劉亞雄　蘇明　郭亞妮　魏雅婷

[摘? ? 要]現階段國內工科類高校、高等職業(yè)技術學院依舊以傳統線性穩(wěn)壓電源課題教學為主，極少數學校在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)、公選課程涉及開關電源相關知識，受實驗設備條件限制，教學效果很難達到預期目標。學校作為技能型人才的培育基地，要想培養(yǎng)出適合時代職業(yè)特點的技術與技能型人才，專用的實驗設備是有效開展實踐教學的前提和保障。因此，亟待設計開發(fā)一款可直接用于學校實踐教學、 專門用于測量開關電源變壓器參數的儀器。

[關鍵詞]開關電源變壓器;參數;測試儀

[中圖分類號]TM433 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Research on Parameter Tester of Switching Power Transformer

Liu Ya-xiong， Su Ming， Guo Yan-ni， Wei Ya-ting

[Abstract]At present， the traditional linear regulated power supply is still the main subject teaching in domestic engineering colleges and higher vocational and technical colleges. A very few schools are involved in the knowledge of switching power supply in graduation design and public elective courses. Limited by the experimental equipment conditions， the teaching effect is difficult to achieve the expected goal. As the training base of skilled talents， the special experimental equipment is the premise and guarantee for the effective practice teaching in order to cultivate the technical and skilled talents suitable for the occupation characteristics of the times. Therefore， it is urgent to design and develop an instrument which can be directly used in school practice teaching and specially used for measuring the parameters of switching power supply transformer.

[Keywords]switching power transformer; parameter; tester

開關電源由于其體積小、重量輕、轉換效率高、應用靈活等優(yōu)點，在科研、生產、和日常生活中得到廣泛應用，近年來，開關電源越來越智能、小型、輕便，可以預測今后電源行業(yè)輕薄小型開關的產值所占比重將持續(xù)增加。在電源的研發(fā)、生產過程中，電源的功能和性能指標能否滿足用戶的使用要求，是生產廠商和用戶最關注的焦點問題。變壓器對于開關電源性能的影響非常大，因此準確測量變壓器的參數，對電源的研發(fā)、生產具有重要意義。

1 開關電源變壓器參數測試儀概述

1.1 研發(fā)目的

通過對國內市場開關電源變壓器參數測試設備的調研，發(fā)現目前國內市場現有變壓器生產廠家的測試設備，是附加在產品生產線上的，僅能檢測部分指標參數;另一類由專業(yè)實驗室組裝的成套設備價格昂貴、體積龐大、操作邏輯復雜，綜上所述目前國內市場尚未發(fā)現該參數專用測試設備。

1.2 開關電源變壓器參數測試儀工作原理

兼顧理論和實踐需求，設計開發(fā)一款專門用于測量開關電源變壓器參數的儀器，該儀器能用于快速測量開關電源變壓器的飽和電流、原邊電感，漏電感，匝數比，磁化曲線等參數，以圖形或數據方式顯示于液晶屏上。通過所測試到的參數可以精確的設定開關電源變壓器的合理工作區(qū)間，提高其工作效率[1]。使其具有測試結果顯示直觀、易于操作、便于攜帶，且外觀風格接近實驗室常規(guī)儀器，能夠適用于教學、試驗等多樣化的場合。該測試儀的制造工藝簡單、成本低、便于批量生產。測試儀具有以下測試功能：

（1）測量（開關）變壓器原邊電感，漏電感，飽和電流，顯示B-H曲線。

（2）測試匝比，同名端。

（3）指導工作區(qū)間選擇，指導磁隙調整（以測試數據為基礎）。

1.3 測試儀特點

通過快速測量開關電源變壓器的飽和電流、原邊電感、磁化曲線等參數，以圖形或數據方式顯示于液晶屏上;所測參數可以精確的設定開關電源變壓器的合理工作區(qū)間，提高其工作效率;測試儀結合必要的測試電路，充分利用STM32控制器的PWM、AD＼DA、DMA等片內資源，完成項目基本要求的激勵、掃描、檢測功能[2];利用RTOS系統、PID等算法技術，提高測試精度、速度、便于操作等性能參數，本測試儀具有測試結果顯示直觀、易于操作、便于攜帶，且外觀風格接近實驗室常規(guī)儀器的特點，適用于教學、試驗等多樣化的場合。

2 開關電源變壓器參數測試儀研究

2.1 方案設計

利用單片機D/A輸出各種激勵信號，A/D采集數據信息，經數據運算，按要求以圖形和數據方式顯示在液晶屏上，屏上顯示系統初始主界面，使用者觸摸切換測試項目，單片機切換測試電路[3]。

（1）利用編程將測試到的數據經運算后以圖形和數據方式顯示。

（2）通過單片機D＼A輸出各種激勵信號。

（3）用戶對液晶屏進行操作，相關指令傳送給單片機進行電路切換，測試項目切換等功能。

（4）A/D采集數據信息并交給單片機處理。

（5）整個系統的檢測系統，通過液晶屏反饋使單片機實現自動檢測功能，并將結果通過流程（3）提示給用戶或工作人員。

（6）系統的掃描功能，實現與主控單片機的實時交互。

2.2 儀器功能及測量方法

測量開關電源變壓器的飽和電流、原邊電感，漏電感，匝數比，磁化曲線等參數，具體測試方法如下。

2.2.1 匝比測量

根據變壓器的匝比數等于變壓器的初級與次級電壓比這一原理，通過在變壓器的初級加測試電壓，然后對其初級、次級電壓同時進行A/D轉換，再經MCU進行判檔轉入相應的檔位進行測試、計算、存儲、顯示。

2.2.2 同名端測量

作為變壓器電路的核心組成部分，繞組具有非常重要的作用，其中原繞組與電源相連，副繞組則與負載連接。在變壓器的使用過程中，通常都會對繞組同名端進行判別，常用的判別方法是實驗法，主要有交流感應和直流感應2種方法。本項目中變壓器同名端的檢測方法是利用檢流計法測繞組同名端，如圖1所示，將一只檢流計和兩節(jié)干電池按照下圖連接，當S閉合瞬間，U1（二次側自感電動勢）端為正，若檢流計指針向右偏轉，則表明U2端亦為正，可判定U1和U2互為同名端[4]。若S閉合瞬間，指針向左偏轉，則表明U1和U2互為異名端。為能夠有效降低能耗，干電池應接在高壓繞組上，檢流計則應接在低壓繞組上，以避免對檢流計造成嚴重沖擊。

2.2.3 原邊電感測量

電感測量的兩類儀器：RLC測量（電阻、電感、電容三種都可以測量）和電感測量儀。

電感的測量：空載測量（理論值）和在實際電路中的測量（實際值）[5]。由于電感使用的實際電路過多，難以類舉。只有在空載情況下的測量加以解說。電感量的測量步驟如下：

（1）開啟電源，設備預熱15min。

（2）調節(jié)至L檔并選定所需測量的電感量。

（3）夾子互夾后復位清零。

（4）在電感兩端分別夾上夾子，讀取數值同時記錄電感量。

（5）重復（3）（4）步驟，多次記錄測量值。

（6）對測量值進行對比，若差異不大直接取均值;若差異較大，則需重復上述操作，直至取到電感理論值。

2.2.4 漏電感測量

在穿過次級線圈時，線圈所產生的磁力線不可能全部都能通過，未通過的磁通就稱之為漏感。漏感存在于任何一個變壓器中，但開關變壓器漏感對其電源性能的影響尤甚。鐵氧體磁芯材料的磁導率將隨著被使用次數的增加而下降，這種情況在高頻下更甚。因存在漏感，所以在斷開控制開關時將會產生對開關器件造成影響的反電動勢;同時，電路的分布電容和變壓器線圈分布電容與漏感還可以形成一個振蕩回路，導致電路在發(fā)生震蕩的同時，產生向外輻射的電磁能量，進而造成電磁干擾[6]。本設計中，利用變壓器短路試驗的方法來測試漏感。即將次級側短路，初級側加電壓至額定電流。在變壓器的T型等值模型中，初、次級漏抗接在串連支路中，勵磁阻抗接在并聯支路中。在做短路試驗時勵磁電流很小，一般為額定電流的3%，故可將勵磁阻抗支路忽略。變壓器模型簡化稱出，次級漏抗串連模型。由于次級短路，故初級側外施電壓除以電流即為該變壓器的漏抗。在額定電流下的電壓除以額定電壓稱為該變壓器的短路電壓百分數。只需要用MCU控制外設并采集變壓器初級側的電壓電流參數經過計算就可以得到變壓器的漏感。

2.2.5 飽和電流測量

利用電學原理中的阻抗三角形或電壓三角形法，在所測電感和電阻組成的串連電路兩端逐步加大交流電壓。分別測出總電壓、電阻的端電壓和電感的端電壓。這是一個直角三角形。在線性情況下和飽和情況下，阻抗三角形的角度都不會發(fā)生什么明顯的變化[7]。所以在變化大的范圍內不妨多測幾點，就可以找出電感的飽和點或臨界的區(qū)域，此時電阻的端電壓除以電阻就是對應的飽和電流了。

2.2.6 B-H曲線

磁化曲線是表示物質中的磁場強度H與所感應的磁感應強度B之間的關系。用圖形來表示某種鐵磁材料在磁化過程中磁感強度B與磁場強度H之間關系的一種曲線，又叫B-H曲線，如圖2所示。

這種曲線可以通過實驗方法測得。B與H之間存在著非線性關系。當H逐漸增大時，B也增加，但上升緩慢。當H繼續(xù)增大時，B急驟增加，幾乎成直線上升，當H進一步增大時，B的增加又變得緩慢，到達某一點時，H值即使再增加，B卻幾乎不再增加，即達到了飽和。不同的鐵磁材料有著不同的磁化曲線，其B的飽和值也不相同。但同一種材料，其B的飽和值是一定的。變壓器的B-H曲線可由MCU配合運算放大器計算得出。

3 結語

本項目設計開發(fā)的是專門用于測量開關電源變壓器參數的教學儀器，一方面可以彌補國內市場的不足，另一方面，將其應用于學校實踐教學，為學生創(chuàng)設更好的教學條件，幫助學生盡快掌握開關電源相關原理和測試技術。

參考文獻

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