剩余電壓在線檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張佳民，丁 喆，鮑克勤，馬生茂，王 力

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，電子電器設(shè)備正越來(lái)越多地進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域.當(dāng)電氣設(shè)備掉電后，由于泄漏電阻較大，高壓整流電容上的殘留電壓不能在很短時(shí)間內(nèi)降到安全范圍，當(dāng)檢修人員維修設(shè)備時(shí)，就有觸電的危險(xiǎn).因此，電氣設(shè)備高壓整流電容掉電殘留電壓的大小關(guān)系到檢測(cè)人員與用戶的安全.為了保證用戶和檢修人員的安全，必須對(duì)電氣設(shè)備掉電1 s或10 s后的殘留電壓進(jìn)行檢測(cè).由于目前可進(jìn)行殘留電壓檢測(cè)的儀器還很少見(jiàn)，大多采用示波器停止功能鍵進(jìn)行估測(cè)［1，2］，人為因素影響大，定時(shí)不準(zhǔn)確，測(cè)量誤差大.因此，開發(fā)殘留電壓測(cè)試儀具有一定的實(shí)用價(jià)值.

1 殘留電壓的檢測(cè)原理

電氣設(shè)備掉電殘留電壓檢測(cè)儀主要用來(lái)檢測(cè)電氣設(shè)備高壓整流電容在掉電后的殘留電壓，根據(jù)電氣設(shè)備的安全規(guī)范，需要檢測(cè)掉電后1 s或10 s后電容上的殘留電壓值.本文采用掉電識(shí)別電路進(jìn)行測(cè)量，將掉電信息送入控制器，控制器系統(tǒng)啟動(dòng)定時(shí).同時(shí)，掉電設(shè)備高壓整流電容上的電壓通過(guò)高阻分壓網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路輸入測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路進(jìn)行電壓極性的變換，將輸入信號(hào)變?yōu)檎龢O性，并調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍.根據(jù)人機(jī)接口信息，在定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，控制器對(duì)采樣保持電路發(fā)出保持命令，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成殘留電壓的測(cè)試，并通過(guò)顯示器顯示.其原理如圖1所示.

圖1 剩余電壓檢測(cè)儀的原理

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路主要包括被測(cè)裝置的掉電識(shí)別電路、采樣輸入及輸入保護(hù)電路、絕對(duì)值電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路，以及鍵盤與顯示的人機(jī)接口電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 采樣輸入及保護(hù)回路

2.1 采樣輸入及保護(hù)回路的設(shè)計(jì)

輸入回路的接入必將引起電容電荷的泄漏，導(dǎo)致電容電壓下降，影響測(cè)量結(jié)果，本文采用高壓分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電壓采樣，其原理如圖2所示.根據(jù)電工理論知識(shí)，因取樣電路的接入，電容C的放電過(guò)程可描述為:

式中:Ee——掉電時(shí)的起始電壓;

Uc——放電后電容上的電壓;

τ——時(shí)間常數(shù).

假設(shè)整流電容C上電壓為1 000 V，1 s后分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容電壓的影響不超過(guò)0.1%，根據(jù)式(1)可得:

在高壓分壓輸入回路，當(dāng)通過(guò)雙向穩(wěn)壓管保護(hù)輸入放大器的電壓下降到100 V時(shí)，穩(wěn)壓管不被擊穿，分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容電壓進(jìn)行線性分壓.若取分壓值為5 V，整流電容取保守值為100 μF.根據(jù)式(2)可得到分壓電阻 R1為 499.75 kΩ，R2為9.492 5 MΩ.

2.2 掉電識(shí)別電路

從待測(cè)設(shè)備電源的主開關(guān)后取樣電源信號(hào)Ui，Ui經(jīng)降壓變壓器和全橋整流器之后得到全波整流波形Ua，周期為10 ms，Ua的峰值大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓，在每個(gè)半波時(shí)間里，當(dāng)半波波形的瞬時(shí)值大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿一次，使三極管T飽和導(dǎo)通，產(chǎn)生下跳沿，向CPU申請(qǐng)中斷.在正常情況下，CPU至少每隔10 ms收到一次中斷信號(hào)，收到中斷信號(hào)后，將CPU的定時(shí)器清零，并重新啟動(dòng)定時(shí)器.若CPU沒(méi)有在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)收到中斷信號(hào)，定時(shí)器就會(huì)發(fā)生中斷，此時(shí)判定系統(tǒng)掉電.考慮到工頻周期有微小變動(dòng)，本設(shè)計(jì)中將定時(shí)器時(shí)間設(shè)置為12 ms.超過(guò)12 ms CPU沒(méi)有收到中斷信號(hào)就判定為掉電，啟動(dòng)定時(shí)測(cè)量程序.掉電識(shí)別電路如圖3所示.

圖3 掉電識(shí)別電路

2.3 絕對(duì)值電路的設(shè)計(jì)

待測(cè)電氣設(shè)備的電容電壓通過(guò)高壓分壓網(wǎng)絡(luò)輸入到測(cè)試儀器，根據(jù)測(cè)試儀器表筆位置的不同，往往出現(xiàn)正負(fù)電壓，因此必須對(duì)輸入電壓進(jìn)行極性變換.傳統(tǒng)的整流電路受二極管導(dǎo)通壓降的影響，其信號(hào)損失較大，因此本文采用了精密整流電路(也稱為絕對(duì)值電路)，其電路如圖4所示.

精密整流電路由運(yùn)算放大器與二極管組合構(gòu)成，由于運(yùn)算放大器具有較高開環(huán)的增益，克服了二極管導(dǎo)通壓降的影響，且信號(hào)死區(qū)很小，因此可提高信號(hào)整流的準(zhǔn)確度.

圖4 絕對(duì)值電路

當(dāng) uin＞0 時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，則:

此時(shí)，放大器A2的輸出電壓為:

當(dāng) uin＜0 時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，uo1=0，則:

取電阻 R1=R2=R3=R5=R，R4=0.5R，根據(jù)式(4)和式(5)可得:

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)按照安檢標(biāo)準(zhǔn)，要檢測(cè)規(guī)定時(shí)刻的殘留電壓值，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前采用采樣保持電路LF398來(lái)保持某一瞬間值，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持電壓不變，見(jiàn)圖5.

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

LF398的8引腳與SM5964單片機(jī)的P1.4引腳相連，用來(lái)控制LF398的工作狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)的P1.4輸出邏輯為1時(shí)，LF398的輸出電壓隨3腳輸入電壓的不同而變化;當(dāng)單片機(jī)的P1.4腳輸出邏輯為0時(shí)，LF398內(nèi)部的開關(guān)斷開，輸出電壓比變;2引腳接電位器R7可實(shí)現(xiàn)直流調(diào)零［3］.

本測(cè)量系統(tǒng)有4位顯示，量程范圍為100 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要10位以上，本文采用串行Δ-∑模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器LTC2400.該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部具有精度較高的集成震蕩器時(shí)鐘，外部不需任何頻率調(diào)整元件，內(nèi)部的4階數(shù)字陷波濾波器，將陷波器的控制端通過(guò)R5接地，以減小50 Hz信號(hào)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響［4］.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)可達(dá)到精確的測(cè)量效果.

2.5 人機(jī)接口電路

本文選用ZLG7289鍵盤與顯示專用芯片實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的人機(jī)接口功能.人機(jī)接口設(shè)有3個(gè)按鍵:S1，S2，S3，其中 S1為測(cè)量待測(cè)設(shè)備掉電1 s后的剩余電壓，S2為測(cè)量待測(cè)設(shè)備掉電10 s后的剩余電壓，S3為測(cè)量啟動(dòng)鍵.測(cè)量值采用4位顯示.ZLG7289與SM5964單片機(jī)的連接見(jiàn)圖6.

圖6 鍵盤與顯示接口電路

由圖6可知，ZLG7289片選端/CS與SM5964的P3.0引腳相連，低電平有效時(shí)，可向芯片發(fā)送指令并讀取鍵盤數(shù)據(jù);ZLG7289的CLK端為同步時(shí)鐘輸入，與SM5964的P3.1引腳相連，向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)及讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳電平上升表示數(shù)據(jù)有效 ;ZLG7289的DIO端為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，與SM5964的P3.4引腳相連，當(dāng)芯片接收指令時(shí)，此引腳為輸入端;當(dāng)讀取鍵盤數(shù)據(jù)時(shí)，此引腳在“讀”指令最后一個(gè)時(shí)鐘的下降沿變?yōu)檩敵龆?按鍵有效輸出端Key，因?yàn)榕cSM5964的P3.5引腳相連，平時(shí)為高電平，當(dāng)檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖?

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)有2個(gè)測(cè)量模式，即掉電1 s和10 s兩種模式.當(dāng)把檢測(cè)系統(tǒng)連接到待測(cè)設(shè)備上后，在CPU內(nèi)部設(shè)置標(biāo)志，且按下測(cè)量模式的按鍵.當(dāng)被測(cè)設(shè)備掉電后，通過(guò)查找內(nèi)部標(biāo)志，執(zhí)行測(cè)量程序，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后，將測(cè)量結(jié)果送顯示器顯示.系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)的軟件流程示意

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

本文所設(shè)計(jì)的殘留電壓測(cè)試儀及其電壓量程范圍為100 V，當(dāng)輸入電壓高于100 V時(shí)，高壓分壓網(wǎng)絡(luò)工作在非線性狀態(tài)，輸入到前置放大器的電壓不大于5.1 V;當(dāng)輸入電壓小于100 V時(shí)，分壓網(wǎng)絡(luò)工作在線性分壓狀態(tài)，分壓比為20∶1.采用直流電源和萬(wàn)用表對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 測(cè)試數(shù)據(jù) V

從表1可以看出，由于整流電路的電阻匹配精度不夠，因此造成輸入正電壓時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)偏大、輸入負(fù)電壓時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)偏小這一結(jié)果.

5 結(jié)語(yǔ)

采用微控制器對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行控制，消除了人為時(shí)間估算不準(zhǔn)的影響，提高了掉電殘留電壓測(cè)量的自動(dòng)化水平.從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在儀器的量程范圍內(nèi)測(cè)量的準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%，滿足常規(guī)殘留電壓測(cè)量的要求，有一定推廣和實(shí)用價(jià)值.

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