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便攜式絕緣電阻測試儀的設計

瀏覽次數:2660發(fā)布日期:2009-07-28

    當直流電壓作用于絕緣物上時,所產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。  
    絕緣電阻測試就是通過儀表測量電氣設備的泄漏電流值,通常儀表將這一電流值顯示為絕緣電阻值(MΩ)。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。 
    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,試驗時應根據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,使用者還應盡量保持手搖速度在額定轉速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,經單端反激式開關電源可產生穩(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,數據處理和顯示控制。具有體積小,重量輕,響應快等特點。下面主要介紹其電源部分的制作方法。 
 
1、TWH8751開關集成電路  
    TWH8751功率開關集成電路采用TOP-220封裝形式,內電路由輸入級,緩沖放大器和達林頓功率輸出級組成,并設有反饋環(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中相應部分的標識所示,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100~200μA,而輸出端允許通過的zui大電流為2A。內部另設有減流型保護電路,當輸出電流超過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,集成開關電路將重新恢復至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50Ω左右。TL494的開關控制信號也經過了限流電阻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,只要求開關器件能夠承受兩倍于電源電壓的反向電壓,因此,開關管的選擇范圍很大,也可以選用MOS管或IGBT,但由于它們柵漏極間都存在較大結電容,對開關速度造成了較大影響,而且還需要保持較高的驅動電壓,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特性和寬闊的輸入電壓適應范圍,電路也相當簡潔。因此,選用TWH8751開關集成電路是適宜的。 

2、脈寬調制控制電路部分  
    TL494是一成熟的定頻脈沖寬度調制集成電路,芯片內部結構及其具體功能不再贅述。結合圖1對本系統(tǒng)中相應部分做一簡單介紹。 
    系統(tǒng)脈沖頻率可由C1和R1根據式(1)近似確定, 
    合理搭配計時電阻和電容的值可提高基準電壓的精度和系統(tǒng)帶負載的能力。本例中C1取0.01μF,fosc調整為30kHz左右。芯片腳13輸出控制端接地,使其內部兩個輸出晶體管以同步方式雙端輸出,保證了輸出電流。若開關管選用IGBT,則驅動信號無需放大而由其直接驅動;腳4的死區(qū)控制電壓則用于限制開關器件的zui大導通時間,當ton=T/2時,開關管端電壓zui大為2倍電源電壓,當導通時間增大時,就需要選用更高耐壓的開關管了。 
    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則構成一個模擬PI調節(jié)器,用于輸出電壓負反饋的穩(wěn)定調節(jié),R11為PI調節(jié)器的平衡電阻。R13~R17上的反饋電壓期望值應為5V,據此可計算出R13~R17的電阻值,例如在圖1所標示的選擇開關模式下,就應滿足 
    R14/(R14+R18)=5V/1000V    (2) 
其中,R18應該選擇的足夠大,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,以防止在開關切換時高電壓的串入。 

3、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,當開關管導通時,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出下正上負的電壓來,整流二極管D1呈截止狀態(tài),電能只能以磁能的形式儲存在變壓器中;而當開關管截止時,次級繞組電壓方向變?yōu)樯险仑?,整流二極管D1導通,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。 
    電路參數應保證電路工作在磁化電流連續(xù)模式下,即在開關管截止時間toff結束時,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或增加開關管的導通時間ton,以利于增大儲能。另一方面為了保證變壓器的磁通復位,防止鐵心磁飽和造成開關管的損壞,又需要為開關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,可利用式(3)做定性的參考,只要滿足 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。只要滿足那么就滿足伏秒平衡條件,磁通便能復位。 
式中:N1為變壓器初級繞組匝數; 
      N2為變壓器次級繞組匝數; 
      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,應按照輸出電壓zui小值即500V設計,因為,此時對應的電感量zui大,確定初級繞組匝數后,再根據式(4)計算出次級相對應的各繞組匝數。 
    根據實驗,本電源初級匝數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。 

 

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