一种隔离调压式交流电源的设计制作

摘要：针对电子仪器设备在线试验和自耦调压器使用中出现的用电不安全问题，提出了一种“隔离调压式交流电源”设计与制作方法，给出了原理和设计功能指标，确定了器件(部件)与结构优化组成，通过制作实验和对功能参数的测试，达到了设计要求，并具有很好的安全性。
关键词：隔离；调压；交流电源；安全

交流电源(如单相220 V)，是电子仪器设备工作主要的供电电源。在电子仪器设备设计、生产与质量检验过程中，特别是进行结构、性能指标的动态检验中，会因为被检测仪器设备内部存在的不良问题而产生漏电、短路等故障。在利用自耦调压器进行相关实验中，由于接线不正确，使用不合理，也会出现“被电”现象。上述情况，如果没有很好保护方法和措施，导致被检测仪器设备和所使用检测设备被“触电”而被损坏，同时也给试验、操作使用人员带来人身危险。为此，文中研究了一种“隔离调压式交流电源”，提出了相应设计与制作方法，对于解决上述类似不安全问题，具有重要作用。

1 原理设计
文中以稳压电源设备进行“在线模拟公路运输试验”为例，来说明“隔离调压式交流电源”设计的原理。稳压电源设备是以单相220 V交流电作为供电电源，直流稳压输出+22 V，最大输出功率220 W(22 V，10 A)，对其进行在线模拟公路运输试验，就是在模拟振动试验台上进行带电试验，从而模拟检验运输状态下的技术性能与安装质量。
1．1 功能指标设计
分析可知，稳压电源设备工作所需用供给电源是单相220 V／50 Hz交流电，并且要求输入的功率大于220 W。由于稳压电源设备的直流稳压性能要求比较高，因而对单相220 W50Hz交流电变化的适应能力比较强，要求变化在180～260 V范围内。同时考虑到使用自耦调压器的安全要求，在保证试验、保证安全的情况下，给“隔离调压式交流电源”设计提出了以下功能与技术指标要求：
1)分别提供220 V／50 Hz交流市电电源和可调的交流电源；
2)输出的220 V／50 Hz交流市电，功率≥1 000 W；
3)输出的可调交流电压范围为0～260V；输出功率≥300W；
4)具有输入电压、输出电压指示和输出电流显示；
5)要求具有漏电、过载保护功能；
6)输入、输出插头、插座安装固定牢靠。
1．2 原理设计
按照“隔离调压式交流电源”设计提出的功能与技术指标要求，设计原理如图1所示。基本原理：单相市电220 V／50 HZ电源，经漏电保护器、电源开关S1、保险丝接至自耦调压器B1输入端，又通过调节端输出到隔离变压器B2输入端；B2匝数比为1：1，则输出与输入相同的电压；然后经电流表输出到负载RFZ。电压表通过开关S2转换显示输入、输出电压。同时在原理电路中加入了漏电保护器。

电源开关S1的作用是控制两路交流电源的输出。当S1接至上端，“隔离调压式交流电源”输出市电；当S1接至下端，则输出可调0～260 V的交流电压。离变压器B2，实现输出可调电压与输入市电电源绝缘隔离；通过调节自耦变压器B1达到调节输出电压的目的。C1选择容值0.47 μF，耐压500V主要是为了滤除调整B1时产生的高频干扰谐波。
1．3 安全分析
保险丝加在了“隔离调压式交流电源”自耦调压器的输入端，根据输出功率大小，选定合适规格的保险丝；当负载过大时，保险丝熔断，达到保护试验设备的目的。
采用匝数比为1：1的变压器，实现与单相市电的绝缘隔离；制作合适的变压器，并且初次级绝缘强度高，即满足输出功率要求，又能够避免由于火线、零线、地线接错而带来的不安全问题。
运用漏电保护器，实现漏电保护；当试验中由于仪器设备出现故障，或人员操作不当发生漏电、触电问题时，漏电保护器及时工作，断开市电电源，以保证仪器设备及试验人员的安全。
“隔离调压式交流电源”设计中，具有上述3种安全措施，既保证有效进行试验，又增强了试验过程的安全性。

2 器件设计与选用
按照“隔离调压式交流电源”设计指标与功能要求，主要以输出可调交流电压的原理为主，研究设计和选用器件，为了保证性能和质量，针对所用器件做出以下设计与选择。
2．1 隔离变压器
变压器：它在电力系统中的重要作用是变换电压，以利于功率传输。变压器在磁通的作用下，两侧的线圈分别产生感应电势，电势的大小与匝数成正比。变压器原、副线圈匝数不同，这样就起到了变压作用。

隔离变压器B2设计结构原理如图1、图2所示，匝数比为1：1，E型硅钢铁芯，初次级线圈之间加隔离层并接地，初、次级线圈与接地端的绝缘电阻≥1．5 MΩ；输出功率≥300 W。设计制作的B2，通过试验其性能参数如表1所示。可见，能够满足设计使用要求。

2．2 自耦调压器
自耦调压器是常用调压器的一种，其原理和自耦变压器原理相同。自耦调压器和动圈调压器、变磁通调压器和感应调压器相比，具有结构简单、故障率低、体积小、造价低、使用方便等优点，这正是“隔离调压式交流电源”选用自耦调压器的主要原因。当B1接入市电220 V后，U12=220 V，使用调节旋钮，使U32输出交流电电压在0～260 V范围内。根据输出功率300 W的要求，选择B1的功率≥500 W。综合考虑“隔离调压式交流电源”的体积、功率等要求，选择了B1为TDG2型接触式自耦调压器，其参数有：输出功率500 W；调压范围0～275 V。
2．3 漏电保护器
漏电保护器是一种防止人身触电事故的安全防护装置，当电路中发生漏电或触电时，可以在很短时间内切断整个电路。
1)漏电保护器的基本工作原理
如图3所示，当负载发生漏电故障时，电流通过大地形成回路，负载侧对大地形成泄漏电流，穿过零序电流互感器CT的电流的矢量和不等于零。零序电流互感器CT感应出一个零序电流，当零序电流达到整定值，经放大器FA放大后驱动跳闸线圈Q，线圈Q通电产生磁场，吸动衔铁使开关K断开，线路及电器失去电源，从而保护了人身和电气设备的安全。

漏电保护器，有两种类型：即电压动作型和电流动作型，而电压动作型由于自身的种种弊端而被淘汰，现主要应用是以电流动作型漏电保护器为主。
2)漏电保护器设计选择
针对“隔离调压式交流电源”功能要求和使用对象，依据额定电流In、额定漏电动作电流I△n、漏电动作分断时间动作时间、额定漏电不动作电流I△n0等参数进行设计选择。
额定电流In。指能够持续流过漏电保护器的最大负载电流。这需要根据试验设备的功率之和Po来计算确定，即：In=Po／220。因为设计要求Po输出≥300 W，所以选择漏电保护器的额定电流In≥1．36 A。计算电流略大一点的漏电保护器，这样，在正常使用中，不至于漏电保护器因过负荷经常动作，影响正常使用。
额定漏电动作电流I△n。是漏电保护器一个重要的参数，是漏电保护器在规定的工作条件下必须动作的漏电电流值。当试验设备或漏电电流达到某一规定值时，漏电保护器必须可靠断开电路，使试验电器设备失去电源。一般情况下，应选择漏电电流为30 mA的高灵敏度型的漏电保护器。
漏电动作分断时间动作时间。是从突然施加漏电动作电流开始到被保护的电路或设备完全被切断电源为止。漏电保护器的动作时间可分为3种，以保证在人身触电时的安全保护作用和适应分级保护的需要。快速型：动作时间不超过0．1 s。定时限型：动作时间不超过0．1～2 s。反时限型：动作电流时，动作时间不超过1 s；2倍动作电流时，动作时间不超过0．2 s；5倍动作电流时，动作时间不超过0．03 s。在选择漏电保护器时，自然以安全为主，应当选用快速型、动作时间不超过0．1 s的漏电保护器。
额定漏电不动作电流I△n0。漏电保护器选择，应保证在电路中出现规定值的漏电电流时应该保证正常动作，也应该在故障电流没有达到规定值，保证不动作。为此，漏电保护器的I△n0≯30 mA。
综上述分析设计，选择型号为DZ47LE-32漏电保护器，技术参数为：额定电流In=10 A；I△n=30 mA；动作时间t≤0．1 s；能够满足设计要求。

3 结构设计
根据“隔离调压式交流电源”工作原理，其结构设计有两种：按图1所示，漏电保护器设计在电源输入端的最前端，能够实现一旦发生漏电问题，能够及时断开输入市电电源。保险丝安装在次后，一旦试验设备发生过载，或出现短路问题，及时熔断，切断市电火线(L)通路。再之后接入自耦调压器和隔离变压器。而两种结构的区别在于第一种结构是自耦调压器在隔离变压器的前端；第二种结构是隔离变压器在自耦调压器的前端。由于自耦调压器、隔离变压器在通电时自身都消耗功率，通过实验得出自耦调压器空载功率消耗33 W，隔离变压器空载功率消耗15．4 W；在两种结构输出效率基本相同条件下，选择第一种结构比较合理，即图1所示结构；因为选择的自耦调压器输出功率及效率大于隔离变压器的输出功率和效率，能够减小结构的功率消耗和隔离变压器输出功率的压力。
输入、输出电压和输出电流都通过电表指示，安装在面板上；保险丝、漏电保护器等器件设计安装在便于维修、操作的位置。特别是输入、输出的接线插头、插座，采用良好的固定方法、工艺，使之接触良好、牢靠。

4 实验验证
“隔离调压式交流电源”设计的原理、器件选用和结构，是否科学合理，能否达到设计性能指标要求，必须通过实验加以验证。为此，将DZ47LE-32漏电保护器、保险丝(1．5A)、TDGG2型自耦调压器、300 W隔离变压器和有关指示电表等，进行组装测试。
首先将自耦凋压器与隔离变压器组装在一起，市电220 V交流电接在自耦调压器的输入端，输出端接隔离变压器的输入端，隔离变压器的输出端接入300 W的阻性负载；测试的输出电压调节范围、输出功率、效率和部件工作温度等参数如表2所示。再将漏电保护器、保险丝接入电路中，测试的漏电动作电流、保险丝熔断负载功率(熔断电流)数据如表2所示。

通过实验验证，设计原理、器件的设计选用，达到了“隔离调压式交流电源”设计功能指标要求，同时对部件安装结构进行了优化，减小了功率损耗，增强了可靠性。

5 结束语
“隔离调压式交流电源”设计与制作，主要目的是解决电子仪器设备在设计生产、质量检验和自耦调压器使用过程中的不安全问题。根据自耦调压器、隔离变压器的功用特点和漏电保护器原理，进行了功能指标设计和器件(部件)、结构优化设计，并加以制作实验；通过对功能参数的测试，达到了设计要求，并具有很好的安全性。