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[導(dǎo)讀]摘要:針對電子儀器設(shè)備在線試驗和自耦調(diào)壓器使用中出現(xiàn)的用電不安全問題,提出了一種"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計與制作方法,給出了原理和設(shè)計功能指標(biāo),確定了器件(部件)

摘要:針對電子儀器設(shè)備在線試驗和自耦調(diào)壓器使用中出現(xiàn)的用電不安全問題,提出了一種"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計與制作方法,給出了原理和設(shè)計功能指標(biāo),確定了器件(部件)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化組成,通過制作實驗和對功能參數(shù)的測試,達(dá)到了設(shè)計要求,并具有很好的安全性。

交流電源(如單相220 V),是電子儀器設(shè)備工作主要的供電電源。在電子儀器設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)與質(zhì)量檢驗過程中,特別是進行結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)的動態(tài)檢驗中,會因為被檢測儀器設(shè)備內(nèi)部存在的不良問題而產(chǎn)生漏電、短路等故障。在利用自耦調(diào)壓器進行相關(guān)實驗中,由于接線不正確,使用不合理,也會出現(xiàn)"被電"現(xiàn)象。上述情況,如果沒有很好保護方法和措施,導(dǎo)致被檢測儀器設(shè)備和所使用檢測設(shè)備被"觸電"而被損壞,同時也給試驗、操作使用人員帶來人身危險。為此,文中研究了一種"隔離調(diào)壓式交流電源",提出了相應(yīng)設(shè)計與制作方法,對于解決上述類似不安全問題,具有重要作用。

1 原理設(shè)計

文中以穩(wěn)壓電源設(shè)備進行"在線模擬公路運輸試驗"為例,來說明"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計的原理。穩(wěn)壓電源設(shè)備是以單相220 V交流電作為供電電源,直流穩(wěn)壓輸出+22 V,最大輸出功率220 W(22 V,10 A),對其進行在線模擬公路運輸試驗,就是在模擬振動試驗臺上進行帶電試驗,從而模擬檢驗運輸狀態(tài)下的技術(shù)性能與安裝質(zhì)量。

1.1 功能指標(biāo)設(shè)計

分析可知,穩(wěn)壓電源設(shè)備工作所需用供給電源是單相220 V/50 Hz交流電,并且要求輸入的功率大于220 W.由于穩(wěn)壓電源設(shè)備的直流穩(wěn)壓性能要求比較高,因而對單相220 W50Hz交流電變化的適應(yīng)能力比較強,要求變化在180~260 V范圍內(nèi)。同時考慮到使用自耦調(diào)壓器的安全要求,在保證試驗、保證安全的情況下,給"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計提出了以下功能與技術(shù)指標(biāo)要求:

1)分別提供220 V/50 Hz交流市電電源和可調(diào)的交流電源;

2)輸出的220 V/50 Hz交流市電,功率≥1 000 W;

3)輸出的可調(diào)交流電壓范圍為0~260V;輸出功率≥300W;

4)具有輸入電壓、輸出電壓指示和輸出電流顯示;

5)要求具有漏電、過載保護功能;

6)輸入、輸出插頭、插座安裝固定牢靠。

1.2 原理設(shè)計

按照"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計提出的功能與技術(shù)指標(biāo)要求,設(shè)計原理如圖1所示?;驹恚簡蜗嗍须?20 V/50 HZ電源,經(jīng)漏電保護器、電源開關(guān)S1、保險絲接至自耦調(diào)壓器B1輸入端,又通過調(diào)節(jié)端輸出到隔離變壓器B2輸入端;B2匝數(shù)比為1:1,則輸出與輸入相同的電壓;然后經(jīng)電流表輸出到負(fù)載RFZ.電壓表通過開關(guān)S2轉(zhuǎn)換顯示輸入、輸出電壓。同時在原理電路中加入了漏電保護器。

圖1 隔離調(diào)壓式交流電源原理圖

圖1 隔離調(diào)壓式交流電源原理圖

電源開關(guān)S1的作用是控制兩路交流電源的輸出。當(dāng)S1接至上端,"隔離調(diào)壓式交流電源"輸出市電;當(dāng)S1接至下端,則輸出可調(diào)0~260 V的交流電壓。離變壓器B2,實現(xiàn)輸出可調(diào)電壓與輸入市電電源絕緣隔離;通過調(diào)節(jié)自耦變壓器B1達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。C1選擇容值0.47 μF,耐壓500V主要是為了濾除調(diào)整B1時產(chǎn)生的高頻干擾諧波。

1.3 安全分析

保險絲加在了"隔離調(diào)壓式交流電源"自耦調(diào)壓器的輸入端,根據(jù)輸出功率大小,選定合適規(guī)格的保險絲;當(dāng)負(fù)載過大時,保險絲熔斷,達(dá)到保護試驗設(shè)備的目的。

采用匝數(shù)比為1:1的變壓器,實現(xiàn)與單相市電的絕緣隔離;制作合適的變壓器,并且初次級絕緣強度高,即滿足輸出功率要求,又能夠避免由于火線、零線、地線接錯而帶來的不安全問題。

運用漏電保護器,實現(xiàn)漏電保護;當(dāng)試驗中由于儀器設(shè)備出現(xiàn)故障,或人員操作不當(dāng)發(fā)生漏電、觸電問題時,漏電保護器及時工作,斷開市電電源,以保證儀器設(shè)備及試驗人員的安全。

"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計中,具有上述3種安全措施,既保證有效進行試驗,又增強了試驗過程的安全性。

2 器件設(shè)計與選用

按照"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計指標(biāo)與功能要求,主要以輸出可調(diào)交流電壓的原理為主,研究設(shè)計和選用器件,為了保證性能和質(zhì)量,針對所用器件做出以下設(shè)計與選擇。

2.1 隔離變壓器

變壓器:它在電力系統(tǒng)中的重要作用是變換電壓,以利于功率傳輸。變壓器在磁通的作用下,兩側(cè)的線圈分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢,電勢的大小與匝數(shù)成正比。變壓器原、副線圈匝數(shù)不同,這樣就起到了變壓作用。

圖2 自耦調(diào)壓器原理

圖2 自耦調(diào)壓器原理

隔離變壓器B2設(shè)計結(jié)構(gòu)原理如圖1、圖2所示,匝數(shù)比為1:1,E型硅鋼鐵芯,初次級線圈之間加隔離層并接地,初、次級線圈與接地端的絕緣電阻≥1.5 MΩ;輸出功率≥300 W.設(shè)計制作的B2,通過試驗其性能參數(shù)如表1所示??梢姡軌驖M足設(shè)計使用要求。

表1 隔離變壓器B2性能參數(shù)

表1 隔離變壓器B2性能參數(shù)

2.2 自耦調(diào)壓器

自耦調(diào)壓器是常用調(diào)壓器的一種,其原理和自耦變壓器原理相同。自耦調(diào)壓器和動圈調(diào)壓器、變磁通調(diào)壓器和感應(yīng)調(diào)壓器相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、體積小、造價低、使用方便等優(yōu)點,這正是"隔離調(diào)壓式交流電源"選用自耦調(diào)壓器的主要原因。當(dāng)B1接入市電220 V后,U12=220 V,使用調(diào)節(jié)旋鈕,使U32輸出交流電電壓在0~260 V范圍內(nèi)。根據(jù)輸出功率300 W的要求,選擇B1的功率≥500 W.綜合考慮"隔離調(diào)壓式交流電源"的體積、功率等要求,選擇了B1為TDG2型接觸式自耦調(diào)壓器,其參數(shù)有:輸出功率500 W;調(diào)壓范圍0~275 V.

2.3 漏電保護器

漏電保護器是一種防止人身觸電事故的安全防護裝置,當(dāng)電路中發(fā)生漏電或觸電時,可以在很短時間內(nèi)切斷整個電路。

1)漏電保護器的基本工作原理

如圖3所示,當(dāng)負(fù)載發(fā)生漏電故障時,電流通過大地形成回路,負(fù)載側(cè)對大地形成泄漏電流,穿過零序電流互感器CT的電流的矢量和不等于零。零序電流互感器CT感應(yīng)出一個零序電流,當(dāng)零序電流達(dá)到整定值,經(jīng)放大器FA放大后驅(qū)動跳閘線圈Q,線圈Q通電產(chǎn)生磁場,吸動銜鐵使開關(guān)K斷開,線路及電器失去電源,從而保護了人身和電氣設(shè)備的安全。

漏電保護器,有兩種類型:即電壓動作型和電流動作型,而電壓動作型由于自身的種種弊端而被淘汰,現(xiàn)主要應(yīng)用是以電流動作型漏電保護器為主。

圖3 漏電保護器結(jié)構(gòu)原理

圖3 漏電保護器結(jié)構(gòu)原理

2)漏電保護器設(shè)計選擇

針對"隔離調(diào)壓式交流電源"功能要求和使用對象,依據(jù)額定電流In、額定漏電動作電流I△n、漏電動作分?jǐn)鄷r間動作時間、額定漏電不動作電流I△n0等參數(shù)進行設(shè)計選擇。

額定電流In.指能夠持續(xù)流過漏電保護器的最大負(fù)載電流。這需要根據(jù)試驗設(shè)備的功率之和Po來計算確定,即:In=Po/220.因為設(shè)計要求Po輸出≥300 W,所以選擇漏電保護器的額定電流In≥1.36 A.計算電流略大一點的漏電保護器,這樣,在正常使用中,不至于漏電保護器因過負(fù)荷經(jīng)常動作,影響正常使用。

額定漏電動作電流I△n.是漏電保護器一個重要的參數(shù),是漏電保護器在規(guī)定的工作條件下必須動作的漏電電流值。當(dāng)試驗設(shè)備或漏電電流達(dá)到某一規(guī)定值時,漏電保護器必須可靠斷開電路,使試驗電器設(shè)備失去電源。一般情況下,應(yīng)選擇漏電電流為30 mA的高靈敏度型的漏電保護器。

漏電動作分?jǐn)鄷r間動作時間。是從突然施加漏電動作電流開始到被保護的電路或設(shè)備完全被切斷電源為止。漏電保護器的動作時間可分為3種,以保證在人身觸電時的安全保護作用和適應(yīng)分級保護的需要??焖傩停簞幼鲿r間不超過0.1 s.定時限型:動作時間不超過0.1~2 s.反時限型:動作電流時,動作時間不超過1 s;2倍動作電流時,動作時間不超過0.2 s;5倍動作電流時,動作時間不超過0.03 s.在選擇漏電保護器時,自然以安全為主,應(yīng)當(dāng)選用快速型、動作時間不超過0.1 s的漏電保護器。

額定漏電不動作電流I△n0.漏電保護器選擇,應(yīng)保證在電路中出現(xiàn)規(guī)定值的漏電電流時應(yīng)該保證正常動作,也應(yīng)該在故障電流沒有達(dá)到規(guī)定值,保證不動作。為此,漏電保護器的I△n0≯30 mA.

綜上述分析設(shè)計,選擇型號為DZ47LE-32漏電保護器,技術(shù)參數(shù)為:額定電流In=10 A;I△n=30 mA;動作時間t≤0.1 s;能夠滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)"隔離調(diào)壓式交流電源"工作原理,其結(jié)構(gòu)設(shè)計有兩種:按圖1所示,漏電保護器設(shè)計在電源輸入端的最前端,能夠?qū)崿F(xiàn)一旦發(fā)生漏電問題,能夠及時斷開輸入市電電源。保險絲安裝在次后,一旦試驗設(shè)備發(fā)生過載,或出現(xiàn)短路問題,及時熔斷,切斷市電火線(L)通路。再之后接入自耦調(diào)壓器和隔離變壓器。而兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于第一種結(jié)構(gòu)是自耦調(diào)壓器在隔離變壓器的前端;第二種結(jié)構(gòu)是隔離變壓器在自耦調(diào)壓器的前端。由于自耦調(diào)壓器、隔離變壓器在通電時自身都消耗功率,通過實驗得出自耦調(diào)壓器空載功率消耗33 W,隔離變壓器空載功率消耗15.4 W;在兩種結(jié)構(gòu)輸出效率基本相同條件下,選擇第一種結(jié)構(gòu)比較合理,即圖1所示結(jié)構(gòu);因為選擇的自耦調(diào)壓器輸出功率及效率大于隔離變壓器的輸出功率和效率,能夠減小結(jié)構(gòu)的功率消耗和隔離變壓器輸出功率的壓力。

輸入、輸出電壓和輸出電流都通過電表指示,安裝在面板上;保險絲、漏電保護器等器件設(shè)計安裝在便于維修、操作的位置。特別是輸入、輸出的接線插頭、插座,采用良好的固定方法、工藝,使之接觸良好、牢靠。

4 實驗驗證

"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計的原理、器件選用和結(jié)構(gòu),是否科學(xué)合理,能否達(dá)到設(shè)計性能指標(biāo)要求,必須通過實驗加以驗證。為此,將DZ47LE-32漏電保護器、保險絲(1.5A)、TDGG2型自耦調(diào)壓器、300 W隔離變壓器和有關(guān)指示電表等,進行組裝測試。

首先將自耦凋壓器與隔離變壓器組裝在一起,市電220 V交流電接在自耦調(diào)壓器的輸入端,輸出端接隔離變壓器的輸入端,隔離變壓器的輸出端接入300 W的阻性負(fù)載;測試的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出功率、效率和部件工作溫度等參數(shù)如表2所示。再將漏電保護器、保險絲接入電路中,測試的漏電動作電流、保險絲熔斷負(fù)載功率(熔斷電流)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 “隔離調(diào)壓式交流電源”實驗測試參數(shù)

表2 “隔離調(diào)壓式交流電源”實驗測試參數(shù)

通過實驗驗證,設(shè)計原理、器件的設(shè)計選用,達(dá)到了"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計功能指標(biāo)要求,同時對部件安裝結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,減小了功率損耗,增強了可靠性。

5 結(jié)束語

"隔離調(diào)壓式交流電源"設(shè)計與制作,主要目的是解決電子儀器設(shè)備在設(shè)計生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗和自耦調(diào)壓器使用過程中的不安全問題。根據(jù)自耦調(diào)壓器、隔離變壓器的功用特點和漏電保護器原理,進行了功能指標(biāo)設(shè)計和器件(部件)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,并加以制作實驗;通過對功能參數(shù)的測試,達(dá)到了設(shè)計要求,并具有很好的安全性。

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