張寧

（商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘476000）

電子設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于環(huán)境、故障或者誤操作等原因，會發(fā)生過電壓現(xiàn)象。有些設(shè)備甚至在其正常工作狀態(tài)中，包括瞬時的高壓脈沖也會發(fā)生過電壓現(xiàn)象。為保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，必須按照高電壓試驗(yàn)規(guī)范，對這些電子設(shè)備和構(gòu)成電子設(shè)備的電子元器件進(jìn)行絕緣性能評估。

筆者針對電子設(shè)備高電壓試驗(yàn)的實(shí)際需求，結(jié)合電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對智能化電子設(shè)備絕緣檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1 系統(tǒng)概述

智能化電子設(shè)備絕緣檢測系統(tǒng)采用ATmega16單片機(jī)作為主控芯片。其最小系統(tǒng)包括：1）5 V工作電源；2）電容電感串連構(gòu)成的帶延時硬件復(fù)位電路；3）16 M外部有源時鐘；4）6線JTAG在線仿真接口。ATmega16單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和豐富的片上集成功能，使其能滿足智能化電子設(shè)備絕緣檢測系統(tǒng)幾乎所有的功能需求。為絕緣檢測系統(tǒng)提供算法支持，對整個絕緣檢測過程進(jìn)行監(jiān)控。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控模塊與系統(tǒng)其他功能模塊的連接關(guān)系，其中高壓直流生成模塊沿用開關(guān)電源設(shè)計(jì)思路，采用交－直－交－直方式，最終輸出試驗(yàn)所需的直流高電壓。該模塊包括以下幾個子模塊：1）PWM 波發(fā)生器；2） 光電隔離；3）MOS管驅(qū)動；4）半橋逆變電路；5）脈沖變壓器；6）倍壓整流電路。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of system

相比于傳統(tǒng)電力工程中的高電壓試驗(yàn)，針對電子設(shè)備及元器件的高電壓試驗(yàn)有其自身的特點(diǎn)：1）測試電壓相對較低，基本在3 kV以下；2）由于電子設(shè)備及元器件本身的高敏感度，測試精度要求更高；3）由于電子設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對測試設(shè)備的智能化要求更高。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

絕緣檢測系統(tǒng)主要的工作流程如圖2所示。

通過外接鍵盤，對絕緣測試的各參數(shù)，包括上限電壓、擊穿電流和升壓步長等進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)由鍵盤掃描程序，將設(shè)定值存儲于相關(guān)寄存器，供主程序調(diào)用及處理。

各初始化參數(shù)、當(dāng)前工作狀態(tài)及試驗(yàn)結(jié)果等，經(jīng)由顯示程序，直觀地顯示于外部LCM，使操作者適時掌握試驗(yàn)狀態(tài)。系統(tǒng)中PWM波發(fā)生器由ATmega16片上自帶的兩路8位PWM波發(fā)生器構(gòu)成，通過對單片機(jī)編程，可以設(shè)定其生成的PWM波的頻率、脈寬和相位等參數(shù)。光電隔離模塊將單片機(jī)5 V控制信號轉(zhuǎn)換位波形相同的15 V驅(qū)動信號，經(jīng)由專用MOS管驅(qū)動芯片，當(dāng)設(shè)定占空比為16%，外界3 V直流逆變源，兩路互鎖MOS管驅(qū)動信號波形如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of system

圖3 兩路MOS管信號Fig.3 Signal of two MOS

它對逆變電橋進(jìn)行控制，生成高頻脈沖交流源，輸入到脈沖變壓器原邊。變壓器原邊輸入波形如圖4所示。

圖4 變壓器原邊輸入波形Fig.4 Waveform of transformer primary side input

脈沖變壓器副邊輸出幅值較高的脈沖交流電壓，經(jīng)倍壓整流電路整流濾波，可得穩(wěn)定性很高的直流高壓電源。如圖5所示。

圖5 五倍壓整流濾波的輸出波形Fig.5 Waveform of the voltage rectifier five timesoutput

傳統(tǒng)絕緣測試系統(tǒng)大多采用傳感器作為數(shù)據(jù)采集的前端，使得采樣精度受到傳感器本身參數(shù)的限制，采樣誤差中不可避免地包含傳感器本身的測試誤差。

本系統(tǒng)直接采用ADC公司的高性能儀表運(yùn)算放大器作為采樣環(huán)節(jié)，省去了傳感器環(huán)節(jié)。將待測件與小阻值精密電阻串連，采用ADI公司高性能儀表運(yùn)算放大器取樣精密電阻兩端的分壓值，輸入到ATmega16片上自帶的10位精度A/D轉(zhuǎn)換器中，可算得測試回路的漏電流值。進(jìn)而算出在當(dāng)前電壓值下的絕緣電阻值。主控芯片可依據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊的輸出結(jié)果，判斷待測件是否已經(jīng)擊穿，并以此作為反饋，構(gòu)成閉環(huán)，提高電源生成模塊的穩(wěn)定性和可控性。

在非破壞性試驗(yàn)中，保護(hù)電路主要對待測件起到保護(hù)作用；在破壞性試驗(yàn)中，該電路主要對測試系統(tǒng)本身起到保護(hù)作用。當(dāng)絕緣擊穿發(fā)生時，主控芯片經(jīng)用采樣電路獲得反饋，斷開低壓直流逆變源，使得倍壓整流模塊失去能量供給，僅由電容存儲的能量進(jìn)行放電。串連于測試回路功率電阻則在測試件絕緣電阻驟減時起到限流的作用，對測試件及系統(tǒng)本身進(jìn)行保護(hù)。

3 結(jié)束語

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，搭建實(shí)際絕緣測試系統(tǒng)，對多種電子設(shè)備進(jìn)行絕緣評估試驗(yàn)，具體指標(biāo)為：

1）主控芯片工作主頻16 MHz，逆變電路工作頻率32 kHz；

2）輸出電壓可以在10～100 V和100～2 000 V兩個量程之間連續(xù)可調(diào)；

3）輸出電流 0～10 μA；

4）電流采樣分辨率 0.5 μA；

升壓過程中，系統(tǒng)輸出電壓變化速率可調(diào)，波形平穩(wěn)。測試過程中，采樣頻率高，響應(yīng)時間快。擊穿發(fā)生時，能迅速觸發(fā)保護(hù)。人機(jī)界面友好，自動化程度高。自帶通訊接口，與上位機(jī)通訊穩(wěn)定，拓展性好，智能化程度高。

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