一種型號專用電源轉換器快速檢定系統(tǒng)的研制

閔忠，盧瑜，馬明康

(四川航天計量測試研究所，四川成都610100)

0 引言

依據(jù)Q/W 892A-2007《電源轉換器檢定規(guī)程》的要求，需檢定電源轉換器極性及工作正常性、電氣強度、絕緣電阻、拔出力等項目［1］。傳統(tǒng)方式是采用人工手動檢定，由于電源轉換器孔位多，且需在各極間轉換檢定相關項目，檢定所需時間長、效率低［2］。本文針對極性及工作正常性、電氣強度、絕緣電阻和拔出力四個主要檢定項目，設計型號專用電源轉換器快速檢定系統(tǒng)，以實現(xiàn)電源轉換器的快速自動檢定。

1 快速檢定系統(tǒng)原理和設計

型號專用電源轉換器快速檢定系統(tǒng)由拔出力檢定裝置和電參數(shù)檢定裝置組成，以實現(xiàn)電源轉換器極性及工作正常性、電氣強度、絕緣電阻、拔出力四個主要常規(guī)檢定項目的快速檢定，其它常規(guī)檢定項目如標志、外觀檢查和防誤插等采用目視法進行檢查。極性及工作正常性、電氣強度和絕緣電阻三個電參數(shù)檢定項目由計算機通過電參數(shù)檢定裝置中的多功能智能轉換開關實現(xiàn)自動檢定;拔出力檢定裝置由計算機控制，拔出力檢查結果和其它目視法檢定項目的結果通過人工錄入到系統(tǒng)軟件，檢定完成后自動處理檢定結果，并按規(guī)定格式生成原始記錄和證書報告。其原理框圖如圖1所示。

1.1 拔出力檢定裝置設計

拔出力檢定裝置依據(jù)規(guī)程規(guī)定的量規(guī)法原理進行設計，量規(guī)法規(guī)定使用特制量規(guī)(專用砝碼)對拔出力進行檢定，特制量規(guī)(專用砝碼)軸線垂直于插座表面。采用人工檢定時，需將插孔朝下，將特制量規(guī)(專用砝碼)插入插座，且將插座水平放置在支撐臺面上。本系統(tǒng)設計的拔出力檢定裝置對量規(guī)法進行了改進，設計符合規(guī)程要求的特制量規(guī)(專用砝碼)，利用電機驅動運動機構，實現(xiàn)特制量規(guī)的自動插入和拔出，且可按照電源轉換器的孔位數(shù)目同時進行插拔，同時進行單插銷最小拔出力和多插銷最大拔出力的檢定，免除人工插拔，提高了檢定效率。拔出力檢定裝置示意圖如圖2所示。

圖1 型號專用電源轉換器快速檢定系統(tǒng)原理框圖

圖2 拔出力檢定裝置示意圖

拔出力檢定裝置主要由基座、支撐機構、運動機構、安裝固定機構、電機及驅動、單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)等組成。步進電機轉動，帶動滾珠絲杠副轉動，使得整個運動機構實現(xiàn)向上和向下運動。

檢定時，計算機發(fā)出指令控制電機轉動，通過滾珠絲杠副傳動到運動機構，運動機構推動單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)向上運行，當運行到上限位緊固塊時，電機停止轉動，運動機構停留在該位置。然后，由檢定人員將被檢電源轉換器插入單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)的插頭內，利用安裝固定機構將電源轉換器固定在支撐面上。電機向下運行，拔出插頭，然后，電機再次向上運行，往返進行5 次插拔后。電機再次向下運行，當運行到單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)處于非受力狀態(tài)，電機暫停運動，30 s 后，如插頭未從插座內掉出，則單插銷最小拔出力合格。隨后，電機繼續(xù)向下運行，單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)與砝碼塊連接上后，插座上受力為多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)的重力，此時，插頭迅速從插座掉下，則多插銷拔出力合格，整個拔出力檢定過程結束。

1.2 電參數(shù)檢定裝置設計

電參數(shù)檢定裝置主要由耐壓測試儀GPI745A［3-4］(電氣強度測試儀器)、數(shù)字多用表2010［5］(極性及工作正常性測試儀器)、高阻計6517A［6］(絕緣電阻測試儀器)和多功能智能轉換開關組成。計算機通過IEEE488 接口分別控制數(shù)字多用表、耐壓測試儀和高阻計，實現(xiàn)上述三個項目的檢定。設計多功能智能轉換開關，通過轉換開關實現(xiàn)在電源轉換器的“L”，“N”，“E”和外殼間連線的自動轉換，不需要人工進行繁瑣的接線工作，從而實現(xiàn)電參數(shù)檢定項目的快速檢定。電參數(shù)檢定裝置原理框圖如圖1 左下方所示。

1)極性及工作正常性檢定要求電源轉換器上插頭的3 個插銷和每一個插座的3 個插座的極性必須滿足左邊為零線，右邊為火線和中間為地線的要求，電源轉換器插頭和每一個插座極性對應的插銷和插套之間可靠連接，導通電阻需小于0.5 Ω。

2)絕緣電阻檢定是測量“L”，“N”，“E”和外殼間的絕緣電阻是否大于500 MΩ，大于則合格。

3)電氣強度檢定是測試“L”，“N”，“E”和外殼間的抗電性能是否合格。

2 關鍵技術

為提高系統(tǒng)的自動化程度，實現(xiàn)快速檢定的目的，著重解決了拔出力檢定裝置機械設計和多功能智能轉換開關設計技術。

2.1 拔出力檢定裝置機械設計

拔出力檢定裝置設計的關鍵在于對規(guī)程中的量規(guī)法進行了革新，將電機驅動技術與量規(guī)法檢定原理相結合，合理巧妙地設計支撐機構和運動機構。支撐機構固定在基座上，運動機構與支撐機構采用同軸套筒的形式，即運動機構的運動軸套在支撐軸外。分別使用上下限位緊固塊進行限位，以控制上下的總行程，限位緊固塊的位置可調整，方便調試和使用。在限位緊固塊和運動機構間使用彈簧支撐，使得支撐和運行機構間運動平滑穩(wěn)定，并且對共計重達300 N 的特制量規(guī)(專用砝碼)同時掉下起到有效的緩沖作用。

運動機構需帶動拔出力特制量規(guī)(專用砝碼)實現(xiàn)插拔操作，還需確保單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)在檢定時垂直向下，并且與運動機構不能有任何受力。為此，運動機構的設計有以下兩個關鍵點:

1)單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)與運動機構的傳力部分設計為倒圓錐形。倒圓錐形使得插頭需要插入插座時，可通過倒圓錐形的上部傳力，實現(xiàn)插入的動作。當插頭插入插座后，運動機構向下運行很小的距離，運動機構與圓錐上面部分脫離，而圓錐下部由于體積小，與運動機構沒有任何接觸，確保了電源轉換器插座承受的力只有單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)自身的重力。

2)為了實現(xiàn)單插銷最小拔出力和多插銷最大拔出力的快速檢定，避免更換最小拔出力和最大拔出力特制量規(guī)(專用砝碼)。系統(tǒng)設計的多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)由單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和下端放置在運動機構上的砝碼塊組成。因此，需要實現(xiàn)單插銷拔出力量規(guī)在檢定最小拔出力時與下面的砝碼塊處于非受力狀態(tài)。系統(tǒng)設計了一套專用的聯(lián)接軸，空心圓柱體工件和螺母工件組成。空心圓柱體固定在砝碼塊上，圓柱體上部設計一圓孔，圓柱體與單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)的聯(lián)接通過一個類似螺母的工件，螺母穿過圓孔固定在單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)上。插頭插入插座后，螺母與圓柱體不接觸，插座受力只有單插銷最小拔出力。當電機向下運行，螺母和圓柱體接觸并受力，使得插座受力為單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)與砝碼塊的重力相加，等于規(guī)程所要求的多插銷拔出力力值。

特制量規(guī)(專用砝碼)的設計是拔出力檢定裝置的另一個難點。由于受電源轉換器孔位間的尺寸限制，需要準確計算不規(guī)則工件的重量，且能夠像砝碼一樣對重量進行適當調整。多插銷量規(guī)(專用砝碼)采用了中空的機構，采用密度很大的鉛作為填充物，且易于調整其重量。單插銷量規(guī)(專用砝碼)也可在連接處通過注入或取出鉛進行重量微調。

2.2 多功能智能轉換開關設計

系統(tǒng)檢定極性及工作正常性、電氣強度和絕緣電阻三個主要常規(guī)檢定項目，需要在“L”，“N”，“E”和外殼間轉換，采用人工接線費時費力。以對6 個孔位電源轉換器進行極性及工作正常性檢定為例，需要進行48 次接線。由于檢定上述三個項目，需測量電阻很小的導通電阻，又需要測量超過數(shù)百兆的高值電阻，還需要通過高達兩千伏的電壓，市購的轉換開關無法滿足。為此，系統(tǒng)設計了專用的多功能智能轉換開關，實現(xiàn)在“L”，“N”，“E”以及外殼間自動切換。通過利用轉換開關，檢定一個6 孔位的電源轉換器導通電阻只需插拔6 次即可。

檢定極性及工作正常性時，將插頭直接插入插座，通過電磁繼電器分別選通插頭和插座的“L”，“N”和“E”極進行導通電阻測量。為了接線簡單快捷，實現(xiàn)快速檢定，采用兩線式接線。為了避免電磁繼電器的接觸電阻引入誤差，使用接觸導通電阻重復性好的電磁繼電器，對其引入的電阻通過軟件加以修正，并對修正值定期進行核驗。極性及工作正常性檢定選通原理圖如圖3所示。

圖3 極性及工作正常性檢定選通原理圖

繼電器1 和繼電器4 通，選通插頭L 和插座L，測量之間的導通電阻;繼電器2 和繼電器5 通，選通插頭N 和插座N;繼電器3 和繼電器6 通，選通插頭E 和插座E。

為了通過2 kV 的高電壓，系統(tǒng)選用了真空繼電器作為選通開關。由于測量絕緣電阻的原理也是施加數(shù)百伏的電壓在被測物上，通過測量電流再計算出相應的電阻值。因此，電氣強度檢定和絕緣電阻檢定可以共用選通電路。系統(tǒng)設計時，為避免電氣強度檢定和絕緣電阻檢定間的相互影響，增加了兩只真空繼電器分別選通耐壓測試儀GPI745A 和高阻計6517A 的正負極。真空繼電器所需的驅動電流約150 mA，電壓為24 V，系統(tǒng)采用了繼電器二級選通的方式，首先選通電磁繼電器，再由電磁繼電器選通相對應的真空繼電器。原理圖如圖4所示。

圖4 電氣強度和絕緣電阻檢定選通原理圖

由于耐壓測試儀器和絕緣測試儀器的技術指標都高于規(guī)程要求的3 倍以上，且測試的電壓高達2 kV，測試電阻最小達數(shù)百兆，因此，轉換開關及其引線的影響可不予考慮。但檢定規(guī)程要求導通電阻小于0.5 Ω，因此繼電器導通的接觸電阻和連接線引入的電阻將影響檢定結果。為此，將測量端分別短接，測出引入電阻的值，使用平均值對測量結果進行修正。引入電阻測量值見表1。

表1 轉換開關引入電阻值

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序是人機交互的界面，依據(jù)檢定規(guī)程進行設計，突出自動、快速、智能的特點，操作簡單方便，可在主界面下完成一次檢定的全部操作。主程序流程圖如圖5所示。

3.2 電參數(shù)檢定軟件

極性及工作正常性、電氣強度和絕緣電阻三個檢定項目，由計算機通過GPIB 接口卡控制數(shù)字多用表、耐壓測試儀和高阻計進行檢定，每臺儀器設定不同的GPIB 地址，分別為21，23，22。三個檢定項目的流程基本相似，以極性及工作正常性為例，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4 試驗驗證

系統(tǒng)用于快速檢定型號專用電源轉換器，試驗驗證主要有兩方面，一是檢定所需花費的時間，二是人工檢定與使用檢定系統(tǒng)檢定結果的比較驗證。人工檢定一只型號專用電源轉換器的時間約80 min，而采用快速檢定系統(tǒng)進行檢定，不足20 min 即可完成，且降低了勞動強度，提高了檢定效率。

圖6 極性及工作正常性檢定流程圖

在滿足規(guī)程要求的環(huán)境條件下，使用相同的測試設備，對同一只型號專用電源轉換器，分別采用人工和快速檢定系統(tǒng)進行5 次檢定。兩種方式5 次檢定所有檢定項目均合格。本文將具有測試數(shù)據(jù)的導通電阻和絕緣電阻的部分檢定結果進行驗證，表2 是對導通電阻檢定數(shù)據(jù)的驗證，表3 給出了絕緣電阻檢定數(shù)據(jù)驗證。

表2 導通電阻檢定數(shù)據(jù)驗證

表3 絕緣電阻檢定數(shù)據(jù)驗證

表2 和表3 的檢定數(shù)據(jù)表明，人工檢定與本文設計的快速檢定系統(tǒng)檢定的數(shù)據(jù)基本相同，系統(tǒng)檢定數(shù)據(jù)重復性略優(yōu)于人工檢定數(shù)據(jù)，符合規(guī)程的要求。

5 結論

在研制的電源轉換器快速檢定系統(tǒng)中，設計了專用拔出力檢定裝置，可同時對多個孔位進行單插銷最小拔出力和多插銷最大拔出力的檢定;設計了多功能智能轉換開關，實現(xiàn)對極性及工作正常性、電氣強度和絕緣電阻等主要檢定項目進行自動檢定的轉換功能;對采用目視法檢定的項目，檢定結果由人工錄入系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)自動處理檢定結果，并按規(guī)定格式自動出具原始記錄和證書報告。通過試驗驗證，人工檢定和系統(tǒng)檢定的數(shù)據(jù)基本相同，所研制的檢定系統(tǒng)實現(xiàn)了對型號專用電源轉換器的快速檢定。

［1］Q/W 892A-2007 電源轉換器檢定規(guī)程［S］.

［2］弓振宇，仲志新，吳小華.航空電源轉換器功能檢測系統(tǒng)軟硬件設計［J］.計測技術，2005，25(4):49-51.

［3］GPI/GPT SERIES PROGRAMMABLE EST PROGRAMMER MANUAL［M/OL］.［2012-12-20］.http://www.docin.com/p-55434489.html.

［4］電子安規(guī)測試器使用手冊［M/OL］.［2012-12-20］.http://www.docin.com/p-96578360.html.

［5］Keithley Instrument Inc.Model 2010 Multimeter User's Manual［Z］.Fifth Printing.2003.

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