华意电力是一家专业研发生产接地电阻测试仪的厂家，本公司生产的接地电阻测试仪设备在行业内都广受好评，以打造最具权威的“接地电阻测试仪“高压设备供应商而努力。
接地电阻的检测是家用电器安全测试中的一项重要指标,如果这一电阻过大,表明仪器的接地性能不好,消费者在使用时很容易触电。因此在产品出厂之前对其接地电阻进行检测显得十分重要。现有的接地电阻测试仪主要是手动调节电流源型,这种测试仪笨重、速度慢、人为因素多,操作人员的劳动强度大,很难保证测试的精度。为改善测试性能,提高测试精度,本文设计了一台接地电阻测试仪,它应用16位单片机作为控制元件,采用目前国际上较为先进的电力电子元件IGBT组成单相逆变电路,实现回路电流维持在交流25 A恒定不变。仪器对采集到的数据进行存储、比较、判别、显示和报警,并能自动复位,保证了仪器的安全使用。可以设定电流值和电阻值及测试时间,其优点是响应快、精度高、便于操作。
1 测试原理
根据国家标准,可以通过如下测试方法来确定接地电阻是否合格:从空载电压不超过12 V的交流电源中,取电器额定电流的1.5倍或25 A的交流(两者中选用较大的电流),使其依次在接地线柱或接地极与各个易被触及的金属部件之间流过,然后测量电器的接线柱或电器进线装置接地极与易被触及的金属部件间的电压降,并根据电流和电压降计算出电阻的数值,该电阻不应超过0.1Ψ。如图1所示。用调压变压器来改变测量回路的电流,电源提供的220 V交流电经调压器调压后,成为10 V,25 A的交流电。当电流到达25 A的时候,将被测电阻两端的电压换算成电阻值。0.1Ψ的电阻起限流作用。
2 系统设计
2.1 系统功能
(1)启动、复位及预置功能:可以实现电流、电阻及检测时间的预置功能。
(2)定时功能:对检测时间进行控制。
(3)电流调节(反馈):实现电流的闭环控制以保持电流的恒定。
(4)接地电阻设置: 0.01～ 0.3Ψ。
(5)显示、报警及保护。
2.2 系统设计理论
在采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形,这些脉冲宽度都等于π/N,但幅度不等,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲和相应正弦部分面积相等,就可得到SPWM脉冲序列。
规则采样法是一种应用较广的生成SPWM波形的工程实用方法,采用三角波作为载波,三角波幅值为1,可得脉冲宽度W
W= TC/2(1+ asinkrtD)
其中TC为载波周期,a为调制比,tD为三角载波负峰值对应的时刻,kr为正弦波角速度。
2.3 硬件设计
该系统在硬件上分强电(IGBT主回路)和弱电(MCS96单片机)两部分(图2)。
以IGBT为主的强电部分采用交直交变频电路,主要用来产生频率为50 Hz,幅值可调的正弦交流电压,它经降压变压器B1降压后,加到被测电器上进行接地电阻检测。霍尔元件LEM模块采集电流送到96单片机的A/D口,以实现电流的闭环控制。霍尔电流传感器LEM模块可以传感从直流到数百千兆频率的各种形状的电流信号,其精度高、线性度好、响应速度快、频带宽、过载能力强。 LEM模块的输出信号可以直接反映电流的大小。该系统中LEM的输出为反映电流大小的0～ 5 V的电压信号。弱电部分采用16位的96单片机[4]作为控制单元,主要用以产生驱动IGBT的SPWM信号,同时进行实时控制和参数设置、显示,大大提高了系统对信号的处理能力。由霍尔元件LEM模块采集到的电流送到96单片机的A/D口后,与电流设定值进行比较,当电流不等于设定值时,则增加或减小电流,直至相等。 8279键盘、显示芯片能扩展到16位LED显示,可以预置并显示电流、电阻及检测时间等,提高了操作的简便性;串行E2 PROM的使用方便了数据的存储;采用74LS377扩展外部输出口,用以控制继电器作为强电开关,更好地使强电与弱电隔离; 96单片机输出信号通过三极管8050,8550组成的OCL输出提高了信号的驱动能力,保证了系统的响应速度。信号输入至EXB840(IGBT的专用驱动模块),EXB840中集成了光耦器件、信号放大、过流检测等一系列IGBT的驱动保护功能。用继电器KM作为强电开关来控制加在IGBT两端的电压,以保证IGBT的安全。另外在输入输出口上都设计有大量的保护器件,以提高系统的可靠性。单片机的引入,进一步提高了接地电阻的测试精度,采用IGBT组合电路产生恒定电流,取代了传统的手动调节电流源。测量时在家电外壳与电源插头接地线间取交流电压,通过采样电路采样,经隔离、滤波等电路送至单片机,在单片机内部进行比较、计算、判断,如果大于设定值,则表示接地电阻太大,产品不合格,发出声光报警,同时单片机记录下此时的电阻值,送显示部分显示。
2.4 软件设计
软件采用模块化设计,便于软件的功能扩展、修改及调试。软件完成的任务主要有: (1)系统初始化和自检; (2)SPWM波形的输出及控制;(3)恒流控制及接地电阻的检测;(4)故障诊断、显示及报警。故软件主要由主程序、8279键盘显示子程序、软件定时器中断服务程序、外部中断故障处理程序及E2 PROM的读写程序等模块组成。
2.4.1 主程序
首先初始化,将8279清零,设置8279内部时钟,显示清零,87C196内部寄存器清零,接300 V的继电器KM断开,自检口关闭,AD口悬空,蜂鸣器静音,各寄存器赋初始值。然后进行输出电压、电流的A/D采样及控制,实现检测过程中稳压恒流(25 A),当有键按下时,则转入相应的键盘服务程序。