華意電力是一家專業研發生產接地電阻測試儀的廠家，本公司生產的接地電阻測試儀設備在行業內都廣受好評，以打造最具權威的“接地電阻測試儀“高壓設備供應商而努力。
接地電阻的檢測是家用電器安全測試中的一項重要指標,如果這一電阻過大,表明儀器的接地性能不好,消費者在使用時很容易觸電。因此在產品出廠之前對其接地電阻進行檢測顯得十分重要。現有的接地電阻測試儀主要是手動調節電流源型,這種測試儀笨重、速度慢、人為因素多,操作人員的勞動強度大,很難保證測試的精度。為改善測試性能,提高測試精度,本文設計了一臺接地電阻測試儀,它應用16位單片機作為控制元件,采用目前國際上較為先進的電力電子元件IGBT組成單相逆變電路,實現回路電流維持在交流25 A恒定不變。儀器對采集到的數據進行存儲、比較、判別、顯示和報警,并能自動復位,保證了儀器的安全使用。可以設定電流值和電阻值及測試時間,其優點是響應快、精度高、便于操作。
1 測試原理
根據國家標準,可以通過如下測試方法來確定接地電阻是否合格:從空載電壓不超過12 V的交流電源中,取電器額定電流的1.5倍或25 A的交流(兩者中選用較大的電流),使其依次在接地線柱或接地極與各個易被觸及的金屬部件之間流過,然后測量電器的接線柱或電器進線裝置接地極與易被觸及的金屬部件間的電壓降,并根據電流和電壓降計算出電阻的數值,該電阻不應超過0.1Ψ。如圖1所示。用調壓變壓器來改變測量回路的電流,電源提供的220 V交流電經調壓器調壓后,成為10 V,25 A的交流電。當電流到達25 A的時候,將被測電阻兩端的電壓換算成電阻值。0.1Ψ的電阻起限流作用。
2 系統設計
2.1 系統功能
(1)啟動、復位及預置功能:可以實現電流、電阻及檢測時間的預置功能。
(2)定時功能:對檢測時間進行控制。
(3)電流調節(反饋):實現電流的閉環控制以保持電流的恒定。
(4)接地電阻設置: 0.01～ 0.3Ψ。
(5)顯示、報警及保護。
2.2 系統設計理論
在采樣控制理論中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形,這些脈沖寬度都等于π/N,但幅度不等,各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替,使矩形脈沖和相應正弦部分面積相等,就可得到SPWM脈沖序列。
規則采樣法是一種應用較廣的生成SPWM波形的工程實用方法,采用三角波作為載波,三角波幅值為1,可得脈沖寬度W
W= TC/2(1+ asinkrtD)
其中TC為載波周期,a為調制比,tD為三角載波負峰值對應的時刻,kr為正弦波角速度。
2.3 硬件設計
該系統在硬件上分強電(IGBT主回路)和弱電(MCS96單片機)兩部分(圖2)。
以IGBT為主的強電部分采用交直交變頻電路,主要用來產生頻率為50 Hz,幅值可調的正弦交流電壓,它經降壓變壓器B1降壓后,加到被測電器上進行接地電阻檢測。霍爾元件LEM模塊采集電流送到96單片機的A/D口,以實現電流的閉環控制。霍爾電流傳感器LEM模塊可以傳感從直流到數百千兆頻率的各種形狀的電流信號,其精度高、線性度好、響應速度快、頻帶寬、過載能力強。 LEM模塊的輸出信號可以直接反映電流的大小。該系統中LEM的輸出為反映電流大小的0～ 5 V的電壓信號。弱電部分采用16位的96單片機[4]作為控制單元,主要用以產生驅動IGBT的SPWM信號,同時進行實時控制和參數設置、顯示,大大提高了系統對信號的處理能力。由霍爾元件LEM模塊采集到的電流送到96單片機的A/D口后,與電流設定值進行比較,當電流不等于設定值時,則增加或減小電流,直至相等。 8279鍵盤、顯示芯片能擴展到16位LED顯示,可以預置并顯示電流、電阻及檢測時間等,提高了操作的簡便性;串行E2 PROM的使用方便了數據的存儲;采用74LS377擴展外部輸出口,用以控制繼電器作為強電開關,更好地使強電與弱電隔離; 96單片機輸出信號通過三極管8050,8550組成的OCL輸出提高了信號的驅動能力,保證了系統的響應速度。信號輸入至EXB840(IGBT的專用驅動模塊),EXB840中集成了光耦器件、信號放大、過流檢測等一系列IGBT的驅動保護功能。用繼電器KM作為強電開關來控制加在IGBT兩端的電壓,以保證IGBT的安全。另外在輸入輸出口上都設計有大量的保護器件,以提高系統的可靠性。單片機的引入,進一步提高了接地電阻的測試精度,采用IGBT組合電路產生恒定電流,取代了傳統的手動調節電流源。測量時在家電外殼與電源插頭接地線間取交流電壓,通過采樣電路采樣,經隔離、濾波等電路送至單片機,在單片機內部進行比較、計算、判斷,如果大于設定值,則表示接地電阻太大,產品不合格,發出聲光報警,同時單片機記錄下此時的電阻值,送顯示部分顯示。
2.4 軟件設計
軟件采用模塊化設計,便于軟件的功能擴展、修改及調試。軟件完成的任務主要有: (1)系統初始化和自檢; (2)SPWM波形的輸出及控制;(3)恒流控制及接地電阻的檢測;(4)故障診斷、顯示及報警。故軟件主要由主程序、8279鍵盤顯示子程序、軟件定時器中斷服務程序、外部中斷故障處理程序及E2 PROM的讀寫程序等模塊組成。
2.4.1 主程序
首先初始化,將8279清零,設置8279內部時鐘,顯示清零,87C196內部寄存器清零,接300 V的繼電器KM斷開,自檢口關閉,AD口懸空,蜂鳴器靜音,各寄存器賦初始值。然后進行輸出電壓、電流的A/D采樣及控制,實現檢測過程中穩壓恒流(25 A),當有鍵按下時,則轉入相應的鍵盤服務程序。