一種隔離調壓式交流電源的設計制作

董振旗，于江偉，翟凱波，趙巍輝

（第二炮兵工程大學 陜西 西安 710025）

交流電源（如單相220 V），是電子儀器設備工作主要的供電電源。在電子儀器設備設計、生產與質量檢驗過程中，特別是進行結構、性能指標的動態檢驗中，會因為被檢測儀器設備內部存在的不良問題而產生漏電、短路等故障。在利用自耦調壓器進行相關實驗中，由于接線不正確，使用不合理，也會出現“被電”現象。上述情況，如果沒有很好保護方法和措施，導致被檢測儀器設備和所使用檢測設備被“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“隔離調壓式交流電源”，提出了相應設計與制作方法，對于解決上述類似不安全問題，具有重要作用。

1 原理設計

文中以穩壓電源設備進行 “在線模擬公路運輸試驗”為例，來說明“隔離調壓式交流電源”設計的原理。穩壓電源設備是以單相220 V交流電作為供電電源，直流穩壓輸出+22 V，最大輸出功率220 W（22 V，10 A），對其進行在線模擬公路運輸試驗，就是在模擬振動試驗臺上進行帶電試驗，從而模擬檢驗運輸狀態下的技術性能與安裝質量。

1.1 功能指標設計

分析可知，穩壓電源設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。由于穩壓電源設備的直流穩壓性能要求比較高，因而對單相220 V/50 H0z交流電變化的適應能力比較強，要求變化在180～260 V范圍內。同時考慮到使用自耦調壓器的安全要求，在保證試驗、保證安全的情況下，給“隔離調壓式交流電源”設計提出了以下功能與技術指標要求：

1）分別提供220 V/50 Hz交流市電電源和可調的交流電源；

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 原理設計

按照“隔離調壓式交流電源”設計提出的功能與技術指標要求，設計原理如圖1所示。基本原理：單相市電220 V/50 HZ電源，經漏電保護器、電源開關S1、保險絲接至自耦調壓器B1輸入端，又通過調節端輸出到隔離變壓器B2輸入端；B2匝數比為1:1，則輸出與輸入相同的電壓；然后經電流表輸出到負載RFZ。電壓表通過開關S2轉換顯示輸入、輸出電壓。同時在原理電路中加入了漏電保護器。

電源開關S1的作用是控制兩路交流電源的輸出。當S1接至上端，“隔離調壓式交流電源”輸出市電；當S1接至下端，則輸出可調0～260 V的交流電壓。離變壓器B2，實現輸出可調電壓與輸入市電電源絕緣隔離；通過調節自耦變壓器B1達到調節輸出電壓的目的。C1選擇容值0.47 μF，耐壓500 V主要是為了濾除調整B1時產生的高頻干擾諧波。

圖1 隔離調壓式交流電源原理圖Fig.1 Schematic of solation voltage regulation AC power

1.3 安全分析

保險絲加在了“隔離調壓式交流電源”自耦調壓器的輸入端，根據輸出功率大小，選定合適規格的保險絲；當負載過大時，保險絲熔斷，達到保護試驗設備的目的。

采用匝數比為1:1的變壓器，實現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，實現漏電保護；當試驗中由于儀器設備出現故障，或人員操作不當發生漏電、觸電問題時，漏電保護器及時工作，斷開市電電源，以保證儀器設備及試驗人員的安全。

“隔離調壓式交流電源”設計中，具有上述3種安全措施，既保證有效進行試驗，又增強了試驗過程的安全性。

2 器件設計與選用

按照“隔離調壓式交流電源”設計指標與功能要求，主要以輸出可調交流電壓的原理為主，研究設計和選用器件，為了保證性能和質量，針對所用器件做出以下設計與選擇。

2.1 隔離變壓器

變壓器：它在電力系統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，兩側的線圈分別產生感應電勢，電勢的大小與匝數成正比。變壓器原、副線圈匝數不同，這樣就起到了變壓作用[1]。

隔離變壓器B2設計結構原理如圖1、圖2所示，匝數比為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。設計制作的B2，通過試驗其性能參數如表1所示。可見，能夠滿足設計使用要求。

表1 隔離變壓器B2性能參數Tab.1 Solation voltage B2performance parameters

2.2 自耦調壓器

自耦調壓器是常用調壓器的一種，其原理和自耦變壓器原理相同[2]。自耦調壓器和動圈調壓器、變磁通調壓器和感應調壓器相比，具有結構簡單、故障率低、體積小、造價低、使用方便等優點[3]，這正是“隔離調壓式交流電源”選用自耦調壓器的主要原因。當B1接入市電220 V后，U12=220 V，使用調節旋鈕，使U32輸出交流電電壓在0～260 V范圍內。根據輸出功率300 W的要求，選擇B1的功率≥500 W。綜合考慮“隔離調壓式交流電源”的體積、功率等要求，選擇了B1為TDGG2型接觸式自耦調壓器，其參數有：輸出功率500 W；調壓范圍 0～275 V。

圖2 自耦調壓器原理Fig.2 Schematic of autotransformer usage

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，當電路中發生漏電或觸電時，可以在很短時間內切斷整個電路[4]。

1）漏電保護器的基本工作原理

如圖3所示，當負載發生漏電故障時，電流通過大地形成回路，負載側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感應出一個零序電流，當零序電流達到整定值，經放大器FA放大后驅動跳閘線圈Q，線圈Q通電產生磁場，吸動銜鐵使開關K斷開，線路及電器失去電源，從而保護了人身和電氣設備的安全。

圖3 漏電保護器結構原理Fig.3 Structural principle of the leakage protection

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，現主要應用是以電流動作型漏電保護器為主[5]。

2）漏電保護器設計選擇

針對“隔離調壓式交流電源”功能要求和使用對象，依據額定電流In、額定漏電動作電流I△n、漏電動作分斷時間動作時間、額定漏電不動作電流I△n0等參數進行設計選擇。

額定電流In。指能夠持續流過漏電保護器的最大負載電流。這需要根據試驗設備的功率之和Po來計算確定，即：In=Po/220。因為設計要求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荷經常動作，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，是漏電保護器在規定的工作條件下必須動作的漏電電流值。當試驗設備或漏電電流達到某一規定值時，漏電保護器必須可靠斷開電路，使試驗電器設備失去電源。一般情況下，應選擇漏電電流為30 mA的高靈敏度型的漏電保護器[6]。

漏電動作分斷時間動作時間。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，應當選用快速型、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，應保證在電路中出現規定值的漏電電流時應該保證正常動作，也應該在故障電流沒有達到規定值，保證不動作。為此，漏電保護器的I△n0≯30 mA。

綜上述分析設計，選擇型號為DZ47LE-32漏電保護器，技術參數為：額定電流 In=10 A；I△n=30 mA；動作時間 t≤0.1 s；能夠滿足設計要求。

3 結構設計

根據“隔離調壓式交流電源”工作原理，其結構設計有兩種：按圖1所示，漏電保護器設計在電源輸入端的最前端，能夠實現一旦發生漏電問題，能夠及時斷開輸入市電電源。保險絲安裝在次后，一旦試驗設備發生過載，或出現短路問題，及時熔斷，切斷市電火線（L）通路。再之后接入自耦調壓器和隔離變壓器。而兩種結構的區別在于第一種結構是自耦調壓器在隔離變壓器的前端；第二種結構是隔離變壓器在自耦調壓器的前端。由于自耦調壓器、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；在兩種結構輸出效率基本相同條件下，選擇第一種結構比較合理，即圖1所示結構；因為選擇的自耦調壓器輸出功率及效率大于隔離變壓器的輸出功率和效率，能夠減小結構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

“隔離調壓式交流電源”設計的原理、器件選用和結構，是否科學合理，能否達到設計性能指標要求，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型自耦調壓器、300 W隔離變壓器和有關指示電表等，進行組裝測試。

首先將自耦調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的阻性負載；測試的輸出電壓調節范圍、輸出功率、效率和部件工作溫度等參數如表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、保險絲熔斷負載功率（熔斷電流）數據如表2所示。

表2 “隔離調壓式交流電源”實驗測試參數Tab.2 Experimental parameter tested by isolation voltage regulation AC power

通過實驗驗證，設計原理、器件的設計選用，達到了“隔離調壓式交流電源”設計功能指標要求，同時對部件安裝結構進行了優化，減小了功率損耗，增強了可靠性。

5 結束語

“隔離調壓式交流電源”設計與制作，主要目的是解決電子儀器設備在設計生產、質量檢驗和自耦調壓器使用過程中的不安全問題。根據自耦調壓器、隔離變壓器的功用特點和漏電保護器原理，進行了功能指標設計和器件（部件）、結構優化設計，并加以制作實驗；通過對功能參數的測試，達到了設計要求，并具有很好的安全性。

參考資料：

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[3]崔秀卿.巧用自耦調壓器[J].物理實驗，2000（2）:34-35.CUI Xiu-qing.The using of autotransformer usage[J].Physics Experimentation，2000（2）:34-35.

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[5]沈興云.漏電保護器的選用及其它 [J].四川建筑，2004（3）:88-89.SHEN Xing-yun.The choice of leakage protection[J].Sichuan Architecture，2004（3）:88-89.

[6]高長璧.淺談漏電保護器的選用和安裝[J].中小企業管理與科技，2010（33）:307.GAO Chang-bi.Research on the selection and installation of leakage protection[J].Management and Technology of SME，2010（33）:307.