便攜式絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

    當(dāng)直流電壓作用于絕緣物上時(shí)，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(shí)間而由大變小，只有泄漏電流與時(shí)間無(wú)關(guān)。  
    絕緣電阻測(cè)試就是通過(guò)儀表測(cè)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（MΩ）。為了減小測(cè)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(cè)量值R60；如果同時(shí)讀出加壓15s時(shí)的數(shù)值R15，則可求出吸收比K=R60/R15，吸收比對(duì)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(diǎn)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(yàn)使用的儀器主要是兆歐表，俗稱搖表。傳統(tǒng)兆歐表通過(guò)手搖發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電壓有500V，1000V，2500V等幾種，絕緣電阻的測(cè)量范圍也因兆歐表型號(hào)而異，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選用不同型號(hào)或者不同電壓等級(jí)的兆歐表。在使用手搖式兆歐表時(shí)，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(shí)多有不便。 
    本文提到的便攜式絕緣電阻測(cè)試儀用12V蓄電池供電，經(jīng)單端反激式開(kāi)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(diǎn)。下面主要介紹其電源部分的制作方法。 
 
1、TWH8751開(kāi)關(guān)集成電路  
    TWH8751功率開(kāi)關(guān)集成電路采用TOP-220封裝形式，內(nèi)電路由輸入級(jí)，緩沖放大器和達(dá)林頓功率輸出級(jí)組成，并設(shè)有反饋環(huán)路和減流型輸出保護(hù)電路，通用性強(qiáng)。共有5個(gè)引出腳，如圖1中相應(yīng)部分的標(biāo)識(shí)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(shí)，腳1輸入端對(duì)輸出端（腳4）無(wú)控制作用，即末級(jí)達(dá)林頓管截止，電路無(wú)輸出；只有腳2為低電平（<1.2V）時(shí)，加在腳1上的信號(hào)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(guò)的zui大電流為2A。內(nèi)部另設(shè)有減流型保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流超過(guò)3A時(shí)，保護(hù)電路能自動(dòng)使輸出電流減至1A左右，在使輸出截止后，集成開(kāi)關(guān)電路將重新恢復(fù)至2A的輸出負(fù)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(kāi)關(guān)控制信號(hào)也經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)器件能夠承受兩倍于電源電壓的反向電壓，因此，開(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)速度造成了較大影響，而且還需要保持較高的驅(qū)動(dòng)電壓，并必須考慮柵漏極間的靜電保護(hù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比也表明TWH8751在本系統(tǒng)條件下具有良好的開(kāi)關(guān)特性和寬闊的輸入電壓適應(yīng)范圍，電路也相當(dāng)簡(jiǎn)潔。因此，選用TWH8751開(kāi)關(guān)集成電路是適宜的。 

2、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(duì)本系統(tǒng)中相應(yīng)部分做一簡(jiǎn)單介紹。 
    系統(tǒng)脈沖頻率可由C1和R1根據(jù)式（1）近似確定， 
    合理搭配計(jì)時(shí)電阻和電容的值可提高基準(zhǔn)電壓的精度和系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。本例中C1取0.01μF，fosc調(diào)整為30kHz左右。芯片腳13輸出控制端接地，使其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)輸出晶體管以同步方式雙端輸出，保證了輸出電流。若開(kāi)關(guān)管選用IGBT，則驅(qū)動(dòng)信號(hào)無(wú)需放大而由其直接驅(qū)動(dòng)；腳4的死區(qū)控制電壓則用于限制開(kāi)關(guān)器件的zui大導(dǎo)通時(shí)間，當(dāng)ton=T/2時(shí)，開(kāi)關(guān)管端電壓zui大為2倍電源電壓，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間增大時(shí)，就需要選用更高耐壓的開(kāi)關(guān)管了。 
    圖1中R19為一精密小電阻，用于采樣負(fù)載電流，與TL494片內(nèi)誤差放大器之一組成一個(gè)比較器，進(jìn)行輸出過(guò)流保護(hù)。R9，R10和C4則構(gòu)成一個(gè)模擬PI調(diào)節(jié)器，用于輸出電壓負(fù)反饋的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，R11為PI調(diào)節(jié)器的平衡電阻。R13～R17上的反饋電壓期望值應(yīng)為5V，據(jù)此可計(jì)算出R13～R17的電阻值，例如在圖1所標(biāo)示的選擇開(kāi)關(guān)模式下，就應(yīng)滿足 
    R14/（R14＋R18）=5V/1000V    （2） 
其中，R18應(yīng)該選擇的足夠大，以減小其對(duì)負(fù)載的分流，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。 
    電路中穩(wěn)壓管D2用于對(duì)控制部分的過(guò)壓保護(hù)，以防止在開(kāi)關(guān)切換時(shí)高電壓的串入。 

3、變換器部分  
    變換器采用單端反激方式，因?yàn)樵撏負(fù)淇梢苑奖愕厣龎夯蚪祲海貏e適宜小功率場(chǎng)合。圖1中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，蓄電池電壓便加到變壓器T1的初級(jí)繞組上，于是在次級(jí)繞組上感應(yīng)出下正上負(fù)的電壓來(lái)，整流二極管D1呈截止?fàn)顟B(tài)，電能只能以磁能的形式儲(chǔ)存在變壓器中；而當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，次級(jí)繞組電壓方向變?yōu)樯险仑?fù)，整流二極管D1導(dǎo)通，磁場(chǎng)儲(chǔ)能便通過(guò)二極管向負(fù)載釋放。在整個(gè)工作過(guò)程中，變壓器既起到升壓的作用，也起到儲(chǔ)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(kāi)關(guān)管截止時(shí)間toff結(jié)束時(shí)，次邊電流仍大于零，理論上這意味著需要相對(duì)提高變壓器初級(jí)電感L1或增加開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton，以利于增大儲(chǔ)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(kāi)關(guān)管的損壞，又需要為開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間留有裕量。實(shí)際系統(tǒng)則需多方兼顧，優(yōu)化匹配各個(gè)參數(shù)，可利用式（3）做定性的參考，只要滿足 系統(tǒng)就進(jìn)入磁化電流連續(xù)狀態(tài)，輸出電壓與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。只要滿足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(jí)繞組匝數(shù)； 
      N2為變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)； 
      L1為變壓器初級(jí)繞組的等效電感； 
      RL為輸出端等效負(fù)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(duì)變壓器初級(jí)繞組電感L1的計(jì)算，應(yīng)按照輸出電壓zui小值即500V設(shè)計(jì)，因?yàn)?，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電感量zui大，確定初級(jí)繞組匝數(shù)后，再根據(jù)式（4）計(jì)算出次級(jí)相對(duì)應(yīng)的各繞組匝數(shù)。 
    根據(jù)實(shí)驗(yàn)，本電源初級(jí)匝數(shù)N1為4匝，次級(jí)則是按照每200匝一個(gè)抽頭，合計(jì)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)。 

 

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