便攜式絕緣電阻測試儀的設計

    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。傳統兆歐表通過手搖發電機發出的直流電壓有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定的500V，1000V，1500V，2000V和2500V系列電壓，另由單片機系統進行測量采樣，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對本系統中相應部分做一簡單介紹。 
    系統脈沖頻率可由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調節器，用于輸出電壓負反饋的穩定調節，R11為PI調節器的平衡電阻。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，從而提高整個系統的效率。 
    電路中穩壓管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，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為上正下負，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。實際系統則需多方兼顧，優化匹配各個參數，可利用式（3）做定性的參考，只要滿足 系統就進入磁化電流連續狀態，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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