開關(guān)電源變壓器參數(shù)測(cè)試儀研究

劉亞雄　蘇明　郭亞妮　魏雅婷

[摘? ? 要]現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)工科類高校、高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院依舊以傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源課題教學(xué)為主，極少數(shù)學(xué)校在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、公選課程涉及開關(guān)電源相關(guān)知識(shí)，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件限制，教學(xué)效果很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。學(xué)校作為技能型人才的培育基地，要想培養(yǎng)出適合時(shí)代職業(yè)特點(diǎn)的技術(shù)與技能型人才，專用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是有效開展實(shí)踐教學(xué)的前提和保障。因此，亟待設(shè)計(jì)開發(fā)一款可直接用于學(xué)校實(shí)踐教學(xué)、 專門用于測(cè)量開關(guān)電源變壓器參數(shù)的儀器。

[關(guān)鍵詞]開關(guān)電源變壓器;參數(shù);測(cè)試儀

[中圖分類號(hào)]TM433 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(guān)電源由于其體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在科研、生產(chǎn)、和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，近年來，開關(guān)電源越來越智能、小型、輕便，可以預(yù)測(cè)今后電源行業(yè)輕薄小型開關(guān)的產(chǎn)值所占比重將持續(xù)增加。在電源的研發(fā)、生產(chǎn)過程中，電源的功能和性能指標(biāo)能否滿足用戶的使用要求，是生產(chǎn)廠商和用戶最關(guān)注的焦點(diǎn)問題。變壓器對(duì)于開關(guān)電源性能的影響非常大，因此準(zhǔn)確測(cè)量變壓器的參數(shù)，對(duì)電源的研發(fā)、生產(chǎn)具有重要意義。

1 開關(guān)電源變壓器參數(shù)測(cè)試儀概述

1.1 研發(fā)目的

通過對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)開關(guān)電源變壓器參數(shù)測(cè)試設(shè)備的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有變壓器生產(chǎn)廠家的測(cè)試設(shè)備，是附加在產(chǎn)品生產(chǎn)線上的，僅能檢測(cè)部分指標(biāo)參數(shù);另一類由專業(yè)實(shí)驗(yàn)室組裝的成套設(shè)備價(jià)格昂貴、體積龐大、操作邏輯復(fù)雜，綜上所述目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)尚未發(fā)現(xiàn)該參數(shù)專用測(cè)試設(shè)備。

1.2 開關(guān)電源變壓器參數(shù)測(cè)試儀工作原理

兼顧理論和實(shí)踐需求，設(shè)計(jì)開發(fā)一款專門用于測(cè)量開關(guān)電源變壓器參數(shù)的儀器，該儀器能用于快速測(cè)量開關(guān)電源變壓器的飽和電流、原邊電感，漏電感，匝數(shù)比，磁化曲線等參數(shù)，以圖形或數(shù)據(jù)方式顯示于液晶屏上。通過所測(cè)試到的參數(shù)可以精確的設(shè)定開關(guān)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(cè)試結(jié)果顯示直觀、易于操作、便于攜帶，且外觀風(fēng)格接近實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器，能夠適用于教學(xué)、試驗(yàn)等多樣化的場(chǎng)合。該測(cè)試儀的制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、便于批量生產(chǎn)。測(cè)試儀具有以下測(cè)試功能：

（1）測(cè)量（開關(guān)）變壓器原邊電感，漏電感，飽和電流，顯示B-H曲線。

（2）測(cè)試匝比，同名端。

（3）指導(dǎo)工作區(qū)間選擇，指導(dǎo)磁隙調(diào)整（以測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)）。

1.3 測(cè)試儀特點(diǎn)

通過快速測(cè)量開關(guān)電源變壓器的飽和電流、原邊電感、磁化曲線等參數(shù)，以圖形或數(shù)據(jù)方式顯示于液晶屏上;所測(cè)參數(shù)可以精確的設(shè)定開關(guān)電源變壓器的合理工作區(qū)間，提高其工作效率;測(cè)試儀結(jié)合必要的測(cè)試電路，充分利用STM32控制器的PWM、AD＼DA、DMA等片內(nèi)資源，完成項(xiàng)目基本要求的激勵(lì)、掃描、檢測(cè)功能[2];利用RTOS系統(tǒng)、PID等算法技術(shù)，提高測(cè)試精度、速度、便于操作等性能參數(shù)，本測(cè)試儀具有測(cè)試結(jié)果顯示直觀、易于操作、便于攜帶，且外觀風(fēng)格接近實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器的特點(diǎn)，適用于教學(xué)、試驗(yàn)等多樣化的場(chǎng)合。

2 開關(guān)電源變壓器參數(shù)測(cè)試儀研究

2.1 方案設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)D/A輸出各種激勵(lì)信號(hào)，A/D采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)運(yùn)算，按要求以圖形和數(shù)據(jù)方式顯示在液晶屏上，屏上顯示系統(tǒng)初始主界面，使用者觸摸切換測(cè)試項(xiàng)目，單片機(jī)切換測(cè)試電路[3]。

（1）利用編程將測(cè)試到的數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算后以圖形和數(shù)據(jù)方式顯示。

（2）通過單片機(jī)D＼A輸出各種激勵(lì)信號(hào)。

（3）用戶對(duì)液晶屏進(jìn)行操作，相關(guān)指令傳送給單片機(jī)進(jìn)行電路切換，測(cè)試項(xiàng)目切換等功能。

（4）A/D采集數(shù)據(jù)信息并交給單片機(jī)處理。

（5）整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)，通過液晶屏反饋使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)功能，并將結(jié)果通過流程（3）提示給用戶或工作人員。

（6）系統(tǒng)的掃描功能，實(shí)現(xiàn)與主控單片機(jī)的實(shí)時(shí)交互。

2.2 儀器功能及測(cè)量方法

測(cè)量開關(guān)電源變壓器的飽和電流、原邊電感，漏電感，匝數(shù)比，磁化曲線等參數(shù)，具體測(cè)試方法如下。

2.2.1 匝比測(cè)量

根據(jù)變壓器的匝比數(shù)等于變壓器的初級(jí)與次級(jí)電壓比這一原理，通過在變壓器的初級(jí)加測(cè)試電壓，然后對(duì)其初級(jí)、次級(jí)電壓同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)MCU進(jìn)行判檔轉(zhuǎn)入相應(yīng)的檔位進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示。

2.2.2 同名端測(cè)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(fù)載連接。在變壓器的使用過程中，通常都會(huì)對(duì)繞組同名端進(jìn)行判別，常用的判別方法是實(shí)驗(yàn)法，主要有交流感應(yīng)和直流感應(yīng)2種方法。本項(xiàng)目中變壓器同名端的檢測(cè)方法是利用檢流計(jì)法測(cè)繞組同名端，如圖1所示，將一只檢流計(jì)和兩節(jié)干電池按照下圖連接，當(dāng)S閉合瞬間，U1（二次側(cè)自感電動(dòng)勢(shì)）端為正，若檢流計(jì)指針向右偏轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，則表明U1和U2互為異名端。為能夠有效降低能耗，干電池應(yīng)接在高壓繞組上，檢流計(jì)則應(yīng)接在低壓繞組上，以避免對(duì)檢流計(jì)造成嚴(yán)重沖擊。

2.2.3 原邊電感測(cè)量

電感測(cè)量的兩類儀器：RLC測(cè)量（電阻、電感、電容三種都可以測(cè)量）和電感測(cè)量?jī)x。

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

（1）開啟電源，設(shè)備預(yù)熱15min。

（2）調(diào)節(jié)至L檔并選定所需測(cè)量的電感量。

（3）夾子互夾后復(fù)位清零。

（4）在電感兩端分別夾上夾子，讀取數(shù)值同時(shí)記錄電感量。

（5）重復(fù)（3）（4）步驟，多次記錄測(cè)量值。

（6）對(duì)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，若差異不大直接取均值;若差異較大，則需重復(fù)上述操作，直至取到電感理論值。

2.2.4 漏電感測(cè)量

在穿過次級(jí)線圈時(shí)，線圈所產(chǎn)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(gè)變壓器中，但開關(guān)變壓器漏感對(duì)其電源性能的影響尤甚。鐵氧體磁芯材料的磁導(dǎo)率將隨著被使用次數(shù)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(guān)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生對(duì)開關(guān)器件造成影響的反電動(dòng)勢(shì);同時(shí)，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(gè)振蕩回路，導(dǎo)致電路在發(fā)生震蕩的同時(shí)，產(chǎn)生向外輻射的電磁能量，進(jìn)而造成電磁干擾[6]。本設(shè)計(jì)中，利用變壓器短路試驗(yàn)的方法來測(cè)試漏感。即將次級(jí)側(cè)短路，初級(jí)側(cè)加電壓至額定電流。在變壓器的T型等值模型中，初、次級(jí)漏抗接在串連支路中，勵(lì)磁阻抗接在并聯(lián)支路中。在做短路試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁電流很小，一般為額定電流的3%，故可將勵(lì)磁阻抗支路忽略。變壓器模型簡(jiǎn)化稱出，次級(jí)漏抗串連模型。由于次級(jí)短路，故初級(jí)側(cè)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?jǐn)?shù)。只需要用MCU控制外設(shè)并采集變壓器初級(jí)側(cè)的電壓電流參數(shù)經(jīng)過計(jì)算就可以得到變壓器的漏感。

2.2.5 飽和電流測(cè)量

利用電學(xué)原理中的阻抗三角形或電壓三角形法，在所測(cè)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(cè)出總電壓、電阻的端電壓和電感的端電壓。這是一個(gè)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(huì)發(fā)生什么明顯的變化[7]。所以在變化大的范圍內(nèi)不妨多測(cè)幾點(diǎn)，就可以找出電感的飽和點(diǎn)或臨界的區(qū)域，此時(shí)電阻的端電壓除以電阻就是對(duì)應(yīng)的飽和電流了。

2.2.6 B-H曲線

磁化曲線是表示物質(zhì)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系。用圖形來表示某種鐵磁材料在磁化過程中磁感強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間關(guān)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(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。B與H之間存在著非線性關(guān)系。當(dāng)H逐漸增大時(shí)，B也增加，但上升緩慢。當(dāng)H繼續(xù)增大時(shí)，B急驟增加，幾乎成直線上升，當(dāng)H進(jìn)一步增大時(shí)，B的增加又變得緩慢，到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)，H值即使再增加，B卻幾乎不再增加，即達(dá)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(yùn)算放大器計(jì)算得出。

3 結(jié)語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的是專門用于測(cè)量開關(guān)電源變壓器參數(shù)的教學(xué)儀器，一方面可以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的不足，另一方面，將其應(yīng)用于學(xué)校實(shí)踐教學(xué)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更好的教學(xué)條件，幫助學(xué)生盡快掌握開關(guān)電源相關(guān)原理和測(cè)試技術(shù)。

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