上海旺徐電氣有限公司
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電力變壓器容量損耗測試儀的設計研究
點擊次數:757 發布時間:2017-05-11

電力變壓器容量損耗測試對于變壓器制造單位的出廠試驗,以及電力部門有效降低線損、防止高耗變壓器進入電網有著重要的意義。為此, 設計了一種用于電力變壓器的空載及負載試驗的容量損耗測試儀。該儀器所測的直接參數是三相電壓、三相電流、三相功率及試驗電源的頻率。空載試驗時根據所測數據計算出平均電壓、平均電流、總功率、空載電流和校正后的空載損耗;負載試驗時根據測量值計算出短路阻抗、短路損耗以及在額定電流下折算到75 ℃參考溫度時的短路損耗;基于軟件查表功能的設計,按照有關標準進行被測變壓器的容量判別[1-2] 。該儀器集多種試驗方式于一體,提供了二表法和三表法試驗。為適合直接測量和通過互感器測量,儀器的電壓測量范圍為0~500 V(125 V 與500 V 量程自動轉換);電流測量范圍為0 ~60 A(6 A與60 A 兩個量程)。在設計中結合先進芯片技術和軟件智能同步采樣測量策略,使儀器的電壓電流和功率的測量精度大為提高。

變壓器容量及損耗測試儀具有以下特點:儀器對三相電壓電流同時采樣;基于旋轉式光電編碼器和液晶顯示屏的人機交互界面簡潔而;可編程計數器陣列PCA“捕獲”信號的過零點用于雙向過零平均鑒相,得到準確的相位差和周期;基于實時參數自尋優的軟件同步采樣,有效地減小了周期截斷誤差,提高了測量準確度;數字化功率測量引入了傳統的二表法和三表法,擴展了儀器的使用范圍;實際容量根據負載損耗用軟件查表的方法來判別;測量值已從試驗溫度折算到了參考溫度(75 ℃)時的值。

 

1 系統結構與工作原理


      就測試儀的基本功能而言,實際上是一種對低功率因數的空載損耗和負載損耗進行采樣計算式測量的數字儀器。系統由三相電壓電流傳感器單元、信號調理單元、A/ D 轉換單元、微處理器、人機交互顯示單元、上位機通信單元、擴展存儲器單元和微型打印機驅動單元等幾部分構成,如圖1 所示。模擬信號經過傳感器隔離變換后進入信號調理單元,進行濾波和放大。調理后的信號送A/ D 轉換器MAX125 進行模數轉換。取三相電壓電流信號的六路過零點送微處理器作為相位捕獲。人機交互接口由液晶顯示屏和高速旋轉鼠標形成的指令輸入器構成。微型熱敏打印機用于試驗結果的打印。另外,通過串口芯片MAX202 構成簡易RS232 接口,可以將測量數據傳送給上位機。


      1 .1 微處理器選擇


      微處理器的選擇要使片內資源能適合系統的需求。選擇philips 公司的P89C51RD2 增強型單片微計算機,片內具有5 模塊可編程計數陣列PCA 用于頻率和相位的精密測量;硬件看門狗計數器WDT,防止程序跑飛的自復位; 64 K 程序存儲器,滿足了大容量復雜程序和屏顯漢字編碼的存儲;其增強型內核、引腳排列、指令系統都與增強型MCS-51 芯片保持100 % 兼容,加快了研發的進度。


      1 .2 傳感器和信號的前置處理


      測試儀的三相電壓信號和三相電流信號由微型精密電壓傳感器和電流互感器引入。圖2 所示的是截于工程原理圖的A 相電壓信號的前置處理單元,圖2 中VT1 是PT43DO01 型無源交流電壓隔離傳感器模塊,將被測交流電壓隔離轉換成同頻同相的交流電流信號(隔離電壓達3 kV/ min),模塊是通過從輸入回路索取1 mA 電流來達到測量目的的, 具有0 .08 % 的線性度。圖中375 kΩ 的R120 和125kΩ 的R101 是模塊輸入信號的定標電阻,按1 000Ω/ V 配置, 加在定標電阻上的信號由微型繼電器K1 在125 V 和500 V 量程間切換; 模塊的輸出為跟蹤電流源輸出,滿度標稱輸出為1 mA, R9 是其采樣電阻, 滿度值為1 .5 V。圖2 中U3 是集成運放OP07,接成同相放大的形式,將被測信號尺度定標后送A/ D 模數轉換。兩個量程的放大反饋電阻是R3 和R4, U1 是3 二選一CMOS 模擬開關CD4053,將U3 運放同相放大電路的電流匯集點移至模擬開關的輸入端,也就是說,將用于量程切換的模擬開關接入同相放大運放電路電流匯集點的內側,這樣,模擬開關的導通電阻Ron 將被歸并入運放的輸入電阻,運放本身的高輸入阻抗使Ron 得以忽略。U6 是比較器LM311,在交流信號的過零時刻翻轉,供單片機的PCA 捕獲,得到頻率和相位。


      B 相和C 相電壓信號的前置處理單元和圖2 所示是一樣的。三相電流信號的前置處理單元的原理也與此類似,只不過將其中的無源交流電壓隔離傳感器換成無源交流電流隔離傳感器, 50 A 和5 A的電流隔離傳感器CT53C101 和CT53C902, 均能在10 % ~120 % 的標稱輸入時保持0 .08 % 的線性度,滿度輸出分別為25 mA 和5 mA。


      1 .3 A/ D 轉換器MAX125 的操作


      為了保證對三相電壓、電流同時采樣,以消除由非同時采樣帶來的電壓和電流的角度差,選用2 片MAX 公司的MAX125 作為A/ D 轉換器件。MAX125 是內部帶有同時采樣保持器的高速2×4通道14 bit 位數據采集芯片,其每通道的轉換時間為3 μs,由于其本身集成了多路開關和采樣保持器,也使硬件電路得到了簡化, 提高了可靠性。但MAX125 是14 位并行數據總線結構, 單片機P89C51RD2 則是8 位數據總線接口, 它們不能直接相連, 所以要設計一個擴展電路, 如圖3 所示(圖3 是截于工程原理圖的A/ D 轉換器接口電路)。擴展接口由數據鎖存器U5 (74HC573)、數據緩沖器U4 ( 74HC245 )、可編程邏輯器件U10(ATF16V8) 等構成。將2 片MAX125 的14 根數據線D0~D13、讀有效線RD、寫有效線WR以及轉換啟動命令線CONVST 都并聯在一起, 對不同MAX125 的讀寫操作可有其對應的片選線ADCS1和ADCS2來區分。數據緩沖器74HC245 是雙向器件,數據傳送方向由引腳1 DIR 控制,DIR 為低電平時,單片機向MAX125 寫入初始化命令;DIR 為高電平時,單片機從MAX125 讀入模數轉換的結果。


      對采樣三相電壓三相電流的2 片MAX125 是這樣操作的: 拉低CONVST,同時啟動電壓和電流的A/ D 轉換;轉換完成信號ADINT 可由電壓通道MAX125 給出,單片機被ADINT由高變低中斷后,開始讀取電壓數據。首先譯碼輸出ADCS1為低,選通電壓通道MAX125 , 同時RD為低, 這樣14 位數據并行輸出, 其中D8 ~D13 高6 位數據被鎖存到數據鎖存器74HC573 中,而低8 位數據通過緩沖器74HC245 直接被讀入到P89C51RD 內存中; 之后單片機進入第二次讀操作, 此次不選通MAX125即ADCS1保持為高電平, 而選通74HC573 (其OC腳和C 腳均為低),這樣將高6 位數據讀入到內存中, 完成一個采樣結果的讀取工作。后面的數據同此操作也可讀入到內存中。當3 路電壓數據( A、B、C 三相) 都讀入內存后, P89C51RD 再譯碼輸出ADCS2為低,選通電流通道的MAX125,接下去的操作同電壓轉換數據的讀取。如圖3 所示, 以上各個芯片,以及LCD 顯示屏和微型打印機的選通操作,都由可編程邏輯器件U10(ATF16V8)對單片機地址總線的高4 位和讀寫線的譯碼來完成。


      1 .4 人機界面中的指令輸入器


    變壓器容量及損耗測試儀采用大屏幕(320× 240 點陣)液晶顯示器和高速旋轉鼠標構成人機交互界面。菜單嚴格分級,逐步引導操作,只需要開機,儀器提供的菜單就會引導完成所需要的試驗。所謂旋轉鼠標, 其實就是一種旋轉式光電編碼開關,作為指令輸入器,它有“左旋”、“ 右旋”和“ 按下選定”3 種操作,可用于菜單選項的選擇和選定,以及數字的設定和輸入。圖4是一種光電編碼開關的外形圖,其接口信號的編碼對應著2 位循環碼(格雷碼),循環碼的特點是由一個計數狀態變到下一個計數狀態的過程中, 只有一位數碼變化,因此在循環碼的譯碼器中,不會產生競爭冒險現象。但循環碼不能用二進制計算來判別大小和順序,所以要判別光電編碼開關是“ 左旋”還是“右旋”時,要引入接口信號現狀態和前狀態進行分支邏輯判斷,軟件編程稍稍復雜一點。旋轉式光電編碼開關的輸入邏輯與單片機的外中斷口相連,在軟件中精心設計中斷服務程序,無論指令輸入還是數字設定,均可高速操作,且手感也好。這種旋轉式光電編碼開關很適合于在智能儀器中用來作為人機交互的指令輸入器 。

 

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