CN105811781A - 一种高压恒压信号源 - Google Patents

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Abstract

一种高压恒压信号源，包括PWM脉宽调制单元、脉冲变压器、倍压整流单元、反馈单元、放电单元及相关的控制电路。本发明具有体积小、重量轻、功耗低、精度高等优点，同时具有20 GΩ的强负载能力且电压沦陷值低。主要功能是利用15V低压完成为电动机绝缘检测装置提供500V或1000V的恒压源，以满足对低压电动机绝缘自动化监控与保护装置的要求。

Description

一种高压恒压信号源
技术领域
本发明属于电源技术领域，涉及一种利用15V低压完成为电动机绝缘检测装置提供500V或1000V的恒压源。
背景技术
目前已有技术的低压电动机绝缘检测缺少体积小、功耗低、精度高、负载能力强的电源装置。
发明内容
本发明的目的是提供一款体积小、重量轻、低功耗、高精度的高压恒压信号源，利用15V低压完成为电动机绝缘检测装置提供500V或1000V的恒压源，能安装在低压配电柜或部分抽屉柜内狭小空间里，以满足对低压电动机绝缘自动化监控与保护。
发明的技术方案：
一种高压恒压信号源，包括总电源、PWM脉宽调制单元、脉冲变压器、倍压整流单元、反馈单元及放电单元。其电路组成包括：
（1）PWM脉宽调制电路：管脚5、6脚外接振荡电阻R13、电容C9，采用13脚接地的单端应用方式，7脚是电源地，12脚是正极电源输入端接7～40V；从内部三极管的集电极输出，并将两路并联，即将8、11脚并联接电源，9、10脚并联；R21、C5两端并联，误差放大器的反相端15脚接R11、R12分压出来的2.2V的基准电压，电流取样电阻R21上的电压输入误差放大器的同相输入端16脚；
(2)倍压整流电路：采用肖特基二极管与配套电容器的方式搭建升压整流电路。
(3)反馈电路：通过取样电阻R15将输出电压反馈到U1内部误差放大器的反相输入端2脚，误差放大器的同相输入端1脚接参考电压。连接在误差放大器2、3脚之间的电阻和电容以构成PID调节器。
(4)放电电路：放电电路的主要目的是将线圈中的残留能量通过大地进行释放。由制动电阻R16通过接触器连接大地组成。
工作原理：本发明设计负载范围为2MΩ～20GΩ，信号源应保持恒定高电压输出，电压陷落不超过4%。选择输入信号源的电压范围较宽≤41V的线路，加之考虑到转换效率、体积、输出电压控制及变换，采用脉宽调制（PWM）型开关电源集成控制线路将直流电压变换为脉宽调制信号，经升压变压器转化为高压脉冲，再倍压整流（二阶或三阶）成直流高压测试电压，其输出电压大小是通过输出电压控制电路调节脉冲宽度来实现的。包含开关稳压器所需的全部控制电路，其中有误差放大器、振荡器、脉宽调制器、脉冲发生器、开关管、过流过热保护。
本发明通过对输入的15V电源采用PWM调制并采用脉冲变压器升压，再送到倍压整流电路升压至500V或1000V，并引入反馈电路以提高输出电压精度。本发明的有益效果：提供了一款体积小、重量轻、低功耗，高精度的高压恒压信号源，能安装在低压配电柜或部分抽屉柜内狭小空间里，以满足对低压电动机绝缘自动化监控与保护，填补了已有技术空白。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为本发明详细电路图。
图3为本发明上正下负倍压整流电路电流流向图。
图4为本发明下正上负倍压整流电路电流流向图。
具体实施方式
下面结合附图的实施例进一步说明本发明。
如图1所示，发明结构包括PWM脉宽调制单元、脉冲变压器、倍压整流单元、反馈单元、放电单元及相关的控制电路。
如图2所示，高压恒压信号源的电路包括：
（1）PWM脉宽调制电路：脉宽调制（U1）是升压电路的核心，它直接向开关管Q3提供脉宽调制信号，由Q3推动升压变压器，经升压后输出高压脉冲由倍压整流成直流高压输出。管脚5、6脚外接振荡电阻R13、电容C9，确定其开关频率。4脚是死区控制端，电压输入0～4V的话可使占空比从最大到关闭是为止(45%～0%)。采用13脚接地的单端应用方式，7脚是电源地，12脚是正极电源输入端接7～40V均可。为了提高驱动能力，从内部三极管的集电极输出，并将两路并联，即将8、11脚并联接电源，9、10脚并联，该端即为脉冲输出端。
调制电路同时集成过流保护功能，利用U1内部另一误差放大器实现。R21、C5两端并联，误差放大器的反相端15脚接R11、R12分压出来的2.2V的基准电压，电流取样电阻R21上的电压输入误差放大器的同相输入端16脚，当电流过大时，16脚电压大于15脚电压，误差放大器输出增大，输出脉冲宽度变窄，输出电压减小，则起到限流作用。
外部输入端的控制信号可输入至脚4的截止时间控制端，与脚1、2、15、16误差放大器的输入端，其输入端点的抵补电压为120mV，其可限制输出截止时间至最小值，大约为最初锯齿波周期时间的4%。当13脚的输出模控制端接地时，可获得96%最大工作周期，而当13脚接制参考电压时，可获得48%最大工作周期。如果我们在第4脚截止时间控制输入端设定一个固定电压，其范围由0V至3.3V之间，则附加的截止时间一定出现在输出上。
脉宽调制电路比较器提供一个方法给误差放大器，由最大百分比的导通时间来做输出脉波宽度的调整，借着设定截止时间控制输入端降至零电位，而此时再回授输入脚的电压变化可由0.5V至3.5V之间，此二个误差放大器有其模态输入范围由-0.3V至(Vcc-2)V，而且可用来检知电源供给器的输出电压与电流。
误差放大器的输出会处于高主动状态，而且在脉宽调制电路比较器的非反相输入端与其误差放大器输出端和或门(OR)运算结合，依此电路结构，放大器需要最小输出导通时间，是抑制回路的控制，通常第一个误差放大器都使用参考电压和稳压输出的电压做比较，其环路增益可依靠反馈来控制。而第3脚通常用做频率的补偿，它主要目的是为了整个环路的稳定度，特别注意的是运用反馈时必须避免第3脚输入过载电流大于600μA，否则最大脉波宽度将会被不正常的限制，此两种误差放大器都可利用，不管是正向或反向放大器。
第二个误差放大器可用来做过电流检知回路，可使用检知电阻来与参考电压元作比较，这回路的工作电压接近地端，而此误差放大器的转换速率在7V之Vcc时为2V/μs。但无论如何在高频运用中，由于脉波宽度比较器和控制逻辑的传播延迟使得他不能用为动态电流限制器。它可运用于恒流限制电路或者外加元件作成电流回叠的限流装置，而动态电流限制最好能使用截止时间控制输端。
(2)倍压整流电路：由于集成整流桥用于整流滤波，易引起整流管过热，其输出电压过低，导致负载电压不稳。考虑到效率要求，选用了肖特基二极管，速度快且压降低，因此采用肖特基二极管搭接升压整流。
如图3所示，当变压器次级输出为上正下负时，电流流向如图所示，变压器向上臂二个电容充电储能。
如图4所示，当变压器次级输出为上负下正时，电流流向如图所示，变压器向下臂二个电容充电储能。
如果不带负载，稳态时，除了电容C11外其他每个电容上的电压为2U，所以总的输出电压为6U。事实上，由于高阶倍压整流电路带载能力相对差，输出很小的功率就会导致输出电压的一定幅度跌路。因此选择恰当的电容值显得尤为重要，选择适当的二极管可减小自身损耗的功率。假设输出电流为I，每个电容的容量相同为C，交流电源频率为f，则电压跌落为：
跌落电压：
输出电压纹波：
。
(3)反馈电路：为了保证输出电压稳定，要引入负反馈，即通过取样电阻R15将输出电压反馈到U1内部误差放大器的反相输入端2脚，误差放大器的同相输入端1脚接参考电压。当输出电压增高时，反馈信号和参考电压比较，误差放大器的输出增大，结果使输出脉冲的宽度变窄，开关管的导通时间变短，输出电压将保持稳定。连接在误差放大器2、3脚之间的电阻和电容是构成PID调节器，目的是改善系统的动态稳定特性，达到恒压的目的。
(4)放电电路：测量前如果剩余电荷存在于电机的线圈中，绝缘电阻的测量将会产生误差。因此在测量绝缘电阻之前绕组必须彻底放电。在测量开始时应测量放电电流以确保绕组彻底放电。在直流电压卸压后，绕组接地对于安全和后续测试的准确都是非常重要的。接地时间至少应为充电时间的4倍左右。
当测试结束后电机线圈内积累了大量的反向电荷，将残压迅速泻放，以保证现场人员及设备的安全。
(5)控制电路：电源模块，放电电路及输出电路均含有相应的控制电路，主要目的是为了配合上一级产品对电源控制的需求，CPU控制逻辑
测试开启：放电控制→输出控制→电源控制。
测试前先放电确保被测电机线圈内无存储电荷，其次输出端打开，再次给信号源回路送电。保证信号源安全工作。
测试结束：电源控制→输出控制→放电控制。
测试后先断开信号源回路电源，其次输出端断开，再次接通放电开关将测试过程中所寄存在电机线圈中的电荷释放，保证被测设备的无反向。

Claims (1)

1.一种高压恒压信号源，包括总电源、PWM脉宽调制单元、脉冲变压器、倍压整流单元、反馈单元及放电单元，其特征在于包括以下电路：
（1）PWM脉宽调制电路：管脚5、6脚外接振荡电阻R13、电容C9，采用13脚接地的单端应用方式，7脚是电源地，12脚是正极电源输入端接7～40V；从内部三极管的集电极输出，并将两路并联，即将8、11脚并联接电源，9、10脚并联；R21、C5两端并联，误差放大器的反相端15脚接R11、R12分压出来的2.2V的基准电压，电流取样电阻R21上的电压输入误差放大器的同相输入端16脚；
（2）倍压整流电路：采用肖特基二极管与配套电容器的方式搭建升压整流电路；
（3）反馈电路：通过取样电阻R15将输出电压反馈到U1内部误差放大器的反相输入端2脚，误差放大器的同相输入端1脚接参考电压；连接在误差放大器2、3脚之间的电阻和电容以构成PID调节器；
（4）放电电路：通过制动电阻R16连接接触器与大地形成回路。
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