韓溟 楊曉玲 陳大秀 王琳 劉安

1 陜西省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 (陜西 西安 712046)

2 西安電子科技大學(xué)物理與光電學(xué)院 (陜西 西安 710071)

3 西安艾思康迪信息科技有限公司 (陜西 西安 710075)

內(nèi)容提要：基于溫度自反饋原理設(shè)計(jì)并研制了一套網(wǎng)電源變壓器過載檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在保證電氣安全的前提下，一鍵完成對(duì)變壓器的過載檢測(cè)，實(shí)時(shí)產(chǎn)生溫度、負(fù)載電流等參數(shù)報(bào)表，并自動(dòng)分析參數(shù)特征。該檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足醫(yī)療器械行業(yè)對(duì)網(wǎng)電源變壓器質(zhì)量控制的智能檢測(cè)需求，為后續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量提供數(shù)據(jù)分析依據(jù)。

網(wǎng)電源變壓器是醫(yī)用電氣設(shè)備中常用的關(guān)鍵部件，它的品質(zhì)關(guān)系著整個(gè)電氣設(shè)備的安全性能。變壓器過載超溫容易引起電氣設(shè)備的電介質(zhì)強(qiáng)度下降、性能劣化，甚至有著火的風(fēng)險(xiǎn)。因此無論是在產(chǎn)品注冊(cè)檢驗(yàn)還是強(qiáng)制認(rèn)證檢驗(yàn)中，國家對(duì)網(wǎng)電源變壓器的質(zhì)量都有著嚴(yán)格要求。GB 9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》中條款57.9.1和IEC60601-1:2012中條款15.5.1.3，對(duì)網(wǎng)電源變壓器的輸出繞組在短路和過載時(shí)的過熱情況提出了具體的要求，并給出指導(dǎo)性的檢測(cè)方法。然而目前用于網(wǎng)電源變壓器過載試驗(yàn)的設(shè)備存在自動(dòng)化程度不高、需要長(zhǎng)時(shí)間人工介入、功能不能滿足測(cè)試需求、精度不高等缺點(diǎn)[1-4]。本文基于溫度自反饋原理設(shè)計(jì)并研制了一種網(wǎng)電源變壓器過載自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過變壓器線圈反饋的溫度來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載大小，使變壓器快速處于過載狀態(tài)并完成測(cè)試。

1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試原理

1.1 過載試驗(yàn)概述

根據(jù)待測(cè)變壓器的額定功率、電壓、工作電流、絕緣材料等級(jí)及保護(hù)裝置，依據(jù)GB 9706.1-2007要求，試驗(yàn)電壓設(shè)定為額定供電電壓的110%，將變壓器加載到過載保護(hù)的臨界狀態(tài)并維持一定時(shí)間。對(duì)于符合GB 9364和IEC60241的保險(xiǎn)絲的電源變壓器，分別試驗(yàn)30min和60min，其他熔斷器加載30min，試驗(yàn)電流按熔斷器額定電流的相應(yīng)倍數(shù)設(shè)置，并用銅導(dǎo)線代替熔斷器。用熱短路器作保護(hù)裝置的變壓器，將繞組電流加載到熱斷路器動(dòng)作前的臨界值，但加載過程中臨界狀態(tài)不易獲得，稍有不慎就會(huì)觸發(fā)變壓器的保護(hù)裝置，從而不得不更換變壓器或者等待保護(hù)裝置恢復(fù)后再從頭進(jìn)行試驗(yàn)[5,6]。該檢測(cè)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好過載電流，試驗(yàn)過程中通過不斷調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，使得繞組的電流逐漸逼近過載電流直到穩(wěn)定下來，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的目的。

1.2 繞組溫升測(cè)量原理

網(wǎng)電源變壓器過載測(cè)試中一個(gè)關(guān)鍵問題是繞組溫度的測(cè)量，本文采用電阻法，通過在室溫時(shí)測(cè)定線圈的初始電阻和溫度，然后加電工作一段時(shí)間后再次測(cè)量線圈電阻值，利用公式推算出當(dāng)前線圈的溫度[5,7,8]。需要注意的是，試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度測(cè)量值不可受試驗(yàn)過程的影響，其測(cè)試點(diǎn)需放置在距變壓器足夠遠(yuǎn)距離處，測(cè)量前應(yīng)保證變壓器與環(huán)境溫度熱平衡。

變壓器繞組的電阻值采用直流惠斯通電橋法測(cè)量[9]。在實(shí)際研發(fā)過程中，為了能夠自動(dòng)化測(cè)量，通過差分放大器提取共模信號(hào)，同時(shí)消除共模噪聲。橋臂電阻選擇根據(jù)待測(cè)變壓器初、次級(jí)線圈的典型阻值范圍來設(shè)置，選用精度為1%的低溫漂電阻。給電橋供電的參考電壓源采用專用電壓基準(zhǔn)芯片，以提高測(cè)量精度[10]。

2.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

本文研制的檢測(cè)系統(tǒng)由專用測(cè)試箱和測(cè)試軟件組成。測(cè)試軟件運(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)中，具備指令驅(qū)動(dòng)和參數(shù)測(cè)試等功能。通過向測(cè)試箱發(fā)送配置和控制指令，讀取測(cè)試箱的測(cè)試結(jié)果和狀態(tài)反饋來完成測(cè)試過程。測(cè)試箱通過USB通信口與主機(jī)相連，與測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳輸，控制負(fù)載電路的載荷狀態(tài)，測(cè)試線圈溫度和負(fù)載電路電流等。

2.1 測(cè)試箱

檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試箱主要由總控制模塊和各個(gè)初、次級(jí)線圈中的子控制模塊構(gòu)成，設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1.硬件設(shè)計(jì)示意圖

圖2.測(cè)試箱外觀

總控制模塊負(fù)責(zé)與電腦主機(jī)和各子控制模塊的命令及數(shù)據(jù)通訊，控制變壓器初級(jí)線圈與電源和測(cè)試電路的切換連接，采集室溫溫度用于線圈溫度測(cè)量，接收各子模塊測(cè)量數(shù)據(jù)上傳電腦主機(jī)，并根據(jù)線圈溫度預(yù)設(shè)閾值發(fā)出警報(bào)信息。為保護(hù)測(cè)試設(shè)備和待測(cè)網(wǎng)電源變壓器，測(cè)試箱中設(shè)計(jì)了額外的溫度傳感器用于采集散熱器溫度來決定是否啟動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)降溫。子控制模塊負(fù)責(zé)接收總控制模塊的命令，測(cè)量當(dāng)前次級(jí)線圈測(cè)試前的電阻值以及加電一段時(shí)間后次級(jí)線圈的電阻值，并計(jì)算出線圈溫度，上報(bào)給總控制模塊，按照控制命令控制負(fù)載的大小，當(dāng)次級(jí)線圈溫度超過門限時(shí)，切斷負(fù)載連接。

測(cè)試箱中采用多個(gè)繼電器進(jìn)行測(cè)試電路的切換，繼電器能夠通過最高36A的電流，可以滿足常規(guī)醫(yī)用網(wǎng)電源變壓器的過載電流要求。測(cè)試箱外觀與內(nèi)部布局分別如圖2、圖3所示。

2.2 測(cè)試軟件

測(cè)試軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，能夠人工輸入變壓器的基本信息，包括各個(gè)次級(jí)的電壓值、材料等級(jí)、熔斷器（或過流釋放器）的電流值、熱斷路器的保護(hù)溫度等。測(cè)試軟件將次級(jí)額定電壓和額定電流設(shè)定后，一鍵開始實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)發(fā)送負(fù)載配置指令，并定時(shí)讀取線圈電阻值，計(jì)算線圈溫度，智能判斷線圈溫度是否超過溫度限制，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試軟件界面如圖4所示。

圖3.測(cè)試箱內(nèi)部硬件布局

軟件具體功能如下：①參數(shù)配置，子控制模塊的負(fù)載電阻值設(shè)置；負(fù)載端閉合與斷開的控制。②測(cè)試執(zhí)行，由總控制模塊切換電路連接，給負(fù)載加壓并維持規(guī)定的時(shí)間（默認(rèn)為30min）；測(cè)量短路實(shí)驗(yàn)時(shí)各初次級(jí)的短路電流和保護(hù)時(shí)間；測(cè)量過載電流和線圈溫度；自動(dòng)采集次級(jí)線圈的電阻值，并計(jì)算出次級(jí)線圈的溫度；測(cè)試完畢后，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告；遇到故障中途停止檢測(cè)。③報(bào)警功能，測(cè)試過程中，當(dāng)出現(xiàn)測(cè)試指標(biāo)超差時(shí)，在軟件界面中彈出報(bào)警信息；能夠?qū)υO(shè)備系統(tǒng)中的儀器進(jìn)行連接狀態(tài)自檢；當(dāng)儀器控制出錯(cuò)，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示信息。④數(shù)據(jù)處理，能自動(dòng)保存和處理原始數(shù)據(jù)；調(diào)看被測(cè)件的原始數(shù)據(jù)、初始參數(shù)；能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)置參數(shù)導(dǎo)出到Excel文檔中，并進(jìn)行打印。

圖4.測(cè)試軟件界面

3.結(jié)論

本文闡述了醫(yī)用網(wǎng)電源變壓器過載檢測(cè)原理，介紹了一套自主研制的全自動(dòng)過載檢測(cè)系統(tǒng)，通過變壓器線圈溫度自反饋來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)試驗(yàn)負(fù)載大小，使變壓器自動(dòng)處于過載狀態(tài)，一鍵式完成智能化測(cè)試。試驗(yàn)表明，該檢測(cè)系統(tǒng)無需繁雜的接線，不用長(zhǎng)時(shí)間的人工值守，連接簡(jiǎn)便，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，安全性強(qiáng)，自動(dòng)化程度大幅提高。