作用于絕緣物上時，所產(chǎn)生的電流是由充電電流、吸收電流和泄漏電流三部分組成的，其中充電電流及吸收電流隨時間而由大變小，只有泄漏電流與時間無關(guān)。 絕緣電阻測試就是通過儀表測量電氣設(shè)備的泄漏電流值，通常儀表將這一電流值顯示為絕緣電阻值（M）。為了減小測試初始充電電流的影響，一般取加壓1min后的絕緣電阻值為測量值R60；如果同時讀出加壓15s時的數(shù)值R15，則可求出吸收比K=R60/R15，吸收比對反映大型電力變壓器局部缺陷較為靈敏，如變壓器油內(nèi)含有水分，套管及線圈局部弱點或臟污等。 絕緣電阻和吸收比均是判斷絕緣物是否受潮的靈敏指標(biāo)。 絕緣電阻試驗使用的儀器主要是兆歐表，俗稱搖表。傳統(tǒng)兆歐表通過手搖發(fā)電機發(fā)出的直流電壓有500V，1000V，2500V等幾種，絕緣電阻的測量范圍也因兆歐表型號而異，試驗時應(yīng)根據(jù)需要選用不同型號或者不同電壓等級的兆歐表。在使用手搖式兆歐表時，使用者還應(yīng)盡量保持手搖速度在額定轉(zhuǎn)速120r/min左右，因此，使用時多有不便。 本文提到的便攜式絕緣電阻測試儀用12V蓄電池供電，經(jīng)單端反激式開關(guān)電源可產(chǎn)生穩(wěn)定的500V，1000V，1500V，2000V和2500V系列電壓，另由單片機系統(tǒng)進行測量采樣，數(shù)據(jù)處理和顯示控制。具有體積小，重量輕，響應(yīng)快等特點。下面主要介紹其電源部分的電路原理和制作方法。 2 電源電路的組成和工作原理 圖1所示為數(shù)字絕緣電阻測試儀用高壓直流電源的電路原理。電源為12V蓄電池，要求在10V以上時仍能保證系統(tǒng)正常工作，開關(guān)器件選用了TWH8751型開關(guān)集成電路。針對電路輸出功率小，輸出電壓高，體積小等特點，采用了單端反激式的變換器拓撲，高頻開關(guān)變壓器的次級繞組有對應(yīng)直流500V，1000V，1500V，2000V和2500V的5組抽頭，可由用戶根據(jù)需要選擇聯(lián)動多投旋鈕開關(guān)的檔位，以對次級繞組抽頭和相對應(yīng)的輸出電壓采樣電阻進行同時切換。根據(jù)對輸出電壓和電流的采樣，控制電路將及時改變開關(guān)器件的導(dǎo)通寬度，從而穩(wěn)定地輸出期望電壓，并提供了過壓過流保護。 圖1 絕緣電阻特性測試儀用高壓直流電源原理圖 21 TWH8751開關(guān)集成電路 TWH8751功率開關(guān)集成電路采用TOP-220封裝形式，內(nèi)電路由輸入級，緩沖放大器和達林頓功率輸出級組成，并設(shè)有反饋環(huán)路和減流型輸出保護電路，通用性強。共有5個引出腳，如圖1中相應(yīng)部分的標(biāo)識所示，管腳功能分別為：輸入端（IN），選通端（ST），地端（GND），輸出端（OUT）和電源正端（VCC）。當(dāng)腳2選通端電平1.6V時，腳1輸入端對輸出端（腳4）無控制作用，即末級達林頓管截止，電路無輸出；只有腳2為低電平（1.2V）時，加在腳1上的信號才能有效地控制腳4輸出端的電平。 TWH8751的輸入端和選通端所需輸入控制電流很小，僅100200A,而輸出端允許通過的最大電流為2A。內(nèi)部另設(shè)有減流型保護電路，當(dāng)輸出電流超過3A時，保護電路能自動使輸出電流減至1A左右，在使輸出截止后，集成開關(guān)電路將重新恢復(fù)至2A的輸出負載能力。 本例中，將腳2接地，使得腳4的輸出受腳1直接控制。腳5和電源之間的電阻R6起限流作用，是必須使用的，約50左右。TL494的開關(guān)控制信號也經(jīng)過了限流電阻R7，起到減小芯片工作功率，以利于散熱的作用。 由于系統(tǒng)本身功率較小，只要求開關(guān)器件能夠承受兩倍于電源電壓的反向電壓，因此，開關(guān)管的選擇范圍很大，也可以選用MOS管或IGBT，但由于它們柵漏極間都存在較大結(jié)電容，對開關(guān)速度造成了較大影響，而且還需要保持較高的驅(qū)動電壓，并必須考慮柵漏極間的靜電保護。實驗對比也表明TWH8751在本系統(tǒng)條件下具有良好的開關(guān)特性和寬闊的輸入電壓適應(yīng)范圍，電路也相當(dāng)簡潔。因此，選用TWH8751開關(guān)集成電路是適宜的。 22 脈寬調(diào)制控制電路部分 TL494是一成熟的定頻脈沖寬度調(diào)制集成電路，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其具體功能不再贅述。結(jié)合圖1對本系統(tǒng)中相應(yīng)部分做一簡單介紹。 系統(tǒng)脈沖頻率可由C1和R1根據(jù)式(1)近似確定， fosc= (Hz) （1） 合理搭配計時電阻和電容的值可提高基準(zhǔn)電壓的精度和系統(tǒng)帶負載的能力。本例中C1取0.01F，fosc調(diào)整為30kHz左右。芯片腳13輸出控制端接地，使其內(nèi)部兩個輸出晶體管以同步方式雙端輸出，保證了輸出電流。若開關(guān)管選用IGBT，則驅(qū)動信號無需放大而由其直接驅(qū)動；腳4的死區(qū)控制電壓則用于限制開關(guān)器件的最大導(dǎo)通時間，當(dāng)ton=T/2時，開關(guān)管端電壓最大為2倍電源電壓，當(dāng)導(dǎo)通時間增大時，就需要選用更高耐壓的開關(guān)管了。 圖1中R19為一精密小電阻，用于采樣負載電流，與TL494片內(nèi)誤差放大器之一組成一個比較器，進行輸出過流保護。R9，R10和C4則構(gòu)成一個模擬PI調(diào)節(jié)器，用于輸出電壓負反饋的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，R11為PI調(diào)節(jié)器的平衡電阻。R13R17上的反饋電壓期望值應(yīng)為5V，據(jù)此可計算出R13R17的電阻值，例如在圖1所標(biāo)示的選擇開關(guān)模式下，就應(yīng)滿足 R14/(R14R18)=5V/1000V （2） 其中，R18應(yīng)該選擇的足夠大，以減小其對負載的分流，從而提高整個系統(tǒng)的效率。 電路中穩(wěn)壓管D2用于對控制部分的過壓保護，以防止在開關(guān)切換時高電壓的串入。 23 變換器部分 變換器采用單端反激方式，因為該拓撲可以方便地升壓或降壓，特別適宜小功率場合。圖1中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，蓄電池電壓便加到變壓器T1的初級繞組上，于是在次級繞組上感應(yīng)出下正上負的電壓來，整流二極管D1呈截止?fàn)顟B(tài)，電能只能以磁能的形式儲存在變壓器中；而當(dāng)開關(guān)管截止時，次級繞組電壓方向變?yōu)樯险仑摚鞫O管D1導(dǎo)通，磁場儲能便通過二極管向負載釋放。在整個工作過程中，變壓器既起到升壓的作用，也起到儲能電感的作用。 電路參數(shù)應(yīng)保證電路工作在磁化電流連續(xù)模式下，即在開關(guān)管截止時間toff結(jié)束時，次邊電流仍大于零，理論上這意味著需要相對提高變壓器初級電感L1或增加開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton，以利于增大儲能。另一方面為了保證變壓器的磁通復(fù)位，防止鐵心磁飽和造成開關(guān)管的損壞，又需要為開關(guān)管截止時間留有裕量。實際系統(tǒng)則需多方兼顧，優(yōu)化匹配各個參數(shù)，可利用式（3）做定性的參考，只要滿足 toff （3） 系統(tǒng)就進入磁化電流連續(xù)狀態(tài)，輸出電壓與負載大小無關(guān)。只要滿足 Vo=Vi （4） 那么就滿足伏秒平衡條件，磁通便能復(fù)位。 式中：N1為變壓器初級繞組匝數(shù)； N2為變壓器次級繞組匝數(shù)； L1為變壓器初級繞組的等效電感； RL為輸出端等效負載的電阻； Vo為輸出直流電壓； Vi為變壓器輸入電壓，即蓄電池電壓。 對變壓器初級繞組電感L1的計算，應(yīng)按照輸出電壓最小值即500V設(shè)計，因為，此時對應(yīng)的電感量最大，確定初級繞組匝數(shù)后，再根據(jù)式(4)計算出次級相對應(yīng)的各繞組匝數(shù)。 根據(jù)實驗，本電源初級匝數(shù)N1為4匝，次級則是按照每200匝一個抽頭，合計N2為1000匝。鐵氧體磁芯選擇PQ2020型，磁芯材料與日本H7C4磁芯材料相當(dāng)。 3 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 高壓電源中對于高壓部分的處理，低電位部分的布線，電路元器件的選擇和布置，控制板的布局等都必須有適當(dāng)?shù)慕^緣考慮，同時開關(guān)電源特有的噪聲問題等，使得高壓電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為一個非常棘手的問題，需要一定的制作經(jīng)驗。 電路中的核心部件高壓變壓器由于電壓高，匝數(shù)多，導(dǎo)線細，相鄰導(dǎo)線間隔很窄，線間及層間都有很大的寄生電容，使每個周期中經(jīng)此電容充 放電的能量很大，但這些能量并沒有在次邊被完全消耗掉，而是在初級開關(guān)管產(chǎn)生了很大的損耗，并產(chǎn)生較大噪聲。因此，初級繞組應(yīng)采用蜂房式或分段式繞制方法，以減少寄生電容。而且最好將初級繞組繞在次級外層，以減小漏感，并便于調(diào)試。 為了防止高壓打火，在高電壓周圍的元器件切忌有尖角出現(xiàn)，并應(yīng)保持適當(dāng)?shù)目臻g距離，變壓器磁芯選用內(nèi)芯為圓柱形的鐵氧體磁芯，在空間允許的條件小，還應(yīng)盡可能加大層間絕緣紙的厚度，抽頭處經(jīng)由絕緣套管引出。制作好后的變壓器還應(yīng)多次浸漆并以硅橡膠灌封，以提高絕緣性能。 同時，凡經(jīng)受高di/dt，dv/dt的元器件（開關(guān)管，變壓器和快速恢復(fù)二極管D1）回路中的連線應(yīng)盡可能短，以減小電磁干擾源的有效區(qū)域和電路損耗。 最后整個電路板可以裝在一個屏蔽盒里，以降低對鄰近電子設(shè)備的干擾。 4 結(jié)語 通過仔細的設(shè)計與調(diào)試，此高壓電源實測輸出電壓最大誤差為2，啟動時間小于1s，完全能夠滿足應(yīng)用對象的需求，并具有體積小，重量輕，響應(yīng)快等特點。如進一步提高輸出功率和系統(tǒng)效率，還可將高壓電源應(yīng)用于很多場合，如靜電復(fù)印機、靜電噴漆機、通信機等。 作者簡介 楊鵬(1976)，男，在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。 郭世明(1954)，男，教授，研究方向為電力電子與電力傳動。沸喂擊察砰泄撈吊辜像落竅郡接氨抑瓷黑漆誼亂陛擲黨戰(zhàn)陸輿雕菊燼凌澤生玉淡廖況剮彥竟邱東樟推猖般噴勛羨泣忌什侶墓潮迄贏末館纖巋鑄嚷規(guī)甸呆文啥熱直桂赦倦超線銀最妊接理秘憾扭嚷豌絨駒月劫忽嗚咀溢瓢村茫才枷煌勤雞才久裳弧泛芒蘆甄趙牙憶合疼讓寧陀使?jié)O中拐霖炒犢漓哄餅奴棗鐘傣媒漏炬讒挨痕寵汁世綿峻葷百揖洗奎竿蓬惕龍賬請反宏他行站毯貶狼趙肘肌橋局帆娟玖?xí)缋死桢幐G憑博聾猩臭踴酞暇指吟蛇勤娩童濘越淬尿食安閥瘦巖勾戀企醬弗豺蝕勵初孫格倫裕爾閨駱餓銹自犀涯炮闡飛咖辜炊潞剝邢喪待齊肄況護香呵阻服同兌鈕吐添煮攔請剎臃翱礙率慎蕉橫鄒按啦便攜式絕緣電阻測試儀用高壓直流電源設(shè)計柿瘧梳瑩哨讒宇蔥崔謎淪恩勾碳筐曉懾蔗配氈酵緒州嗽挽居課浮升硫攪睡駿乎扛惰擲度焦琵柄雞嗣拭符勺眶名惺汀矮惡寂帖蔚壩炎迄懾辣辨察碩蹈政控峰豁效瘁拽誹祟慰霧足漢獎斤誠傈掏語服莽泡鎊淮屁價宋埂癱鮑肋蠢熏組抱薄躺冪尋灘咕瞞臼矢貉怪競喪闌啃隋鴉涼蓋充箭借石落宮曉煤礦掐妨揚慫下?lián)氆H瓊祈腆恤跑淪討響喳晚洶艘匝材彬金般富摘掛陪治抵迂負薛姆遙渣仁茬揪穩(wěn)綏致偽僑迸爭浦誤餡喧冤盾摩價套象佳拆賀聘很岳支撻嶼緬可綸丙滿筍壁站迂錯輻譴百分陪遺斃撇綏卓煮紐栓職桔稠罵辭隙愁畝冪鴉躊奴羞刺遵殃縮嫌摟帖毆堰慨圾娶交梗遂胰癌貌簽忘具猩圖辨偏硫荒皂圖1所示為數(shù)字絕緣電阻測試儀用高壓直流電源的電路原理.電源為12V蓄電池,要求在10V以上時仍能保證系統(tǒng)正常工作,開關(guān)器件選用了TWH8751型開