基于MSP430的絕緣電阻測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣久芳

摘 要

目前，對(duì)電氣設(shè)備的絕緣電阻測(cè)試的儀表主要是機(jī)械式的兆歐表，該類型的兆歐表測(cè)試電壓單一、量程低、精度低。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，控制高壓穩(wěn)壓源模塊根據(jù)絕緣電阻的阻值輸出相對(duì)應(yīng)的高壓值，高壓加在被測(cè)電阻和采樣標(biāo)準(zhǔn)電阻上，通過A/D轉(zhuǎn)換將采樣電阻的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送給單片機(jī)處理并讓液晶顯示測(cè)量結(jié)果。通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該絕緣電阻測(cè)試儀具有較高的測(cè)量范圍和測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞

絕緣電阻;兆歐表;單片機(jī)

中圖分類號(hào)： TM934? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.016

Abstract

At present，the instruments for testing the insulation resistance of electrical equipment are mainly mechanical megohmmeters.This type of megohmmeter has a single test voltage，low range and low accuracy.This system uses the single chip microcomputer as the control core，and controls the high voltage regulator source module to output high voltages of different gears according to the insulation resistance.Converted into digital quantity，and then sent to the single-chip microcomputer for processing and let the LCD display the measurement results.Through actual test verification，the insulation resistance tester has a higher measurement range and measurement accuracy.

Key Words

Insulation resistance;Megohmmeter;Single chip microcomputer

1 緒論

電氣設(shè)備主要是由絕緣材料、導(dǎo)電材料等構(gòu)成的[1]。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色，其絕緣性的好壞往往決定整個(gè)電氣設(shè)備的壽命，當(dāng)其絕緣性受到破壞時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作、甚至引起火災(zāi)、人員傷亡等嚴(yán)重后果，嚴(yán)重?fù)p壞企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益和威脅工作人員的人身安全。因此，為了更加準(zhǔn)確可靠的測(cè)量電氣設(shè)備的絕緣性的好壞，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣性隱患從而避免事故的發(fā)生，必須不斷研究先進(jìn)的絕緣電阻檢測(cè)技術(shù)，開發(fā)出測(cè)量范圍更廣的、精度更高的絕緣電阻測(cè)試儀，這具有極其重要的意義[2][3]。

絕緣電阻是由絕緣物質(zhì)組成的電阻，絕緣物質(zhì)在強(qiáng)度大的電壓下，可能會(huì)使其被擊穿從而喪失絕緣性。因此，電氣設(shè)備的絕緣選擇必須要與電壓等級(jí)相配合以及與使用環(huán)境相適應(yīng)，以保證絕緣的安全作用[4][5]。絕緣電阻在高壓的作用下，此時(shí)絕緣電阻可能會(huì)產(chǎn)生泄漏電流、吸收電流和電容充電電流[6]。吸收電流和電容充電電流會(huì)隨著時(shí)間會(huì)逐漸消失，然而，漏電電流則會(huì)一直存在。因?yàn)槁╇婋娏饕恢贝嬖?，所以要想測(cè)量絕緣電阻的大小，必須測(cè)量漏電電流的大小。絕緣電阻是對(duì)電氣設(shè)備的最基本的絕緣指標(biāo)，測(cè)量出來的電阻的大小，直接關(guān)系著設(shè)備的安全性，或者設(shè)備使用者的安全性[7][8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是以單片機(jī)MSP430為控制核心，控制高壓穩(wěn)壓源模塊根據(jù)絕緣電阻的阻值輸出相對(duì)應(yīng)的高壓值，高壓加在被測(cè)電阻和采樣標(biāo)準(zhǔn)電阻上，通過A/D轉(zhuǎn)換將采樣電阻的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送給單片機(jī)處理并讓液晶顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果。其系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2.1 高頻高壓穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)

高頻高壓穩(wěn)壓源模塊是絕緣性測(cè)試中重要的模塊之一，如圖2所示為高頻高壓穩(wěn)壓源原理框圖。主要包含以下幾個(gè)模塊。

（1）PWM控制電路，根據(jù)絕緣性測(cè)試的需要形成相應(yīng)的、具有一定占空比的脈沖波。

（2）功率驅(qū)動(dòng)電路與高頻變壓器，利用場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)特性，將電能從變壓器的原線圈傳到副線圈。

（3）倍壓整流電路，將變壓器副線圈上的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。

（4）輸出電壓反饋電路，將輸出電壓反饋給PWM形成與控制電路從而調(diào)節(jié)脈沖的占空比使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的高的直流電壓。

2.2 電阻分壓電路

如圖3為電阻分壓電路，其中電阻R116、R116_1、R117、R 117_1、R118、R118_1為標(biāo)準(zhǔn)的采樣電阻，他們分別與被測(cè)絕緣電阻進(jìn)行串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)電阻分壓。因?yàn)锳DS1110最大的輸入電壓為-2.048V至+2.048V，所以采樣電阻上的采樣電壓的范圍為10mV-2V。

2.3 信號(hào)采集電路

本文設(shè)計(jì)的絕緣電阻測(cè)試儀最大測(cè)量阻值為5GΩ，最大的測(cè)試電壓是1000V，那么最小的測(cè)試電流為20μA。為了滿足采樣電路的需要，則系統(tǒng)中的最大采樣電阻為10mV/20μA =50kΩ，所以采樣電阻的阻值分別為0.5kΩ、5kΩ、50kΩ，并且為了提高系統(tǒng)的精度用兩個(gè)電阻并聯(lián)得出采樣電阻的阻值。信號(hào)采集電路如圖4所示。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

如圖5為ADS1110的電路原理圖，采樣電壓首先經(jīng)過電壓跟隨器，才進(jìn)入ADS1110的電壓輸入端，這是因?yàn)锳DS1110內(nèi)部的可編程增益放大器的輸入阻抗很低，采樣電壓直接接入 ADS1110的電壓輸入端時(shí)，這會(huì)增大A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換誤差。因此，采樣電壓經(jīng)過具有高輸入阻抗的電壓跟隨器，可以減少轉(zhuǎn)換誤差從而提高測(cè)量精度。

3 絕緣性的測(cè)試與分析

本系統(tǒng)進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量校準(zhǔn)時(shí)，主要使用了校準(zhǔn)儀器ZX79F型兆歐表標(biāo)準(zhǔn)電阻器。它所能承受最大的測(cè)試電壓為5000V、量程為100Ω～100GΩ、精度為0.5%，而本文設(shè)計(jì)的絕緣電阻測(cè)試儀的最大輸出的測(cè)試電壓為1000V、測(cè)量范圍為10MΩ～5GΩ、精度為5%，所以它可以作為本系統(tǒng)進(jìn)行絕緣行測(cè)試的校準(zhǔn)儀器。通過對(duì)ZX79F型兆歐表標(biāo)準(zhǔn)電阻器上的電阻進(jìn)行測(cè)量來驗(yàn)證本系統(tǒng)的絕緣性測(cè)試性能是否符合要求本文最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)。它的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示：

由表1可知，本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。存在誤差的原因主要有：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高頻高壓穩(wěn)壓源輸出的電壓不夠穩(wěn)定。

（2）系統(tǒng)使用的采樣電阻的精度不夠高。

（3）ZX79F型兆歐表標(biāo)準(zhǔn)電阻器中的電阻本身就存在誤差。為了減少誤差，應(yīng)該使用更高精度的標(biāo)準(zhǔn)儀器，同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻值測(cè)量是檢查電氣設(shè)備是否存在缺陷，為電氣設(shè)備的正運(yùn)行和工作人員的人身安全提供了可靠的保證。本系統(tǒng)以MSP430F437為控制核心，搭建絕緣電阻測(cè)試儀硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣電阻10MΩ～5GΩ的測(cè)量，并且測(cè)量誤差在2%之內(nèi)，與傳統(tǒng)的兆歐表相比，該絕緣電阻測(cè)試儀具有自動(dòng)化測(cè)量、精度高、量程廣等優(yōu)點(diǎn)。

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