隔離變壓器的設計方法

明達電子 · 發表于 2014-12-14 22:01:21

隔離變壓器的設計
陳本孝
楊國清
在計算機系統工作的環境中
,
不可避免存在著電場
、
磁場和交變電磁場
,
而計算機系
統與大地之間以及計算機
、
線路和元件之間
,
存在著絕緣電阻
、
分布電容和分布電感
,
電磁
場的干擾便通過這些分布參數藕合到計算機系統中
,
影響著它的安全
。
這種空間電磁場的千
擾在高電壓
、
大電流電器設備附近 (比如高壓試驗大廳
,
高
、
低壓開關試驗站等) 尤為嚴
重
。
另一種便是來自電源線路的干擾
.
由于工業用電日益增加
,
各種機床設備的電機
、
電源
開關一可控硅
、
電焊等用電設備產生的干擾沿著工頻供電電網到處亂竄
,
使工頻電源的污染
越來越嚴重
。
此外
,
當強電系統發生故障時 (如絕緣擊穿)
,
電器設備的保護地線將出現電
流
,
由于設備的接地電極來不及在極短的時間內通過其擴散電磁場將地電流擴散出去
,
因此
這種地電流引起地電位的波動也相當厲害
。
這種來自電源線路的干擾危害極大
,
徹底解決的
辦法是采用獨立的電源系統單獨供電
,
但成本太高
,
對一般情況不合適
。
為確保數字測量與
控制等裝置的安全
,
通常是將強電裝置的供電系統與弱電供電系統分開
,
強電接地系統與弱
電接地系統也分開
,
采取正確的屏蔽與接地措施[ ‘l
。
為了安全地使用計算機
,
嚴格地說
,
還應當在弱電系統中將公用電網與計算機系統相互
隔開
,
以切斷二者之間電的聯系
,
進一步將弱電系統中邏輯地和計算機地分開 (圖3 )
,
消
除邏輯地電位的變化對計算機地電位的影響
。
為此
,
必須采用隔離變壓器
。
一
、
隔離變壓器及其帶隔離變壓器的電源系統
隔離變壓器實質上是變比為l
:
1的變壓器
,
其主要任務是
“隔離”
。
因此
,
要求盡量消
除原方與副方繞組之間電位差的影響
,即原方與副方繞組之間的棍合電容越小越好
,這就要求
它的原方繞組與副方繞組在結構上相互遠離
,
而不象普通變壓器那樣緊密地繞制在一起
,
這
是它與普通變壓器的主要區別之一
;
區別之二是隔離變壓器不僅應消除外來電磁場及電源線
路的干擾
,
其本身也不應干擾其它電路
,因此在結構上至少需要加入兩種以上的屏蔽層t“]
。

r‘
,
L
廠
|;q
~
2 之OV
B
~ 2 2oV
l! J
、邏,、否
-l
計算機地
圖
1
如圖1所示
,
A
、
B分別為原
、
副方繞組
,
A
、
B間的分布電容為
C
,
C
,為原方繞組與原方屏蔽層間的分布電容
,
C
Z為副方繞組
與副方屏蔽層間的分布電容
,
C
3為兩屏蔽層間的分布電容
。
由
于A
、
B間距離較遠
,
致使其間的分布電容C甚小
,
而C可視為
C
,
、
C
Z
、
C
3三者串聯
,
因此C遠小于C
l
、
C
Z
、
C
3
,即容抗
x
。遠
大于x
c :
、
X
e
:
、
X
c
3
。
為了使原
、
副方繞組相互遠離
,
較為合理的結構形式如圖2
( a) 所示
,
鐵芯的幾何形狀為n形
。
原方繞組與副方繞組分別繞
作者單位
:
華中工學院
制在鐵芯的左邊和右邊
。
為了加大A
、
B 間的
距離
,
勢必要擴大鐵芯窗口面積
,
降低導線的
率回黔
擅
區
【二
:邏珊嫩
計算機地
‘
也

:翔
羅
一
圖
2
(a)
圖
2
(b)
窗口堆充率
,
也勢必增加鐵芯的體積
,
這就是隔離變壓器比同等容量的電源變壓器體積要求
的原因
。
另外
,
也可采用E 型鐵芯
,
將原方繞組和副方繞組分別繞制在鐵芯中柱的上半部分及下
半部分仁圖2(b)〕
,
對兩個繞組的屏蔽與接地要求基本相同
。
現在我們所采用的隔離變壓器
便是這種類型
,
在使用中仍達到了預期的效果
。
帶隔離變壓器的電源系統如圖3所示
,
220 伏電源經交流穩壓器后由二型高頻去藕濾波器
濾掉來自電源中的脈沖性干擾
,
然后經隔離變壓器為計算機系統提供電源
。
隔離變壓器的原
方屏蔽層與邏輯地相連
,
副方屏蔽層與計算機地相連
。
來自公用電源的千擾
,
首先竄入隔離
飛雍穩壓器
高煩去粉濾波
尸一一 ]
「
-一一一一門
隔離變壓器
計沐機系統
匕
一一
圖
3
變壓器的原方
,
通過原方繞組與原
方屏蔽層間的分布電容C
:直接導
入邏輯地
,
這樣便經過了一次主要
的隔離
。
順便指出
,
盡管原
、
副方
間的分布電容C甚小
,
但畢競存
在
,
即原
、
副方繞組間的分布容抗
X
。不為無窮大
,
因此從原方到副
方仍有
“漏網,
的千擾
。
對于這極
少數
“漏網”的干擾
,
則仍通過C
榔合到副方
,
進入計算機系統
。
此時
,
由于計算機系統中的電源變壓器屏蔽層作用
,
使上述
“漏網
”而竄入的干擾再次導入計算機地
,
于是電源變壓器也等于完成了對干擾的又一次
“隔離
”作用
。
正是由于這種屏蔽與隔離的作用
,
為計算機系統消除了外來的干擾
。
另一方
畫計棄機系統在工作過程中
,
如果本身產生了干擾
,
通過計算機的電源變壓器反向竄入隔離
變壓器副方繞組B時
,
也能通過B與副方屏蔽層間的分布電容C
:直接禍合到計算機地
。
這
樣
,
干擾便不會由計算機系統反竄到公用電源中去
,
從而避免了計算機本身對公用電源系統
中其它電路的影響
。
由此可見
,
隔離變壓器不僅實現了對線路 (原
、
副方繞組) 周圍的靜電
屏蔽
,
而月
一控制了無用電流即干擾電流的流向
,
也就是其屏蔽層為干擾電流提供了一條通
路
。
因此
,
這兩種屏蔽層必須與各自的地相接
:
原方屏蔽層接邏輯地
,
副方屏蔽咭
;接計算機
地
。
否則
,
干擾信號無法導入地中
,
屏蔽便失去了應有的作用
。
眾所周知
,
計算機對外部設備的控制是通過外部接口電路利用相應的軟件來實現的
。
為
了提高計算機的抗干擾能力
,
經外部接口電路進
、
出計算機的信號
,
一般都用光電棍合器來
卿迎i瑪
.考器
光電棍合器
邏斗11厄
:
PPPI()))
電路22222
.
{A
。
。
l
·詳機」也
PP 10000BBlllll
}
‘
一各
嚴
路333
計算機地曬
:
沁邏講甩
圖
4
(a)
圖
4
(b)
隔離
,
如圖4所示
。
當外部信號輸入計算機
,
例如輸入P IO 的A
。位時 [ 圖4(
a)〕
,
外部接
口電路中電路1的地接邏輯地
,
電路2的地接計算機地,
當計算機
,
例如從P IO 的B:位向外
輸出信號時〔圖4(b)〕
,
電路3的地與計算機地相連
,
電路4的地則與邏輯地相連
。
這種
經過光電藕合器進行隔離傳送的前提
,
必須是邏輯地與計算機地的分開
,
從這個角度而言
,
也必須采用隔離變壓器
。
否則
,
邏輯地與計算機地二者只能重合
,
共用電源系統與計算機系
統仍可通過同一接地點形成通路
,
光電藕合器便起不到應有的隔離作用
。

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