一種隔離調(diào)壓式交流電源的設(shè)計(jì)制作

董振旗，于江偉，翟凱波，趙巍輝

（第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025）

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(jì)、生產(chǎn)與質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程中，特別是進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)的動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)中，會(huì)因?yàn)楸粰z測(cè)儀器設(shè)備內(nèi)部存在的不良問(wèn)題而產(chǎn)生漏電、短路等故障。在利用自耦調(diào)壓器進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，由于接線不正確，使用不合理，也會(huì)出現(xiàn)“被電”現(xiàn)象。上述情況，如果沒(méi)有很好保護(hù)方法和措施，導(dǎo)致被檢測(cè)儀器設(shè)備和所使用檢測(cè)設(shè)備被“觸電”而被損壞，同時(shí)也給試驗(yàn)、操作使用人員帶來(lái)人身危險(xiǎn)。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(jì)與制作方法，對(duì)于解決上述類似不安全問(wèn)題，具有重要作用。

1 原理設(shè)計(jì)

文中以穩(wěn)壓電源設(shè)備進(jìn)行 “在線模擬公路運(yùn)輸試驗(yàn)”為例，來(lái)說(shuō)明“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行在線模擬公路運(yùn)輸試驗(yàn)，就是在模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行帶電試驗(yàn)，從而模擬檢驗(yàn)運(yùn)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(jì)

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(duì)單相220 V/50 H0z交流電變化的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，要求變化在180～260 V范圍內(nèi)。同時(shí)考慮到使用自耦調(diào)壓器的安全要求，在保證試驗(yàn)、保證安全的情況下，給“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)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(guò)載保護(hù)功能；

6）輸入、輸出插頭、插座安裝固定牢靠。

1.2 原理設(shè)計(jì)

按照“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)提出的功能與技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)原理如圖1所示?；驹恚?jiǎn)蜗嗍须?20 V/50 HZ電源，經(jīng)漏電保護(hù)器、電源開(kāi)關(guān)S1、保險(xiǎn)絲接至自耦調(diào)壓器B1輸入端，又通過(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)S2轉(zhuǎn)換顯示輸入、輸出電壓。同時(shí)在原理電路中加入了漏電保護(hù)器。

電源開(kāi)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(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)電壓與輸入市電電源絕緣隔離；通過(guò)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500 V主要是為了濾除調(diào)整B1時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾諧波。

圖1 隔離調(diào)壓式交流電源原理圖Fig.1 Schematic of solation voltage regulation AC power

1.3 安全分析

保險(xiǎn)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(xiǎn)絲；當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，達(dá)到保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備的目的。

采用匝數(shù)比為1:1的變壓器，實(shí)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(jí)絕緣強(qiáng)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(cuò)而帶來(lái)的不安全問(wèn)題。

運(yùn)用漏電保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)；當(dāng)試驗(yàn)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(wèn)題時(shí)，漏電保護(hù)器及時(shí)工作，斷開(kāi)市電電源，以保證儀器設(shè)備及試驗(yàn)人員的安全。

“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)中，具有上述3種安全措施，既保證有效進(jìn)行試驗(yàn)，又增強(qiáng)了試驗(yàn)過(guò)程的安全性。

2 器件設(shè)計(jì)與選用

按照“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)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(jì)和選用器件，為了保證性能和質(zhì)量，針對(duì)所用器件做出以下設(shè)計(jì)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(shì)，電勢(shì)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[1]。

隔離變壓器B2設(shè)計(jì)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(jí)線圈之間加隔離層并接地，初、次級(jí)線圈與接地端的絕緣電阻≥1.5 MΩ；輸出功率≥300 W。設(shè)計(jì)制作的B2，通過(guò)試驗(yàn)其性能參數(shù)如表1所示?？梢?jiàn)，能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求。

表1 隔離變壓器B2性能參數(shù)Tab.1 Solation voltage B2performance parameters

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[2]。自耦調(diào)壓器和動(dòng)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(jiǎn)單、故障率低、體積小、造價(jià)低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[3]，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TDGG2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。

圖2 自耦調(diào)壓器原理Fig.2 Schematic of autotransformer usage

2.3 漏電保護(hù)器

漏電保護(hù)器是一種防止人身觸電事故的安全防護(hù)裝置，當(dāng)電路中發(fā)生漏電或觸電時(shí)，可以在很短時(shí)間內(nèi)切斷整個(gè)電路[4]。

1）漏電保護(hù)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(shí)，電流通過(guò)大地形成回路，負(fù)載側(cè)對(duì)大地形成泄漏電流，穿過(guò)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(gè)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(dòng)跳閘線圈Q，線圈Q通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸動(dòng)銜鐵使開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，線路及電器失去電源，從而保護(hù)了人身和電氣設(shè)備的安全。

圖3 漏電保護(hù)器結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structural principle of the leakage protection

漏電保護(hù)器，有兩種類型：即電壓動(dòng)作型和電流動(dòng)作型，而電壓動(dòng)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(dòng)作型漏電保護(hù)器為主[5]。

2）漏電保護(hù)器設(shè)計(jì)選擇

針對(duì)“隔離調(diào)壓式交流電源”功能要求和使用對(duì)象，依據(jù)額定電流In、額定漏電動(dòng)作電流I△n、漏電動(dòng)作分?jǐn)鄷r(shí)間動(dòng)作時(shí)間、額定漏電不動(dòng)作電流I△n0等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇。

額定電流In。指能夠持續(xù)流過(guò)漏電保護(hù)器的最大負(fù)載電流。這需要根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的功率之和Po來(lái)計(jì)算確定，即：In=Po/220。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求Po輸出≥300 W，所以選擇漏電保護(hù)器的額定電流In≥1.36 A。計(jì)算電流略大一點(diǎn)的漏電保護(hù)器，這樣，在正常使用中，不至于漏電保護(hù)器因過(guò)負(fù)荷經(jīng)常動(dòng)作，影響正常使用。

額定漏電動(dòng)作電流I△n。是漏電保護(hù)器一個(gè)重要的參數(shù)，是漏電保護(hù)器在規(guī)定的工作條件下必須動(dòng)作的漏電電流值。當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備或漏電電流達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，漏電保護(hù)器必須可靠斷開(kāi)電路，使試驗(yàn)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(hù)器[6]。

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

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

綜上述分析設(shè)計(jì)，選擇型號(hào)為DZ47LE-32漏電保護(hù)器，技術(shù)參數(shù)為：額定電流 In=10 A；I△n=30 mA；動(dòng)作時(shí)間 t≤0.1 s；能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)有兩種：按圖1所示，漏電保護(hù)器設(shè)計(jì)在電源輸入端的最前端，能夠?qū)崿F(xiàn)一旦發(fā)生漏電問(wèn)題，能夠及時(shí)斷開(kāi)輸入市電電源。保險(xiǎn)絲安裝在次后，一旦試驗(yàn)設(shè)備發(fā)生過(guò)載，或出現(xiàn)短路問(wèn)題，及時(shí)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(shí)自身都消耗功率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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?yàn)檫x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(guò)電表指示，安裝在面板上；保險(xiǎn)絲、漏電保護(hù)器等器件設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)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(jì)性能指標(biāo)要求，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。為此，將DZ47LE-32漏電保護(hù)器、保險(xiǎn)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(jìn)行組裝測(cè)試。

首先將自耦調(diào)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(cè)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(hù)器、保險(xiǎn)絲接入電路中，測(cè)試的漏電動(dòng)作電流、保險(xiǎn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)Tab.2 Experimental parameter tested by isolation voltage regulation AC power

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)原理、器件的設(shè)計(jì)選用，達(dá)到了“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)功能指標(biāo)要求，同時(shí)對(duì)部件安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減小了功率損耗，增強(qiáng)了可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

“隔離調(diào)壓式交流電源”設(shè)計(jì)與制作，主要目的是解決電子儀器設(shè)備在設(shè)計(jì)生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)和自耦調(diào)壓器使用過(guò)程中的不安全問(wèn)題。根據(jù)自耦調(diào)壓器、隔離變壓器的功用特點(diǎn)和漏電保護(hù)器原理，進(jìn)行了功能指標(biāo)設(shè)計(jì)和器件（部件）、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加以制作實(shí)驗(yàn)；通過(guò)對(duì)功能參數(shù)的測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并具有很好的安全性。

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