CN117214636A - 一种反激式线圈匝间绝缘检测装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种反激式线圈匝间绝缘检测装置及控制方法，反激式线圈匝间绝缘检测装置包括：电源、反激变压器、功率开关、吸收单元、隔离开关、高压气体放电管、谐振电容、待测线圈、电流传感器、控制器、第一分压电阻、第二分压电阻。采用一级变换，产生高电压的同时完成高压脉冲的注入，具有结构简单、成本低的优点。采用低压开关代替现有技术中的高压开关，因此可以采用半导体功率器件实现高压脉冲注入功能，控制简单的同时，成本也进一步降低。该装置采用全固态功率控制，因此没有电弧产生，不会产生电磁干扰，检测精度高。

Description

一种反激式线圈匝间绝缘检测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种线圈匝间绝缘检测装置，特别涉及一种反激式线圈匝间绝缘检测装置及控制方法。

背景技术

电感、变压器、电机中都有线圈部件，制作线圈的导体外部都有一层绝缘层。线圈匝间绝缘状态，对设备的正常运行是至关重要的。由于制造中出现缺陷或者使用不当，会导致线圈的匝间绝缘水平下降，甚至产生匝间短路现象，而匝间短路现象通常都出现在线圈绕组内部，所以很难测量，因此需要一种能够检测线圈匝间绝缘的装置。

目前检测线圈匝间绝缘的装置主要采用脉冲振荡式检测方法，脉冲振荡匝间绝缘检测装置都需要单独的高压电源，输出电压高达数千伏，对元器件的耐压性能要求高，成本较高，且体积比较庞大；高压电源产生高电压后，需要控制向主电容充电，并把电能储存在电容中；其次需要有一个高压开关用于控制主电容接入待测线圈回路中，产生高频振荡。因此现有检测系统具有控制环节多、结构复杂、成本较高、体积重量庞大，不适合便携的问题。不仅如此，由于电压较高，控制电容接入的高压开关通常采用“放电球隙”实现，见中国专利CN105675933A、CN104515941A、CN103472372A。放电球隙通过放电控制高压电路的导通，其控制装置复杂，而且放电产生的电弧极其不稳定，不仅影响振荡电流的波形，而且还会对测试仪器设备产生比较大的电磁干扰，从而影响测量精度。

综上所述，现有技术系统复杂、测量控制环节多、成本高、体积重量大、测量精度低、自身产生的电磁干扰严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的线圈匝间绝缘检测装置中存在的：系统复杂、测量控制环节多、成本高、体积重量大、测量精度低、自身产生的电磁干扰严重的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，包括：电源、反激变压器、功率开关、吸收单元、隔离开关、高压气体放电管、谐振电容、待测线圈、电流传感器、控制器、第一分压电阻、第二分压电阻；所述电源的正极与反激变压器原边同名端相连，功率开关的漏极连接相连反激变压器原边非同名端，功率开关的源极连接电源的负极；所述吸收单元与反激变压器原边并联；所述反激变压器副边的非同名端与隔离开关的阳极相连，隔离开关的阴极分别连接高压气体放电管、谐振电容、待测线圈，高压气体放电管、谐振电容、待测线圈的另外一端分别连接反激变压器副边的同名端；所述电流传感器串连在振电容和待测线圈之间；所述第一分压电阻与第二分压电阻串联后并在待测线圈两端，用于检测待测线圈两端的电压；所述控制器检测待测线圈上的电压和电流，并控制功率开关和隔离开关的导通和关断。

所述吸收单元包括：二极管、电容、电阻；所述二极管、电容、电阻组成RDC吸收电路，用于吸收功率开关关断时反激变压器原边漏感产生的电压尖峰，电容与电阻并联后一端与电源的正极相连，另一端连接二极管的阴极；所述二极管的阳极与功率开关漏极相连；所述二极管为快恢复二极管。

所述功率开关为功率半导体全控器件。

所述隔离开关为晶闸管，当功率开关关断时隔离开关利用其半可控特性，控制反激变压器上能量全部充入谐振电容后才正向关断，并反向截止，把反激变压器与谐振电容、待测线圈隔离开。

所述高压气体放电管设置的放电电压小于等于待测线圈的最高耐受电压，同时大于所需的输出电压脉冲幅值，当谐振电容电压大于高压气体放电管的放电电压时，高压气体放电管放电，防止谐振电容电压超过待测线圈的最高耐受电压，起到保护作用。

所述谐振电容为无极性薄膜电容。

一种反激式线圈匝间绝缘检测装置的控制步骤如下：

步骤1：定义谐振峰值电压VF为所述谐振电容在功率开关关断后充电达到的最高电压；控制器根据给定的VF计算功率开关的导通时间t1＝k×VF；所述k为升压比例系数，由测试得到；

步骤2：所述控制器控制功率开关和隔离开关同时导通；功率开关上电流上升，隔离开关无电流；

步骤3：所述控制器控制功率开关在导通t1时间后关断；功率开关上电流降为零，隔离开关上电流开始上升，为谐振电容充电；

步骤4：所述控制器在隔离开关导通t＝t1+t2时间后控制隔离开关门极信号为低电平，优选地t2>0.1ms；由于隔离开关仍然有电流，因此隔离开关不能关断，直到流过隔离开关的电流降为零之后，隔离开关彻底关断；

步骤5：所述谐振电容与待测线圈进入谐振状态，谐振电容上的电压和待测线圈上的电流振幅逐渐衰减到零；

步骤6：所述控制器通过电流传感器、第一分压电阻、第二分压电阻检测振荡过程中谐振电容上的电压和待测线圈上的电流；

步骤7：所述控制器根据所检测得到的谐振电容上的电压和待测线圈上的电流波形计算衰减系数，并通过衰减系数判断待测线圈是否存在绝缘问题；如果波形衰减过快，则可判断待测线圈存在匝间短路等绝缘问题。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

与现有技术相比，本发明采用一级变换，产生高电压的同时完成高压脉冲的注入，具有结构简单、成本低的优点。采用低压开关代替现有技术中的高压开关，因此可以采用半导体功率器件实现高压脉冲注入功能，高压电源部分在为检测电路注入高压脉冲后自动与检测电路完全隔离，控制简单的同时，成本也进一步降低。该装置采用全固态功率控制，因此没有电弧产生，不会产生电磁干扰，检测精度高。

本发明加入高压气体放电管，可以保护待测线圈不被过高电压损坏；采用全固态功率控制，没有电弧产生，不会产生电磁干扰，检测精度高，同时不会引发火灾危险；采用电感储能代替传统的电容储能，不需要限流电阻，降低了系统成本。

附图说明

图1为现有技术公开的一种线圈绝缘检测装置示意图；

图2为现有技术公开的另一种线圈绝缘检测装置示意图；

图3是本发明实施例公开的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置；

图4是该实施例的吸收单元结构示意图；

图5是该实施例的功率开关导通模态；

图6是该实施例的功率开关关断产生高压脉冲模态；

图7是该实施例的谐振模态；

图8是功率开关与隔离开关触发时序图；

图9是该实施例下的检测仿真波形图。

图中：

1、电源；2、反激变压器；3、功率开关；4、吸收单元；5、隔离开关；6、高压气体放电管；7、谐振电容；8、待测线圈；9、电流传感器；10、控制器；11、第一分压电阻；12、第二分压电阻；401、二极管；402、电容；403、电阻。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好地理解本发明内容，因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。

本申请实施例提供了一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，以及线圈匝间绝缘检测的控制方法。通过反激式变换器产生高电压脉冲激励，使谐振电容7与待测线圈8产生过阻尼振荡，通过检测振荡波形检测待测线圈8的匝间绝缘状态。

本申请实施例公开了一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，以及控制方法。具体实现过程，通过以下实施例进行详细说明。

如图1所示，为现有常用的一种线圈匝间绝缘检测方案，采用交流电源供电，利用调压器T1调节施加高压脉冲的幅值。经过调压后的交流电通过升压变压器T2进行升压，然后利用高压电源模块进行倍压整流，进一步提高电压。整流后的高压直流电经过限流电阻R向电容C充电，并储存电能，等待检测。当进行线圈绝缘检测时，作为高压开关的“放电球隙”被激励进行放电产生电弧，将电容C和待测线圈导通，形成谐振电路，由于线圈中有一定的电阻，因此振荡会逐渐衰减，并在LC振荡结束时使球隙息弧断开电路。因此这种检测方案，需要调压、变压、整流多个环节产生高压直流电，再利用高压开关接通振荡回路，所以结构非常复杂、成本高、体积重量大。而且高压产生电路与振荡测试电路无法完全隔离，在LC振荡过程中还会继续为振荡回路注入能量，影响测试精度。不仅如此，由于球隙放电的电弧不稳定，因此会影响LC振荡电路中电流的测量，影响测量精度。而且由于球隙放电会产生大量的电磁干扰，影响测试仪器设备的正常工作，使测试精度进一步降低。

如图2所示，为现有常用的另一种线圈匝间绝缘检测方案，与图1所示的方案不同之处在于整流后的高压直流电经过限流电阻R和待测线圈向电容C充电，作为高压开关的“放电球隙”接在限流电阻R和地之间，虽然这种方案能够解决图1所示方案中高压产生电路与振荡测试电路无法完全隔离问题，但是放电球隙将限流电阻R直接接地，会产生比较大的损耗。

因此本申请实施例公开了一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，反激式线圈匝间绝缘检测装置控制方法等相关技术方案。具体实现过程，通过以下实施例进行详细说明。

如图3所示，为本申请实施例公开的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，包括：电源1、反激变压器2、功率开关3、吸收单元4、隔离开关5、高压气体放电管6、谐振电容7、待测线圈8、电流传感器9、控制器10、第一分压电阻11、第二分压电阻12。

本申请实施例提到的电源1可以是便携设备的电池提供的直流电源，也可以是经过市电整流后得到的直流电源。

优选地，所述谐振电容7为无极性的薄膜电容。

在本实施例中，所述功率开关3为功率半导体全控器件，优选地，可以采用功率MOSFET、IGBT。

在本实施例中，所述高压气体放电管6设置的放电电压小于等于待测线圈8的最高耐受电压，且大于所需的输出电压脉冲幅值。当谐振电容7电压大于高压气体放电管6放电电压时，高压气体放电管6放电，防止谐振电容7电压超过待测线圈8的最高耐受电压，起到保护作用。

在本实施例中，所述电源1的正极与反激变压器2原边同名端相连，功率开关3的漏极连接反激变压器2原边非同名端，功率开关3的源极连接电源1的负极。电源1、功率开关3、反激变压器2构成一个反激变换器，工作在单脉冲方式，即每次测试产生一个高电压脉冲，用于待测线圈8的测试。所述反激变压器2的副边匝数大于原边匝数，是一个升压变压器。根据待测线圈8的不同，可以通过调节功率开关3的导通时间来调节输出电压。反激变换器的可以输出从几百伏特到几千伏特的电压脉冲。优选地，输出电压脉冲幅值可以是1000V。

在本实施例中，所述吸收单元4与反激变压器2原边并联，用于吸收功率开关3关断时因反激变压器2原边漏感所产生的电压尖峰，保护功率开关3不被高电压击穿。

在本实施例中，所述反激变压器2副边的非同名端与隔离开关5的阳极相连，隔离开关5的阴极分别连接高压气体放电管6、谐振电容7、待测线圈8，高压气体放电管6、谐振电容7、待测线圈8的另外一端分别连反激变压器2副边的同名端。所述谐振电容7与待测线圈8在被反激变换器激励后形成一个振荡回路，并产生幅值衰减的谐振过程，谐振的频率由谐振电容7的容值和待测线圈8的感值决定。当待测线圈8的绝缘状态发生变化时，其感值也会随之变化，谐振频率和波形也都会随之变化，从而可以检测出待测线圈8的绝缘状态。

在本实施例中，所述电流传感器9串联在谐振电容7和待测线圈8之间，用于检测谐振电流的波形信息。

在本实施例中，所述第一分压电阻11与第二分压电阻12串联后并在待测线圈8两端，用于检测待测线圈8两端的电压。

在本实施例中，所述控制器10检测得到待测线圈8上的电压和电流，并控制功率开关3和隔离开关5的导通和关断。在具体实现中，所述控制器10可以由MCU、DSP、FPGA等芯片构成。在本申请中不做具体限定。

图4为吸收单元结构示意图。吸收单元4包括：二极管401、电容402、电阻403。

在本实施例中，所述二极管401、电容402、电阻403组成RDC吸收电路，用于吸收功率开关3关断时反激变压器2原边漏感产生的电压尖峰，电容402与电阻403并联后一端与电源1的正极相连，另外一端连接二极管401的阴极；

在本实施例中，所述二极管401的阳极与功率开关3漏极相连。

在本实施例中，所述二极管401为快恢复二极管。

如图3所示，所述隔离开关5为半控型功率器件，优选地为晶闸管。当功率开关3关断时隔离开关5利用其半可控特性，控制反激变压器2上能量全部充入谐振电容7后才正向关断，且反向截止，自动将反激变压器2与谐振电容7、待测线圈8隔离开，详细工作模态见图6和图7。

在本实施例中，具体实现时，所述反激式线圈匝间绝缘检测装置的控制方法包括如下步骤：

步骤1：定义谐振峰值电压VF为所述谐振电容7在功率开关3关断后充电达到的最高电压；控制器10根据给定的VF计算功率开关3的导通时间t1＝k×VF；所述k为升压比例系数，由测试得到。

步骤2：所述控制器10控制功率开关3和隔离开关5同时导通。功率开关3上电流上升，隔离开关5无电流。

步骤3：所述控制器10控制功率开关3导通t1时间后关断，功率开关3上电流降为零，隔离开关5上电流开始上升，为谐振电容7充电。

步骤4：所述控制器10在隔离开关5导通t＝t1+t2时间后控制隔离开关5的门极信号为零，优选地t2>0.1ms。由于隔离开关5中有电流所以不能关断，直到流过隔离开关5中的电流降为零之后，隔离开关5彻底关断。

步骤5：所述谐振电容7与待测线圈8进入谐振状态，谐振电容7上电压和待测线圈8上电流振幅逐渐衰减到零。

步骤6：所述控制器10通过电流传感器9、第一分压电阻11、第二分压电阻12检测振荡过程中的谐振电容7上电压和待测线圈8上电流。

步骤7：所述控制器10根据所检测得到的谐振电容7上电压和待测线圈8上电流波形计算衰减系数，并通过衰减系数判断待测线圈8是否存在绝缘问题。如果波形衰减过快，则可判断待测线圈8存在匝间短路等绝缘问题。

如图5所示，在t0时刻控制器10同时分别控制给功率开关3和隔离开关5门极施加开通信号，这时，电源1-反激变压器2原边-功率开关3-电源1形成电流导通回路，如图5中虚线箭头所示，给反激变压器2原边电感充电，储存能量。此时，反激变压器2的同名端感应正电压，因此尽管隔离开关5门极施加了开通信号，由于隔离开关5承受反向电压，仍然没有电流通过。

如图8所示，从t0时刻开始经过t1时间后，控制器10首先给功率开关3的门极施加关断信号，同时仍然给隔离开关5的门极施加开通信号。这时，功率开关3关断，同时反激变压器2的非同名端感应出正电压，见图6，因此隔离开关5导通，形成反激变压器2副边非同名端-隔离开关5-谐振电容7-反激变压器2副边同名端的导通回路，在反激变压器2中储存的能量给谐振电容7充电。随着谐振电容7电压上升，待测线圈8的电压也上升，形成电流，见图6。与此同时，反激变压器2原边漏感储存的能量通过吸收单元4进行吸收，如图6经过吸收单元4的虚线所示。

如图8所示，在功率开关3关断后，反激变压器2中储存的能量向谐振电容7充电的过程中，又经过t2时间后，控制器10将隔离开关5的门极信号关断。由于流经隔离开关5的电流没有降到零，因此隔离开关5仍然保持开通状态。直到反激变压器2中储存的能量全部充入谐振电容7后，反激变压器2副边电流降为零，隔离开关5自动关断，谐振电容7与待测线圈8进入谐振状态，如图7中的虚线所示。由于待测线圈8中的电阻403的作用，谐振波形逐渐衰减直至变为零，检测过程完成，检测仿真波形如图9所示。在此过程中控制器10通过第一分压电阻11和第二分压电阻12以及电流传感器9分别采集谐振电路的电压和电流波形，并计算待测线圈8的绝缘状态指标参数，并根据参数对匝间绝缘情况进行判断。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (7)

1.一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，其特征在于，包括：电源(1)、反激变压器(2)、功率开关(3)、吸收单元(4)、隔离开关(5)、高压气体放电管(6)、谐振电容(7)、待测线圈(8)、电流传感器(9)、控制器(10)、第一分压电阻(11)、第二分压电阻(12)；

所述电源(1)的正极与反激变压器(2)原边同名端相连，功率开关(3)的漏极连接相连反激变压器(2)原边非同名端，功率开关(3)的源极连接电源(1)的负极；

所述吸收单元(4)与反激变压器(2)原边并联；

所述反激变压器(2)副边的非同名端与隔离开关(5)的阳极相连，隔离开关(5)的阴极分别连接高压气体放电管(6)、谐振电容(7)、待测线圈(8)，高压气体放电管(6)、谐振电容(7)、待测线圈(8)的另外一端分别连接反激变压器(2)副边的同名端；

所述电流传感器(9)串连在振电容(7)和待测线圈(8)之间；

所述第一分压电阻(11)与第二分压电阻(12)串联后并在待测线圈(8)两端，用于检测待测线圈(8)两端的电压；

所述控制器(10)检测待测线圈(8)上的电压和电流，并控制功率开关(3)和隔离开关(5)的导通和关断。

2.如权利要求1所述的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，其特征在于，所述吸收单元(4)包括：二极管(401)、电容(402)、电阻(403)；

所述二极管(401)、电容(402)、电阻(403)组成RDC吸收电路，用于吸收功率开关(3)关断时反激变压器(2)原边漏感产生的电压尖峰，电容(402)与电阻(403)并联后一端与电源(1)的正极相连，另一端连接二极管(401)的阴极；

所述二极管(401)的阳极与功率开关(3)漏极相连；

所述二极管(401)为快恢复二极管。

3.如权利要求1所述的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，其特征在于，所述功率开关(3)为功率半导体全控器件。

4.如权利要求1所述的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，其特征在于，所述隔离开关(5)为晶闸管，当功率开关(3)关断时隔离开关(5)利用其半可控特性，控制反激变压器(2)上能量全部充入谐振电容(7)后才正向关断，并反向截止，把反激变压器(2)与谐振电容(7)、待测线圈(8)隔离开。

5.如权利要求1所述的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，其特征在于，所述高压气体放电管(6)设置的放电电压小于等于待测线圈(8)的最高耐受电压，同时大于所需的输出电压脉冲幅值，当谐振电容(7)电压大于高压气体放电管(6)的放电电压时，高压气体放电管(6)放电，防止谐振电容(7)电压超过待测线圈(8)的最高耐受电压，起到保护作用。

6.如权利要求1所述的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置，其特征在于，所述谐振电容(7)为无极性薄膜电容。

7.基于权利要求1-6中任意一项所述的一种反激式线圈匝间绝缘检测装置的控制方法，其特征在于，控制步骤如下：

步骤1：定义谐振峰值电压VF为所述谐振电容(7)在功率开关(3)关断后充电达到的最高电压；控制器(10)根据给定的VF计算功率开关(3)的导通时间t1＝k×VF；所述k为升压比例系数，由测试得到；

步骤2：所述控制器(10)控制功率开关(3)和隔离开关(5)同时导通；功率开关(3)上电流上升，隔离开关(5)无电流；

步骤3：所述控制器(10)控制功率开关(3)在导通t1时间后关断；功率开关(3)上电流降为零，隔离开关(5)上电流开始上升，为谐振电容(7)充电；

步骤4：所述控制器(10)在隔离开关(5)导通t＝t1+t2时间后控制隔离开关(5)门极信号为低电平，优选地t2>0.1ms；由于隔离开关(5)仍然有电流，因此隔离开关(5)不能关断，直到流过隔离开关(5)的电流降为零之后，隔离开关(5)彻底关断；

步骤5：所述谐振电容(7)与待测线圈(8)进入谐振状态，谐振电容(7)上的电压和待测线圈(8)上的电流振幅逐渐衰减到零；

步骤6：所述控制器(10)通过电流传感器(9)、第一分压电阻(11)、第二分压电阻(12)检测振荡过程中谐振电容(7)上的电压和待测线圈(8)上的电流；

步骤7：所述控制器(10)根据所检测得到的谐振电容(7)上的电压和待测线圈(8)上的电流波形计算衰减系数，并通过衰减系数判断待测线圈(8)是否存在绝缘问题；如果波形衰减过快，则可判断待测线圈(8)存在匝间短路等绝缘问题。