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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行在線模擬公路運輸試驗，就是在模擬振動試驗臺上進(jìn)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。基本原理：單相市電220 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
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(jìn)行試驗，又增強了試驗過程的安全性。
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
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。可見，能夠滿足設(shè)計使用要求。
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
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(jìn)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。快速型：動作時間不超過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(jìn)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)
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(jìn)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(jìn)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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