毕业设计（论文）-基于虚拟仪器的变压器测试平台.doc

毕业设计说明书基于虚拟仪器的变压器测试平台学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 6 月中北大学2015届毕业设计说明书基于虚拟仪器的变压器测试平台摘要本文介绍了一个通过LabVIEW软件设计的变压器参数测试系统。变压器参数的测量和计算是变压器的常规试验项目。本系统以PC机，DAQ数据采集卡，LEM传感器为硬件，LabVIEW为软件平台。该平台相对于传统的人工测试方法更加安全，方便，准确。大大提高了变压器参数测试的效率。此次设计整体设计方案包括硬件系统与软件系统。硬件系统中需要用到LEM传感器，USB6009型数据采集卡。LEM传感器用于采集变压器的电压，电流，功率。USB6009型数据采集卡主要进行AD转换，并把数字信号传入计算机。软件系统包括信号采集，信号分析和数据处理部分。信号采集部分采集来自数据采集卡的数字信号，信号分析通过IIR滤波把采集到的信号进行处理，数据处理部分把经过处理的信号进行计算得到我们需要的参数。在这次设计中进一步培养了软件的独立学习和程序设计的能力。综合考虑了软硬件各方面的要求，确定了合理的设计方案。关键词：变压器，LabVIEW,虚拟仪器The Parameters Test Platform for Transformers base on Virtual InstrumentationAbstractThis paper introduces a test transformer parameters system designed by LabVIEW.The measurement of transformer parameters and calculation is a routine test transformer project. This system by PC, DAQ data acquisition card, LEM sensorsfor hardware, LabVIEW software platform. The platform compared with the traditional manual testing method is more secure, convenient and accurate. Greatly mprove the efficiency of transformer parameter test.The design of the overall design scheme including hardware system and software system. Hardware in the system need to use the LEM sensors, data acquisition card USB6009. LEM sensors used for acquisition of transformer voltage, current, power. Data acquisition card USB6009 is mainly to the AD conversion，and the digital signal into the computer. Software system includes signal acquisition, signal analysis and data processing part. Signal sampling parts from digital signal data acquisition card. Signal analysis with IIR filter the collected signal processing. Data processing part of the processed signal to calculate the parameters what we need.Further develop the software in the design of independent learning and the abilityto program design. Considering the aspects of hardware and software requirements, the reasonable design scheme is determined.Key words：transformer，LabVIEW，virtual instrument目录1 引言11.1 选题依据21.2 国内为研究现状31.3 本文内容概述42 系统设计方案53 硬件设计63.1 硬件电路设计63.2 硬件介绍73.2.1 SG-5KVA三相芯式变压器 73.2.2 LV25-P电压传感器73.2.3 LTS6-NP 电流传感器83.2.4 WB C111S91-0 功率传感器93.2.5 USB6009型数据采集卡 94 参数计算 114.1 有功功率计算 114.2 相位差测量原理及方法 124.3 空载试验数据计算 134.4 短路试验数据计算 145 软件设计 165.1 信号采集部分 185.2 软件IIR滤波 195.3 信号比例回推 205.4 变压器参数计算 215.4.1 FFT谱分析法求相位差215.4.2 短路空载实验参数计算 225.4.3 各相有功功率和功率因数的计算 236 程序运行结果 25第I页 共II页6.1 仿真设备的设置 256.2 程序运行效果 266.2.1 空载试验运行结果 266.2.2 短路试验运行结果 266.2.3 实验结果分析 277 总结 28附录A 29附录B 30附录C 31参考文献 32致谢 34第II页 共II页1 引言11 选题依据虚拟仪器是基于计算机的仪器。仪器和计算机的紧密结合是如今虚拟仪器发展的一个重要方向。简单地说，这种结合有两种方式，其中一种是把计算机装进仪器，其典型的例子就是所谓的智能化仪器。随着计算机功能的逐渐强大以及其体积的逐步缩小，这类仪器功能也随之越来越强大，目前已经出现了含嵌入式系统的仪器。另一种方式就是是把仪器装入计算机。以通用的计算机硬件和操作系统作为依托，实现各种仪器的功能。虚拟仪器主要就是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案1。被测对象信号调理数据处理数据采集卡虚拟仪器面板图1.1 虚拟仪器方案图 虚拟仪器主要有下面几个特点：（1）用户可以根据自己的需求定义和制造各种仪器。（2）尽可能采用通用的硬件，各种仪器的不同之处主要是软件。（3）充分发挥计算机的强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器2。 在本次设计中需要使用LabVIEW软件.LabVIEW是一种图形化的编程语言，它被工业界的广泛认可，学术界和研究实验室接受.labview集成并满足GPIB，VXI，RS 232和RS 485协议的硬件及数据采集卡通-所有的功能。它还内置方便TCPIP的应用，如ActiveX软件标准库函数。这是一个强大的和灵活的软件。我们可以用它来轻松地建立自己的虚拟仪器，图形界面的编程和使用生动有趣3。图形化的程序语言，又称为“”语言。在使用这种语言编程时，基本上可以不写程序代码，取而代之的是使用流程图。它尽可能地利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。可以极大提升了工作效率4。使用LabVIEW，可以生成独立运行的可执行文件，像许多重要的软件，它真的是一个32位的编译器.LabVIEW提供Windows，UNIX，Linux，Mac不同的版本。在本设计中用到了Windows中LabVIEW2014版，和NI-DAQmx1014版5。LabVIEW有许多优点，特别是在一些特殊领域它的特点更加突出。测试测量：LabVIEW最初是为测试和测量而设计的，所以测试也是最广泛的LabVIEW应用领域。经过多年的发展，LabVIEW在测试测量领域获得了广泛的认可。今天，最主流的测试仪器，数据采集仪有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以被控制的硬件设备非常方便。同时，用户也可以是找到适合的测试和测量在LabVIEW工具包领域非常方便。基于这些工具包开发的程序会更容易使用，这些工具几乎涵盖了所有必要的功能给用户。有时甚至工具只是简单的通话功能，可以形成一个完整的测试和测量应用。仿真：LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以先在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会6。控制：控制与测试有非常高的相关性，从LabVIEW测试区域自动扩展到测试领域.LabVIEW有控制专用控制模块。除此之外，常用的设备，工业控制领域的数据线等往往与相应的LabVIEW驱动程序。使得LabVIEW可以方便地编写出各种控制程序。 快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabVIEW程序员所需要的开发时间，大约只用熟练的C程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目开发时间紧张，可以优先考虑使用LabVIEW，这样可以缩短开发时间。跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平台一致性。LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：Windows、MacOS 及 Linux。除此之外，LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备7。1.2 国内外研究现状国外虚拟仪器技术自上世纪80年代由美国国家仪器公司提出以来，一直成为发达国家自动测控领域的应用前沿及研究热点。近年来，许多大型的自动测量和控制仪表的世界各地的公司已经开发了相当多的虚拟仪器开发平台，但最早、最有影响的是国家仪器LabVIEW图形化开发平台。虚拟仪器在国外已经发展成为一种新的行业。美国是虚拟仪器的发源地，是目前世界上最大的虚拟仪器制造商8。国内虚拟仪器最早的研究也是从引进消化NI 的产品开始。国家自然科学基金委员会有虚拟仪器的研究为一体的现代机械工程科学的前沿课题，在“十五”期间优先领域资助。目前一些研究已经取得了可喜的成绩，如863工程的“重点虚拟仪器技术的研究与产业化”，“一体化”的虚拟仪器是由一个不同于欧洲和美国的虚拟仪器技术的发展。结果表明，在虚拟仪器方面的国家走出了一条自主创新的道路，并成为嵌入式集成研究与开发虚拟仪器在世界首创。国民经济的持续快速发展，加快企业技术升级的步伐，先进的仪器和设备的需求更强烈；对个人计算机虚拟仪器的生存近年来随着中国的高速发展等，这些都是虚拟仪器技术在我国的普及，奠定了良好的基础。据专家预测，中国的工业产值在未来几年将超过50%的虚拟仪器仪表工业产值，和虚拟仪器技术的代表先进的仪器技术未来的发展方向，虚拟仪器技术在我国是有着巨大的发展潜力。国内许多高校，如清华大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、华中科技大学、复旦大学、上海交通大学、国防科技大学、成都电子科技大学、中国科技大学、暨南大学、四川大学等数十所高校已展开了虚拟仪器技术领域的研究、开发和教学，NI公司也已 2014年在中国高校广泛推广虚拟仪器技术列入了战略发展规划（NI中国高校推广计划），这标志着自提出虚拟仪器的概念之后，虚拟仪器技术在我国也进入了一个全新的快速发展时期。以下将列举一些中国当前虚拟仪器技术研究现状的成果：唐山大学基于ComXactPCIV PYI研制的锅炉供热自动控制系统成功地应用在唐山市热力总公司项目上；清华大学基于ComXactPCIV PYI技术建设的实验热工水利学测控平台研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术成功地完成了海水淡化等重要课题研究；天津大学研制的原油管道泄漏远程监测系统在胜利油田和华东石油管理局集输管线和长输管线得到应用；北京大学航空航天学院，完成了航空发动机压气机管道声模态和非固定长度的特征度量数据收集和分析的问题；基于分布式naoviep仪器教学实验系统为VY仪器广泛进入大学国防科技大学实验室创造了条件；重庆大学已经开发了一个虚拟的实时噪声倍频程分析仪实现了重量的噪声声压级及相应倍频程的实时测量和分析的总声压级；采用虚拟仪器技术，清华大学在交付之前建立的汽车发动机自动检测汽车发动机测试系统9。1.3 本文内容概述电力变压器参数的经典测定试验包括空载试验和短路试验。传统测试方法是人工记录试验中电动系仪表电流、电压、功率再计算出相关参数。试验当中不仅要接触危险高压而且数据的处理过程繁琐时间长，存在有诸多的不便。虚拟仪器技术是以微型计算机为统一的硬件平台，通过符合工业标准的硬件和软件来构建相应的系统。由于以软件为核心，因此不必象传统仪器那样受到生产厂商所设计功能的限制，从而使用户可以充分利用计算机超强的运算、显示以及连接扩展能力来灵活地自己定义强大的仪器功能。虚拟仪器技术应用于变压器测试领域等强电领域，可以有效地克服传统测试方案的缺点，从而提高测试的精确度和检测效率。根据虚拟仪器系统解决方案，作者利用LabVIEW软件为软件开发平台和USB一6009型数据采集卡及LEM传感器作为硬件支持，设计开发了基于虚拟仪器技术的变压器参数测试平台。 在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。2 系统设计方案 系统总体设计原理为：首先通过LEM传感器采集来自变压器的电压、电流和功率的信号，再通过信号调理电路把强电信号转换为5V以内的弱电信号，再通过USB6009型数据采集卡把模拟信号转换为数字信号再传入计算机内。在计算机中通过LabVIEW软件把接收到的弱点数字信号进行还原计算。在LabVIEW中通过FFT谱分析法对电压，电流，有功功率进行精确的测量和分析，最后根据电机学原理对变压器参数进行计算。由于硬件电路需要用到三相芯式变压器以及LEM传感器和数据采集卡，难以实现，本次设计中通过使用NI-DAQmx软件中USB-6009型模拟采集卡输入仿真信号进行计算。系统设计方案包括硬件部分和软件部分。硬件系统中需要用到LEM传感器，USB6009型数据采集卡。LEM传感器用于采集变压器的电压，电流，功率。USB6009型数据采集卡主要进行AD转换，并把数字信号传入计算机。在本次设计中用NI-DAQmx软件中的仿真USB-6009型数据采集卡向软件系统中输入仿真信号。软件系统包括信号采集，信号分析和数据处理部分。信号采集部分采集来自数据采集卡的数字信号，信号分析通过IIR滤波把采集到的信号进行处理，把它们转化为数字量之前先进行放大、滤波和隔离等处理。数据处理部分把经过处理的信号进行计算得到有功功率，功率因数，以及空载实验和短路试验中的阻抗，电抗，电阻，总有功功率等参数。 在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数， 我们按20倍的比例进行信号还原3 硬件设计 在本次设计中，由于在程序编写中需要用到一些硬件的参数，所以需要对硬件有一些了解。我们需要用到的变压器是SG-5KVA的三相芯式变压器：SN =5KVA，U1N =380V,U2N =110V，I1N =7.6A,I2N =26.2A。实验室温是23。3.1硬件电路设计 变压器虚拟试验平台的硬件电路如图2所示。本系统选用美国NI公司USB-6009型数据采集卡作为数据采集电路，选用LEM公司的LV25一P电压传感器、LTS6-NP电流传感器以及WB C111S91-0功率传感器配合外围电路构成信号调理电路。其中七个LEM传感器分别用于三相电压，电流和功率的采集，通过调理电路把强电电压和强电电流转换为成比例的5V以内的弱电信号通过USB6009型数据采集卡的AD口，USB通讯总线送入PC机进行处理。USB一6009内有8路模拟输入通道(14位AD转换分辨率，采样速率为48 kss)，由于采用7路扫描方式进行AD转换，所以本系统每路采样速率为8 kss。 下图为系统总体硬件结构框图：三相待测变压器信号调理电路 LEM传感器USB6009数据采集卡PC机电压电流功率图3.1 系统总体硬件结构框图 来自信号采集卡的信号首先通过信号采集和IIR滤波环节， 还必须经过信号比例回推环节才可以得到有效的数据。 从而对变压器进行短路和开路的各个参数进行计算。来自信号采集卡的信号首先通过信号采集和IIR滤波环节， 还必须经过信号比例回推环节才可以得到有效的数据。 从而对变压器进行短路和开路的各个参数进行计算。来自信号采集卡的信号首先通过信号采集和IIR滤波环节， 还必须经过信号比例回推环节才可以得到有效的数据。 从而对变压器进行短路和开路的各个参数进行计算。来自信号采集卡的信号首先通过信号采集和IIR滤波环节， 还必须经过信号比例回推环节才可以得到有效的数据。 从而对变压器进行短路和开路的各个参数进行计算。3.2 硬件介绍3.2.1 SG-5KVA三相芯式变压器三相芯式变压器的结构特点是三相的磁路连在一起，每相的磁通都以另外两相的磁路作为自己的回路。与组式变压器对比，消耗低，占地面积小，维护简单的优点，应用最为广泛的。但在大型变压器的容量大，为了便于运输和减少备用容量，通常采用三相变压器组。芯式变压器结构简单，高压绕组与铁芯的距离远，绝缘容易处理。壳式变压器结构更复杂的制造工艺，关闭高压绕组与铁芯柱的距离，绝缘处理更加困难。SG系列三相变压器广泛适用于交流50或60赫兹，电压为660V的室内型电力设备。输入和输出电压，产品加入群体，调整抽头位置，绕组容量分配，次级绕组，是否要求带外壳等等，都可以根据用户的要求进行精心的设计与制造。在本次设计中用到的SG-5KVA三相芯式变压器其具体参数会在表格中详细列出。SG-5KVA参数如表3.1所示：表3.1 SG-5KVA参数图变压器型号SG-5KVA变压器容量5KVA变压比380V/220V输入电压380V额定输入电流7.6A输出电压220VAC1%输出额定电流10.3A电压调整率1.5%链接组别D/yn11运行环境温度-30+40频率50Hz耐压3KVAC/50Hz/60s3.2.2 LV25一P电压传感器LEM的电压传感器是零磁通型的霍尔传感器，使用时，原边要串一个大电阻，这样电压就变成了小电流，会在铁芯中产生磁场，霍尔元件检测到磁场后驱动一个运算组成的电流源，这个电流源产生的磁场抵消原边电流产生的磁场，使铁芯中始终保持零磁通，这样原边电流与副边（运放产生的）电流之比就是绕组的匝数比，也产是说核心是一个霍尔电流传感器，电流与电压的转换由电阻完成。副边的电流流个一个电阻变成电压，完成变换。这种传感器频率特性较好，既可以变交流电压，也可以变直流电压。LEM LV25-P 中的原副边电流比为10mA/25mA，这样电压比就由两边的电阻确定。如原边100V，我们串一个10k电阻（产生10mA电流），在副边串一个200欧电阻，则副边电压就是25mA*200欧=5V，则是这个电压传感器的变比就是100V/5V。在本次设计中信号比例回推中用到LV25-P电压传感器的参数，我们按20倍的比例进行信号还原。LV25-P电压传感器的参数图将在附录A中给出。3.2.3 LTS6-NP电流传感器电流传感器的原理：原边电流IP产生的磁通被高品质磁芯聚集在磁路中，霍尔元件固定在很小的气隙中，对磁通进行线性检测，霍尔器件输出的霍尔电压经过特殊电路处理后，副边输出与原边波形一致的跟随输出电压，此电压能够精确反映原边电流的变化。LTS6-NP是霍尔电流传感器闭环原理的应用，可以对电气隔离措施的情况下，直流，交流，脉冲，以及各种不规则波形的电流。当原边导线通过电流传感器，原边电流IP会产生磁场，磁场力的原边缘线是围绕磁芯气隙，气隙内的电芯片生产，和磁场力的原始边缘线的大小成正比的只有几毫伏的感应电压，通过后续的电子电路可以把这个微小的信号转化为电流的电流传感器的输出信号是副边电流，它是与输入信号成比例关系（原边电流），副边电流很小，一般只有约10-400A。如果输出电流检测电阻，然后你就可以得到一个的大小正比于原边电流为几伏的输出电压信号。在本次设计中信号比例回推中用到LTS6-NP电流传感器的参数，我们按2.4倍的比例进行信号还原。LTS6-NP电流传感器的参数图将在附录B中给出。3.2.4 WB C111S91-0功率传感器 WB C111S91-0功率传感器采用特制隔离模块、专业MCU控制器、高速数据同步采集和数据快速处理技术，隔离测量单相电路的功率因数，将其变换为平移零点2.5V2.5V电压（Uz）输出，高精度，高隔离，低功耗，低漂移，温度范围宽，抗干扰能力强，等传感器采用卡装式结构，接线端子，安装方便，适用于电网监控自动化系统，工业自动化监控系统等等。 功率传感器参数如图3.2所示：图3.2 功率传感器参数图根据功率传感器的参数，在本次设计中功率按照20倍的比例进行还原。3.2.5 USB6009型数据采集卡NI USB-6009具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验。 该产品价位适于学生购买，且其强大的功能足以用于更为复杂的测量应用。 Mac OS X和Linux用户可下载NI-DAQmx Base驱动软件并使用LabVIEW或C为USB-6009编程。NI USB6009多功能数据采集卡用于USB的14位, 48 kS/s 多功能数据采集卡8路模拟输入通道, 14位分辨率, 12条数字I/O线, 2路模拟输出, 1个计数器。具有基本的数据采集功能，适于如简单的数据记录、便携式测量和院校的实验室试验等应用。该产品价位低，适于学生购买，而其功能强大，足以用于更为复杂的测量应用。将NI USB-6009和随附的、可立即执行的数据记录软件NI VI Logger配合运行，可即刻开始基础测量。如需自定义测量应用程序，可使用LabVIEW为USB-6009编程。USB-6009数据采集卡参数如表3.2所示：表3.2 数据采集卡参数图模拟输入通道数4,8单端通道8差分通道4分辨率14 bits采样率48 ks/s吞吐量48 ks/s最大输入电压10V最大电压范围-10V，10V最小电压范围-1V，1V量程数8同步采样否板上存储量512 B本次设计中需要用到USB-6009型数据采集卡8路中的7路输入通道，信号的输入是通过NI-DAQmx软件实现的。 数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。 在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。4 参数计算本章将重点介绍本系统用到的相位差、有功功率等的测量原理和空载和短路试验参数的计算方法。变压器空载、短路试验是为测量变压器的参数而进行的，通过空载实验和短路试验，可以测定变压器等效电路中的参数例如激磁阻抗，短路阻抗，有功功率，空载损耗，短路损耗，功率因数等。与传统仪表不同，虚拟仪表测量是对模拟信号进行采样、量化后的数字量进行相应数学处理，从而计算得到信号的特征参数，如幅值、频率、有效值、相位等。4.1 有功功率的计算变压器激磁阻抗，短路阻抗参数是考虑变压器在额定电压，电流下铁耗、铜耗等效得到的，并非普通意义上的电阻、电抗。由于变压器电磁关系的非线性特征，变压器励磁后的电压、电流都存在有谐波，因此实验中在计算有功功率时必须要考虑谐波的影响。由于变压器测试电路中的电压、电流信号的3次,5次谐波含量较高。本文在求取有功功率时主要考虑了基波和3次、5次谐波。现以三相变压器A相为例加以介绍。考虑谐波影响有功功率计算表达式为： （4-1） 式中为A相消耗的有功功率；，分别为第3次，第5次谐波的电压有效值；，分别为第3次第5次谐波的电流有效值；，分别为第3次，第5次谐波的电压电流相位差。同理分别求出三相中B，C相的有功功率，,求得系统的功率因数为： （4-2）式中为系统总视在功率；为系统功率因数；为三相电压有效值的平均值；为三相电流有效值的平均值。上述分别计算各相功率求和计算总功率的方法通常称为三表法。4.2 相位差测量原理及方法 相位差的检测方法通常有过零检测法、FFT谱分析法、相关法等。本系统主要采用谱分析法检测相位差的原理。在一个周期内，绝对可积的任一周期函数可以展开成傅里叶级数： （4-3）式中为直流分量；、为n次谐波的傅里叶系数，有： （4-4） （4-5）式中为n次谐波的初相位，有： （4-6）通过以上计算，一个周期信号可以用一个直流分量和一系列谐波的线性叠加来表示，只要求出傅里叶系数、即可求出任意谐波的初相位。在本系统中，连续信号电压或电流被AD采样后送入计算机处理为离散信号。对于的采样序列，设在一个周期内有N个采样点，且每两个采样点间的时问相同，则式(4)、式(5)离散化后得： （4-7） （4-8）对于两个信号，例如某相电压电流，通过对两个被检测信号进行FFT频谱分析，分别获得这两个信号的频率特性。然后根据公式(4-6)，(4-7)，(4-8)计算某相电压电流在某频率处初相位，并相减，即得相位差，从而得到该相的功率因数。4.3 空载试验数据计算开路实验也称空载试验。实验时，二次绕组开路，一次绕组加上额定电压，测量此时时输入功率P0、一次电压Um和电流Im。由此可计算激磁阻抗。（1） 激磁阻抗计算变压器二次绕组开路时，由于一次漏阻抗比激磁阻抗小得多，若将它略去不计，可得激磁阻抗为： （2） 激磁电阻计算由于空载电流很小，它在一次绕组中产生的电阻损耗可以忽略不计，所以空载输入功率可认为基本上是供给铁芯损耗的，故激磁电阻应为： （3） 激磁电抗计算激磁电抗为:（4） 总有功功率及功率因数计算功率因数总有功功率 在上述公式中4.4 短路实验数据计算短路试验也称负载试验。实验时，把二次绕组短路，一次绕组上加一可调的低电压。调节外加低电压，使短路电流达到额定电流。测量此时的一次电压Uk、输入功率P0和电流Im。（1） 短路阻抗计算短路试验时变压器内的主磁通很小，激磁电流和铁耗均可忽略不计。于是变压器漏阻抗即为短路时所表现的阻抗。 （2） 短路电阻计算若不计铁耗，短路时的输入功率P0可认为全部消耗在一次和二次绕组的电阻损耗上，故短路电阻为：（3） 短路电抗计算短路电抗为：（4） 75时短路阻抗及短路电阻的计算短路试验时，绕组的温度与实际运行时不一定相同，按照国家规定，测出的电阻应换算到75时的数值。绕组为铜线绕组，电阻可用下式换算：式中，为实验室绕组的温度，通常为室温。由于室温为23，所以=23。75时短路阻抗为：短路试验通常在高压侧加电压，由此所得的参数值为归算到高压侧时的值。（5） 短路电压百分比的计算短路试验时，使电流达到额定值时所加的电压U1k称为阻抗电压或短路电压。阻抗电压用额定电压的百分值表示时有： 短路电压百分值为 由变压器参数可知=7.6A=380V（6） 总有功功率及功率因数的计算功率因数 总有功功率上述公式中在上述公式中 来自信仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。 仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。5 软件设计 本章主要介绍了系统的软件设计思路以及具体设计过程。软件开发平台是美国国家仪器公司的LabVIEW2014。USB一6009型数据采集卡配套驱动软件为NI-DAQmx1014。配合LabVIEW2014的DAQ助手进行7路电压电流采集。软件总体结构框图如图6所示。本项目软件部分主要包括：信号采集、信号分析、数据处理和显示等。信号采集部分：接收来自USB-6009型数据采集卡数字信号。信号分析：来自传感器的电信号一般还不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是它们大多数输出电压非常小，且极易受噪声影响，而有些信号又有可能存在很高的尖峰值。因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放大、滤波或隔离等预处理。数据处理部分：求取电压有效值、电流有效值、功率有效值。在计算出有功功率、功率因数以及空载和短路实验参数。由于变压器测试电路中的电压、电流信号的3次和5次谐波含量较高。本文在求取有功功率时主要考虑了基波和3次、5次谐波。对于基波、各次谐波有效值和相位差的求解，采用了谱分析法。数据处理部分主要是根据空载和短路试验原理，在信号测量的基础上，计算变压器等效电路的参数。信号分析和显示部分为7路电压电流的时时频域和时域波形显示及有关分析计算等。 我们首先需要对NI-DA中的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。v我们首先需要对NI-DA中的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。我们首先需要对NI-DA中的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。我们首先需要对NI-DAQ中的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。我们首先需要对NI-DA的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。我们首先需要对NI-DA的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。我们首先需要对NI-DAQ的仿真设备USB-6009型数据采集卡参数进行设置。 仿真设备模式设置为连续模式，输入配置为差分输入，采样率设置为1000Hz。 输入端口选择port0端口，7路信号同时输入。开始软件IIR滤波信号比例回推三相电压、电流、功率有效值求解谱分析法求相位差各相电压、电流有效值、相位差、有功功率求解变压器参数送显结束图5.1 软件总体结构框图虚拟测试平台LabVIEW软件VI运行之前的前面板图如图5.2所示。软件总程序框图见附录C。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。仿真设备的参数设置好之后，点击前面板上方的运行按钮，该系统皆可以运行。 变压器各个参数就可以在前面板上面显示出来。 空载试验时点击转换按钮上的“空载”，空载试验参数就会在前面板上显示。 同样短路试验时点击前面板上的“短路”字样，短路试验数据会显示在前面板上。图5.2 运行之前软件前面板图5.1 信号采集部分在LabVIEW环境中打开DAQ助手的方式是通过DAQ助手Express VI。在LabVIEW的函数选板中有两个子选板可以找到DAQ助手Express VI，分别是“测量I/O”“DAQmx数据采集”和Express“输入”函数子选板。DAQ助手Express VI放进程序框图后，首先打开一个新建向导，引导用户选择测试的类型和使用通道，然后打开DAQ助手的设置面板。进行必要的设置以后，单击“确定”按钮，Express VI图标下面出现数据端口。这样就可以执行数据采集任务并返回测试数据。如图5.3为信号采集模块图。图5.3 信号采集模块5.2 软件IIR滤波IIR低通滤波的原理是：利用电容通高频阻低频,电感通低频阻高频的原理，对于需要截止的高频信号,利用电容吸收电感等方法使它不能通过,对于需要的低频信号，利用电容通高阻，电感通低阻的特点使它可以通过。这个模块的功能是：对输入信号进行滤波处理，提高有用信号的比重，消除或减少信号的噪声干扰。如图5.4所示，滤波子选板位于“函数信号处理滤波器”中。图5.4 滤波子选板程序中IIR滤波模块如图5.5所示。图5.5 IIR滤波模块IIR滤波器的具体参数设置如图5.6。图5.6 设置图IIR滤波器参数5.3 信号比例回推来自信号采集卡的信号首先通过信号采集和IIR滤波