一種型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器快速檢定系統(tǒng)的研制

閔忠，盧瑜，馬明康

(四川航天計(jì)量測試研究所，四川成都610100)

0 引言

依據(jù)Q/W 892A-2007《電源轉(zhuǎn)換器檢定規(guī)程》的要求，需檢定電源轉(zhuǎn)換器極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度、絕緣電阻、拔出力等項(xiàng)目［1］。傳統(tǒng)方式是采用人工手動(dòng)檢定，由于電源轉(zhuǎn)換器孔位多，且需在各極間轉(zhuǎn)換檢定相關(guān)項(xiàng)目，檢定所需時(shí)間長、效率低［2］。本文針對(duì)極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度、絕緣電阻和拔出力四個(gè)主要檢定項(xiàng)目，設(shè)計(jì)型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器快速檢定系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器的快速自動(dòng)檢定。

1 快速檢定系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)

型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器快速檢定系統(tǒng)由拔出力檢定裝置和電參數(shù)檢定裝置組成，以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度、絕緣電阻、拔出力四個(gè)主要常規(guī)檢定項(xiàng)目的快速檢定，其它常規(guī)檢定項(xiàng)目如標(biāo)志、外觀檢查和防誤插等采用目視法進(jìn)行檢查。極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度和絕緣電阻三個(gè)電參數(shù)檢定項(xiàng)目由計(jì)算機(jī)通過電參數(shù)檢定裝置中的多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定;拔出力檢定裝置由計(jì)算機(jī)控制，拔出力檢查結(jié)果和其它目視法檢定項(xiàng)目的結(jié)果通過人工錄入到系統(tǒng)軟件，檢定完成后自動(dòng)處理檢定結(jié)果，并按規(guī)定格式生成原始記錄和證書報(bào)告。其原理框圖如圖1所示。

1.1 拔出力檢定裝置設(shè)計(jì)

拔出力檢定裝置依據(jù)規(guī)程規(guī)定的量規(guī)法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，量規(guī)法規(guī)定使用特制量規(guī)(專用砝碼)對(duì)拔出力進(jìn)行檢定，特制量規(guī)(專用砝碼)軸線垂直于插座表面。采用人工檢定時(shí)，需將插孔朝下，將特制量規(guī)(專用砝碼)插入插座，且將插座水平放置在支撐臺(tái)面上。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的拔出力檢定裝置對(duì)量規(guī)法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)符合規(guī)程要求的特制量規(guī)(專用砝碼)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特制量規(guī)的自動(dòng)插入和拔出，且可按照電源轉(zhuǎn)換器的孔位數(shù)目同時(shí)進(jìn)行插拔，同時(shí)進(jìn)行單插銷最小拔出力和多插銷最大拔出力的檢定，免除人工插拔，提高了檢定效率。拔出力檢定裝置示意圖如圖2所示。

圖1 型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器快速檢定系統(tǒng)原理框圖

圖2 拔出力檢定裝置示意圖

拔出力檢定裝置主要由基座、支撐機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、安裝固定機(jī)構(gòu)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)等組成。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向上和向下運(yùn)動(dòng)。

檢定時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲杠副傳動(dòng)到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)向上運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到上限位緊固塊時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)停留在該位置。然后，由檢定人員將被檢電源轉(zhuǎn)換器插入單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)的插頭內(nèi)，利用安裝固定機(jī)構(gòu)將電源轉(zhuǎn)換器固定在支撐面上。電機(jī)向下運(yùn)行，拔出插頭，然后，電機(jī)再次向上運(yùn)行，往返進(jìn)行5 次插拔后。電機(jī)再次向下運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)處于非受力狀態(tài)，電機(jī)暫停運(yùn)動(dòng)，30 s 后，如插頭未從插座內(nèi)掉出，則單插銷最小拔出力合格。隨后，電機(jī)繼續(xù)向下運(yùn)行，單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)與砝碼塊連接上后，插座上受力為多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)的重力，此時(shí)，插頭迅速從插座掉下，則多插銷拔出力合格，整個(gè)拔出力檢定過程結(jié)束。

1.2 電參數(shù)檢定裝置設(shè)計(jì)

電參數(shù)檢定裝置主要由耐壓測試儀GPI745A［3-4］(電氣強(qiáng)度測試儀器)、數(shù)字多用表2010［5］(極性及工作正常性測試儀器)、高阻計(jì)6517A［6］(絕緣電阻測試儀器)和多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。計(jì)算機(jī)通過IEEE488 接口分別控制數(shù)字多用表、耐壓測試儀和高阻計(jì)，實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)項(xiàng)目的檢定。設(shè)計(jì)多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)在電源轉(zhuǎn)換器的“L”，“N”，“E”和外殼間連線的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，不需要人工進(jìn)行繁瑣的接線工作，從而實(shí)現(xiàn)電參數(shù)檢定項(xiàng)目的快速檢定。電參數(shù)檢定裝置原理框圖如圖1 左下方所示。

1)極性及工作正常性檢定要求電源轉(zhuǎn)換器上插頭的3 個(gè)插銷和每一個(gè)插座的3 個(gè)插座的極性必須滿足左邊為零線，右邊為火線和中間為地線的要求，電源轉(zhuǎn)換器插頭和每一個(gè)插座極性對(duì)應(yīng)的插銷和插套之間可靠連接，導(dǎo)通電阻需小于0.5 Ω。

2)絕緣電阻檢定是測量“L”，“N”，“E”和外殼間的絕緣電阻是否大于500 MΩ，大于則合格。

3)電氣強(qiáng)度檢定是測試“L”，“N”，“E”和外殼間的抗電性能是否合格。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)快速檢定的目的，著重解決了拔出力檢定裝置機(jī)械設(shè)計(jì)和多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.1 拔出力檢定裝置機(jī)械設(shè)計(jì)

拔出力檢定裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對(duì)規(guī)程中的量規(guī)法進(jìn)行了革新，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)與量規(guī)法檢定原理相結(jié)合，合理巧妙地設(shè)計(jì)支撐機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。支撐機(jī)構(gòu)固定在基座上，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支撐機(jī)構(gòu)采用同軸套筒的形式，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軸套在支撐軸外。分別使用上下限位緊固塊進(jìn)行限位，以控制上下的總行程，限位緊固塊的位置可調(diào)整，方便調(diào)試和使用。在限位緊固塊和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)間使用彈簧支撐，使得支撐和運(yùn)行機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)平滑穩(wěn)定，并且對(duì)共計(jì)重達(dá)300 N 的特制量規(guī)(專用砝碼)同時(shí)掉下起到有效的緩沖作用。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需帶動(dòng)拔出力特制量規(guī)(專用砝碼)實(shí)現(xiàn)插拔操作，還需確保單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)在檢定時(shí)垂直向下，并且與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能有任何受力。為此，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

1)單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳力部分設(shè)計(jì)為倒圓錐形。倒圓錐形使得插頭需要插入插座時(shí)，可通過倒圓錐形的上部傳力，實(shí)現(xiàn)插入的動(dòng)作。當(dāng)插頭插入插座后，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行很小的距離，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與圓錐上面部分脫離，而圓錐下部由于體積小，與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)沒有任何接觸，確保了電源轉(zhuǎn)換器插座承受的力只有單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)自身的重力。

2)為了實(shí)現(xiàn)單插銷最小拔出力和多插銷最大拔出力的快速檢定，避免更換最小拔出力和最大拔出力特制量規(guī)(專用砝碼)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)由單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)和下端放置在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的砝碼塊組成。因此，需要實(shí)現(xiàn)單插銷拔出力量規(guī)在檢定最小拔出力時(shí)與下面的砝碼塊處于非受力狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套專用的聯(lián)接軸，空心圓柱體工件和螺母工件組成。空心圓柱體固定在砝碼塊上，圓柱體上部設(shè)計(jì)一圓孔，圓柱體與單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)的聯(lián)接通過一個(gè)類似螺母的工件，螺母穿過圓孔固定在單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)上。插頭插入插座后，螺母與圓柱體不接觸，插座受力只有單插銷最小拔出力。當(dāng)電機(jī)向下運(yùn)行，螺母和圓柱體接觸并受力，使得插座受力為單插銷拔出力量規(guī)(專用砝碼)與砝碼塊的重力相加，等于規(guī)程所要求的多插銷拔出力力值。

特制量規(guī)(專用砝碼)的設(shè)計(jì)是拔出力檢定裝置的另一個(gè)難點(diǎn)。由于受電源轉(zhuǎn)換器孔位間的尺寸限制，需要準(zhǔn)確計(jì)算不規(guī)則工件的重量，且能夠像砝碼一樣對(duì)重量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。多插銷量規(guī)(專用砝碼)采用了中空的機(jī)構(gòu)，采用密度很大的鉛作為填充物，且易于調(diào)整其重量。單插銷量規(guī)(專用砝碼)也可在連接處通過注入或取出鉛進(jìn)行重量微調(diào)。

2.2 多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢定極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度和絕緣電阻三個(gè)主要常規(guī)檢定項(xiàng)目，需要在“L”，“N”，“E”和外殼間轉(zhuǎn)換，采用人工接線費(fèi)時(shí)費(fèi)力。以對(duì)6 個(gè)孔位電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行極性及工作正常性檢定為例，需要進(jìn)行48 次接線。由于檢定上述三個(gè)項(xiàng)目，需測量電阻很小的導(dǎo)通電阻，又需要測量超過數(shù)百兆的高值電阻，還需要通過高達(dá)兩千伏的電壓，市購的轉(zhuǎn)換開關(guān)無法滿足。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用的多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在“L”，“N”，“E”以及外殼間自動(dòng)切換。通過利用轉(zhuǎn)換開關(guān)，檢定一個(gè)6 孔位的電源轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通電阻只需插拔6 次即可。

檢定極性及工作正常性時(shí)，將插頭直接插入插座，通過電磁繼電器分別選通插頭和插座的“L”，“N”和“E”極進(jìn)行導(dǎo)通電阻測量。為了接線簡單快捷，實(shí)現(xiàn)快速檢定，采用兩線式接線。為了避免電磁繼電器的接觸電阻引入誤差，使用接觸導(dǎo)通電阻重復(fù)性好的電磁繼電器，對(duì)其引入的電阻通過軟件加以修正，并對(duì)修正值定期進(jìn)行核驗(yàn)。極性及工作正常性檢定選通原理圖如圖3所示。

圖3 極性及工作正常性檢定選通原理圖

繼電器1 和繼電器4 通，選通插頭L 和插座L，測量之間的導(dǎo)通電阻;繼電器2 和繼電器5 通，選通插頭N 和插座N;繼電器3 和繼電器6 通，選通插頭E 和插座E。

為了通過2 kV 的高電壓，系統(tǒng)選用了真空繼電器作為選通開關(guān)。由于測量絕緣電阻的原理也是施加數(shù)百伏的電壓在被測物上，通過測量電流再計(jì)算出相應(yīng)的電阻值。因此，電氣強(qiáng)度檢定和絕緣電阻檢定可以共用選通電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為避免電氣強(qiáng)度檢定和絕緣電阻檢定間的相互影響，增加了兩只真空繼電器分別選通耐壓測試儀GPI745A 和高阻計(jì)6517A 的正負(fù)極。真空繼電器所需的驅(qū)動(dòng)電流約150 mA，電壓為24 V，系統(tǒng)采用了繼電器二級(jí)選通的方式，首先選通電磁繼電器，再由電磁繼電器選通相對(duì)應(yīng)的真空繼電器。原理圖如圖4所示。

圖4 電氣強(qiáng)度和絕緣電阻檢定選通原理圖

由于耐壓測試儀器和絕緣測試儀器的技術(shù)指標(biāo)都高于規(guī)程要求的3 倍以上，且測試的電壓高達(dá)2 kV，測試電阻最小達(dá)數(shù)百兆，因此，轉(zhuǎn)換開關(guān)及其引線的影響可不予考慮。但檢定規(guī)程要求導(dǎo)通電阻小于0.5 Ω，因此繼電器導(dǎo)通的接觸電阻和連接線引入的電阻將影響檢定結(jié)果。為此，將測量端分別短接，測出引入電阻的值，使用平均值對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正。引入電阻測量值見表1。

表1 轉(zhuǎn)換開關(guān)引入電阻值

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序是人機(jī)交互的界面，依據(jù)檢定規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，突出自動(dòng)、快速、智能的特點(diǎn)，操作簡單方便，可在主界面下完成一次檢定的全部操作。主程序流程圖如圖5所示。

3.2 電參數(shù)檢定軟件

極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度和絕緣電阻三個(gè)檢定項(xiàng)目，由計(jì)算機(jī)通過GPIB 接口卡控制數(shù)字多用表、耐壓測試儀和高阻計(jì)進(jìn)行檢定，每臺(tái)儀器設(shè)定不同的GPIB 地址，分別為21，23，22。三個(gè)檢定項(xiàng)目的流程基本相似，以極性及工作正常性為例，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)用于快速檢定型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器，試驗(yàn)驗(yàn)證主要有兩方面，一是檢定所需花費(fèi)的時(shí)間，二是人工檢定與使用檢定系統(tǒng)檢定結(jié)果的比較驗(yàn)證。人工檢定一只型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器的時(shí)間約80 min，而采用快速檢定系統(tǒng)進(jìn)行檢定，不足20 min 即可完成，且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢定效率。

圖6 極性及工作正常性檢定流程圖

在滿足規(guī)程要求的環(huán)境條件下，使用相同的測試設(shè)備，對(duì)同一只型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器，分別采用人工和快速檢定系統(tǒng)進(jìn)行5 次檢定。兩種方式5 次檢定所有檢定項(xiàng)目均合格。本文將具有測試數(shù)據(jù)的導(dǎo)通電阻和絕緣電阻的部分檢定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，表2 是對(duì)導(dǎo)通電阻檢定數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，表3 給出了絕緣電阻檢定數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

表2 導(dǎo)通電阻檢定數(shù)據(jù)驗(yàn)證

表3 絕緣電阻檢定數(shù)據(jù)驗(yàn)證

表2 和表3 的檢定數(shù)據(jù)表明，人工檢定與本文設(shè)計(jì)的快速檢定系統(tǒng)檢定的數(shù)據(jù)基本相同，系統(tǒng)檢定數(shù)據(jù)重復(fù)性略優(yōu)于人工檢定數(shù)據(jù)，符合規(guī)程的要求。

5 結(jié)論

在研制的電源轉(zhuǎn)換器快速檢定系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了專用拔出力檢定裝置，可同時(shí)對(duì)多個(gè)孔位進(jìn)行單插銷最小拔出力和多插銷最大拔出力的檢定;設(shè)計(jì)了多功能智能轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極性及工作正常性、電氣強(qiáng)度和絕緣電阻等主要檢定項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)檢定的轉(zhuǎn)換功能;對(duì)采用目視法檢定的項(xiàng)目，檢定結(jié)果由人工錄入系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)自動(dòng)處理檢定結(jié)果，并按規(guī)定格式自動(dòng)出具原始記錄和證書報(bào)告。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，人工檢定和系統(tǒng)檢定的數(shù)據(jù)基本相同，所研制的檢定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)型號(hào)專用電源轉(zhuǎn)換器的快速檢定。

［1］Q/W 892A-2007 電源轉(zhuǎn)換器檢定規(guī)程［S］.

［2］弓振宇，仲志新，吳小華.航空電源轉(zhuǎn)換器功能檢測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)測技術(shù)，2005，25(4):49-51.

［3］GPI/GPT SERIES PROGRAMMABLE EST PROGRAMMER MANUAL［M/OL］.［2012-12-20］.http://www.docin.com/p-55434489.html.

［4］電子安規(guī)測試器使用手冊(cè)［M/OL］.［2012-12-20］.http://www.docin.com/p-96578360.html.

［5］Keithley Instrument Inc.Model 2010 Multimeter User's Manual［Z］.Fifth Printing.2003.

［6］Keithley Instrument Inc.Model 6517 Electrometer User's Manual［Z］.Fourth Printing.1995.