温升试验断电后绕组阻值自动检测设备的研发和实现

白采玉，侯 明，陈 洁

（滁州市技术监督检测中心，安徽 滁州 239000）

0 引言

家用电器产品在正常使用过程中都会产生发热现象，导致器具本身以及周围环境的温度升高，直接危险是火灾，间接危险会加速部件老化、材料软化和熔融。器具发热的原因之一就是由线圈、绕组、铁心引起。家电等产品中有很多存在多个绕组的零部件如变压器，过高的温度会造成损坏，带来危险[1]。因此，需要在发热试验中测试他们的绕组温升，作为家电零部件产品重要的安全检测项目，绕组温升试验被列入国家强制标准。但是，目前用于测试温升绕组阻值的仪器设备大多是通过采用人工测试的方法，不容易快速、准确地进行测试。

1 温升试验断电后绕组阻值自动检测设备研究的意义

温升试验是评定家电整机及电子元器件产品安全性及使用寿命的一个重要指标，《家用和类似用途电器的安全 第1 部分：通用要求》（GB 4706.1—2005）标准第11 章节发热试验有明确规定，检测产品在规定的条件下，是否达到了标准规定的限值[2]。确保在正常使用中，产品和其周围环境温度不过高，考核产品使用的安全性。绕组温度对绝缘体材料的耐热性能及老化具有决定性作用，当绕组温度超过绝缘可承受的能力时，会影响家电等产品的正常运行[3]。

温升试验采用手动测试存在的问题：①为了便于测试，特别是针对整机样品，绕组接的引出线往往较长，而引出线和绕组所处的环境温度相差较大，对检测结果有影响，尤其是小阻值的绕组。②对于大多数产品，从断电到表笔接上引出线测试至少需要0.5s，某些结构复杂的整机产品甚至需要3s，时间越长逆向推导断电时刻的绕组阻值不确定度越大。③断电时表笔接上绕组引线一般是手动操作，接触电阻大还不稳定。④从断电时刻到记录下第一个绕组阻值时间的间隔，目前基本采用秒表手工计时，计时的准确程度影响阻值的不确定度。

温升试验采用带电测试存在的问题：①由于直接带电测量阻值，可能会烧毁电阻测量的仪器设备，因此要实现样品带电工作状态下测试阻值必须增加处理电路，易存在系统性误差。②由于样品带电工作状态下测阻值，存在供电质量（例如电压波动、谐波畸变等）对绕组带电测试仪测试结果的影响，增大了测试结果的不确定度。

因此，研发一款温升试验断电后绕组阻值快速地自动检测，直接读取断电时刻的绕组阻值的设备，将有效解决家电整机及电子元器件行业普遍中存在的测试问题，解决现有手动测试方法存在的缺陷，进一步促进电子及智能家电行业产品质量的提升和新兴产业的转型升级。

2 温升试验断电后绕组阻值自动检测设备设计研究的分析

2.1 温升试验断电后绕组阻值检测研究的现状分析

在对家电整机及电子元器件安全性检测的机构开展前期调研过程中发现，现阶段各个机构绕组温升测试多是采用《家用和类似用途电器的安全 第1 部分：通用要求》（GB 4706.1—2005）规定的电阻法。因为绕组阻值随着温度变化而变化的性质，没法在关闭开关的瞬间检测结束时的电阻，因此绕组阻值需在断开开关后和其后的几个短的时间间隔，尽可能快地测试几次电阻，以便绘制一条电阻对时间变化的拟合曲线，计算断电后瞬间的电阻值[4]。

大多数的检测机构采用手动测试的方法，测试前将样品绕组接引出线→样品断电→迅速将测试设备接上绕组的引出线，读取阻值，并时刻点，一般有两种方法：①掐秒表记录；②某些采用带有时间刻度记录功能的万用表记录时刻。由记录下的绕组阻值和时间刻度，作出绕组阻值随时间变化的曲线，并由该曲线逆向推导断电时刻的绕组阻值。将推导出的绕组阻值带入温升计算公式，计算出绕组的温升值。

部分检测机构采用带电绕组温升测试仪器，在待测样品带电工作的状态下直接实时读取待测样品的绕组阻值。尤其是像多个绕组的变压器的温升试验，在多台测量电阻的仪器设备同时测量多个绕组的电阻时，仪器设备之间可能会产生干扰，测量结果与使用一台仪器设备单独的测量结果有明显差异，在多个绕组的情况下，如果按规定顺序测试完多个绕组，则无法满足标准规定的在断电后极短的时间间隔内尽可能快地测量几次电阻的要求[5]。

2.2 温升试验断电后绕组阻值自动检测设备设计研究的实现目标

家用电器产品、电气产品等产品的温升试验是型式试验的重要试验项目之一，同时也是设计研发阶段试验前和试验后的重要试验指标之一，器具绕组的热点温升更是衡量器具绕组设计优劣的一个重要指标[6]。所以，对于通过什么方式、如何通过正确的过程获取正确的温升试验数据尤为重要。

设计实现一种温升试验断电后绕组阻值自动检测的设备，主要实现的目标：①设计研发设备的结构及电气部分的功能，主要解决实现如何使设备内部的电气连接以及设备与待测样品绕组引出线，可以方便连接、可靠、且接触电阻低。②设计实现切换电路的功能，主要解决实现在待侧样品断电后绕组测量电路可以能够自动地、快速地通过电气元件的动作连接到样品引出线上。③设计研发设备的数据测量及采集部分的功能，主要解决的问题是采用何种仪器仪表、如何对相关数据进行采集、测量绕组阻值时对应时刻点应采用什么样的记录方式。④设计研发设备的嵌入式软件的功能，开发软件可以实现对采集到的绕组阻值和时间数据进行存储、建立数据库，且可以内建逆向推导绕组断电时刻阻值的数学模型，测量数据采集的同时即可外推阻值，并且能以简洁、易交互的界面进行数据查询、测试控制并直接读取断电时刻的绕组阻值。

3 温升试验断电后绕组阻值自动检测设备设计研究的实现

一种温升试验断电后绕组阻值自动检测设备的设计研究过程中，重点内容是解决“设备结构及电气部分的设计”“切换电路的设计”“设备数据测量及采集的设计“以及“设备嵌入式软件的设计”等四个方面的关键技术问题。实现从人工接触测量绕组阻值方式转化为实现仪器设备自动进行测量，但是测量方法和原理无实质性的变化，仍然满足《家用和类似用途电器的安全 第1 部分：通用要求》（GB 4706.1—2005）等国家标准对温升试验绕组阻值的测量规定要求。

（1）硬件部分设计：“设备结构及电气部分”“切换电路”部分，整套电路包括精密电阻测试仪、电磁继电器、电路控制器、电源模块等，电路有两个独立的供电系统，一路给绕组负载供电，一路给精密电阻测试仪供电。电路中建有独立的绕组引出线连接系统，绕组引出线采用低内阻同轴电缆，接线方式采用钻夹头牢固连接，通过RS232 协议，实现继电器切换和检测数据的上传。

（2）软件部分设计：“设备数据测量及采集”“设备嵌入式软件”部分，采用Labview 语言编写，其数据处理功能强大便于调试，且提供很多外观与示波器、万用表等仪器类似的控件，方便用来创建用户界面，可以根据研发功能需要，自定义建立虚拟仪器。

打开软件，点击新建测试项目，在新建项目对话框中输入测试相关信息（如负载通电时间、负载断电后的总测试时间、采集时间间隔等），启动测试后，软件系统即可按照设定的参数，通过RS232 协议下发给控制硬件电路。硬件电路先给绕组负载通电一段时间，设定的通电时间到，电路通过继电器自动切断供电端，同时连接至精密电阻测试仪端口。按照软件中预先设定的采样时间间隔检测的断电后的绕组阻值自动存储和显示。

（3）设备的功能：整套测试系统功能的实现，依靠电路可靠连接和labview 软件程序有效控制。实现被测件冷态电阻测试、通电时间控制、电路切换、热态电阻测试等功能。还实现了历史数据查询功能和测试曲线拟合功能。曲线拟合斜率可以通过设置公式中拟合的阶次实现，阶次不同，曲线的斜率不同，选取一条最接近实际测试数据拟合的曲线，系统自动准确倒推并直接读出断电时刻绕组阻值，避免了手动描点绘图倒推产生的误差。断电后绕组阻值测试数据拟合曲线如图1所示。

图1 数据拟合曲线

（4）手动测试和自动检测设备测试数据对比。

通过对电冰箱、洗衣机、变压器断电后绕组阻值反复多次试验，三组不同样品断电后，其绕组阻值测试时长数据比对可得到以下结果：①手动测试约每5s 采样一次，10 组数据采集完成大约需要50s，再将10 组数据导入计算公式，最终计算出绕组断电时刻的阻值，总耗时至少需要180s。②温升试验绕组阻值断电测量设备的采样时间可自定义，自由调整且内置合适的数学模型外推断电时刻绕组阻值，即断电时刻绕组阻值是可视化的，可直接读取。该设备试验若设置以0.5s 采样一组数据，10 组数据采集完成，且计算出断电时刻绕组阻值，总耗时需要5s。由以上两种测试断电时刻绕组阻值总耗时长可知，温升试验绕组阻值断电测量设备比手动测试从断电瞬间到开始电阻检测间隔的时间明显下降，同时检测操作过程简便易操作，检测操作的总时间大幅度降低。其中一组变压器断电后绕组阻值手动测试和设备测试数据对比情况如表1 所示。手动测试断电瞬间绕组阻值拟合值为127.62Ω，温升试验断电后绕组阻值自动检测设备断电瞬间绕组阻值为127.7392Ω。

表1 手动测试和自动检测设备测试数据对比

另外，从不确定度角度考虑，温升试验断电后绕组阻值自动检测设备测量的不确定度主要来源是重复性测量、绕组阻值断电测量设备的误差、实验室内温度波动的误差，比手动测量少了线圈绕组外接引出线长度引起的误差，同时也避免了手动测试外接人体电阻引入产生的不确定度，由以上两种测试方法的合成不确定度可知，温升试验绕组阻值断电测量设备对测试结果不确定度的影响也降低了，保证了数据的精确性。

4 结语

本文研究一种温升试验断电后绕组阻值自动检测设备，授权专利两项，完成样机一台，可视化检测系统，完成了一个独立可靠的绕组引出线连接系统，断电后可以快速切换电路，快速自动按照时间轴测量记录绕组阻值，按照内建数学模型逆向推导直接读取绕组断电时刻绕组阻值，既能保证不带电测量又能够大幅降低检测的间隔时间，既提升了测试数据一致性，又提高了测试效率，实现绕组温升的智能化采集和处理，优化了温升试验检测过程中遇到的问题。