（电气工程专业论文）电力变压器微机式风冷控制系统的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文针对传统变压器冷却系统存在的系统控制回路复杂、可靠性低、风机的保 护方式简单法、无法进行故障预测、控制误差大、故障率高、维护工作量大、无法 实现远程通讯等问题，经过认真的实际调研与深入的技术分析，设计开发了新型的 以微处理器为核心的智能式电力变压器风冷却器控制系统。该系统以单片计算机作 为主变压器风冷控制系统的核心，对所有的输入、输出量进行逻辑处理和运算处理，充 分利用软件资源，在保证控制系统可靠性的基础上尽量简化装置的硬件电路，彻底摒弃 继电器逻辑处理方式。主回路采用无触点固体模块，具有关断速度快、避免触点烧 坏导致风机停运的特点。实际运行表明该装置是常规风冷控制系统的理想替代产 品。 关键词：单片机，变压器，风冷控制，测量 a b s t r a c t f o rt h ee x i s t i n g 乜a n s f o r i i l e rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mh a sm a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha st h e c o m p l i c a t e ds y s t e mc o n t r o lc i r c u i t t h el o wr e l i a b i l i t y , t h ep r o t e c t i o nm e t h o d so fb l o w e rf a n b e i n gs os i m p l e ，l a r g ec o n t r o le r r o r , h i 曲f a u l tr a t e ，m a s s i v em a i n t e n a n c ew o r ka n d1 1 0m e t h o d t or e a l i z et e l e 圮o m m u n c a t i o n , t h i st h e s i sd e v e l o p san o v e li n t e l l i g e n tp o w e rt r a n s f o r m e r a i r - c o o l e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec e n t e ro f m i c r o p r o c e s s o rt h r o u g ha l l r o u n dt e c h n o l o g y a n a l y s i sa n dr e s e a r c h t h ec o m p l e t e a i r - c o o l e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nr e a l i z e db y m i c r o p r o c e s s o ra n dt h ei n t e g r a la d c w h i c hh a sh i 曲c o u n t e r - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y t h e m a i nc i r c u i tu s e sn o n - c o n t r a c ts o l i dm o d u l ea n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g l ls p e e d s w i t c h i n go f f a n da v o i d i n gc o n t r a c tb u r n e dt os t o pb l o w e rf a n 孔ep r a c t i c a lo p e r a t i o np r o v e d t h a tt h ed e v i c es i g n e di nt h et h e s i si st h ep e r f e c tp r o d u c ti np l a c eo ft h ec o n v e n t i o n a l a i r - c o o l e dc o n t r o ls y s t e m h a oc h u n s h e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a hx i a n g - w u k e yw o r d s ：s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ，t r a n s f o r m e r ，a i r c o o l e dc o n t r o l ， m e a s u r i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力变压器微机式风冷控制系 统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学僦文储躲盘堕日期_ 2 ：皇， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：如痞芝 导师签名：憾 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题的背景及其意义 第一章绪论 能源是国民经济发展的命脉，关系到国计民生；电力作为一种使用方便的优质洁净 能源，应用于国民经济的各个领域，与人民生活和工农业生产息息相关，是当今世界发 展的核心能源。电力作为一种能源，有许多自身的特点，电能不能储存，生产、输送和 使用同时完成；在发电、供电和用电的过程中，其自身的损耗巨大，约占总量的t 0 ； 根据统计2 0 0 2 年全国发电机装机容量3 5 3 亿千瓦，发电量1 6 5 4 0 亿k w h ，全国电力系 统及配电网的线损率约为7 4 5 ；预计2 0 0 6 年全社会用电量将达到2 7 1 3 0 亿k w h 。可见， 电力系统本身电网中能源消耗数量巨大；降低电力输配电系统线损对于节约能源，解决 电力短缺，加速国民经济发展具有十分重要的意义【l j 。 电力变压器作为电力系统和广大企业用户广泛应用的电气设备，联络电网，把供电 网络的电压转换为用电设备或装置直接使用的电压，在电力输送、分配和使用过程中发 挥着核心关键作用；尽管电力变压器在能量转换过程中效率非常之高，现运行的电力变 压器的效率一般都在9 9 以上嘲，但由于它应用于国计民生的各个领域，遍布城乡各个 角落，其数量多，容量巨大，本身又不是做功和能量消耗的主体，只是变化电能的参数， 运行过程中的能量损耗也就非常可观。 变压器的损耗有两种：种是空载损耗，它与负荷大小无关，是变压器的自身损耗； 另一种是负载损耗，此损耗与负荷大小有关，与负载率的平方成正比。变压器总损耗在 不同负载时的计算如下式l j j ： 兄= 昂+ ( a l o o ) x 2 其中：。一负载为a 时的总损耗( w ) 只一空载损耗( w ) 罡，一负载率为百分之百时负载损耗( w ) 口一变压器的负载率( ) 变压器接入系统后，在它的铁心、绕组中就产生损耗，这些损耗转化为热量散发出 来，使绕组的温度升高，并与周围媒质问产生温度差，这样一部分热量使变压器各部分 的温度升高，另一部分热量散到冷却媒质中去。温度慢慢升高时，单位时间内积累的热 量就减少，而散发的热量就增加，最后达到一动态平衡，热量全部散到周围媒质中去。 随着变压器容量的增大，变压器的损耗同样会增大，单靠箱壁和散热器己不能满足散热 要求，往往需采用强迫油循环风冷或强迫油循环水冷，使热油经过强风( 水) 冷却器， 冷却后再用油泵送回变压器。大容量的变压器已采用导向冷却，在绕组和铁芯内部，设 有一定的油路，使进入油箱内的冷油全部通过绕组和铁芯内部流出，这样带走了大量的 华北电力大学工程硕士学位论文 热量，提高了散热效率【4 j 。 目前对电力系统中非自冷式的大型变压器冷却设备的控制与保护采用的是机电逻 辑方式回路实现的，由于其逻辑电路是由各种接触器、热继电器及保险等器件组成的， 所以在其运行过程中存在很多缺陷如：潜油泵及冷却器风机的主回路驱动采用的是接触 器，因而机械触点多，电路组成复杂，故障率高；电动机的保护方式是保险丝加热继电 器，仅能对电动机提供短路及过载( 缺相) 保护，无法进行故障预测；油温检测采用胀 管式电接点温度表，机械触点发令，设定困难，温度测控精度低；控制系统采用继电器 逻辑控制，参数设定采用万能转换开关，自动化程度低。主回路、保护电路及控制回路 复杂，就决定主变压器在运行中不可靠，显而易见增加了运行维护工作量。就邢台供电 公司8 3 台变压器来说每年需更换的热继电器、接触器就达3 0 多次，而且全是在狭小的 风控箱中带电更换，无疑给设备的安全运行及人身的安全带来很大的隐患，因而这种风 冷控制系统不利于主变压器运行，给主变压器及电网的安全运行带来很多隐患；随着电 网近年来的快速发展，变电站及变电设备几乎成增加与变电运行人员的数量不成比例， 变电运行人员严重短缺，已成为电网安全运行的一大隐患，因而国内无人值守变电站正 在不断增多，并且已被认为是中近期发展的方向【5 j ，考虑到2 0 1 d v a 及以上的变压器本身 价值较高，损坏后造成的影响较大，因而须对变压器的温度进行远方监视，而传统的风 冷控制系统是不能完成的；为了克服这些缺点和不足，保证电网的安全经济稳定运行、 保证重要设备的安全及广大用户的可靠用电，对主变压器传统风冷控制系统的改进，是 非常迫切和必要的。 本课题研究专用于变电站主变冷却设备的微机控制及驱动装置，并具有无人值守功 能，是风冷微机化控制发展的趋势。 1 2 当前国内外的研究现状 且前国内外变压器的冷却方式主要有四种，即自然油循环自冷散热、自然油循环风 冷散热、强迫油循环风冷散热和强迫油循环水冷散热。第一种冷却方式自然油循环自冷 散热主要是小型配电变压器采用，不涉及风冷控制问题。第四种冷却方式强迫油循环水 冷散热只在个别大型变压器上采用。第二、三种冷却方式是变电站主变广泛采用的散热 方式 6 】o 自然油循环风冷散热方式是利用变压器绕组及铁心发热后，本体内的油形成对流， 油流经散热器后，由冷却风扇吹出的风将热量带走，从而达到散热的目的，这种冷却方 式主要用于中小型变压器。强迫油循环风冷散热方式通过油泵的作用，使变压器内的油 被迫快速循环，在油流经散热器时，由冷却风扇吹出的风将热量带走，这种冷却方式主 要用于大中型变压器。 电力系统中传统的非自冷式大型变压器冷却设备的控制与保护通常采用的是机电 2 华北电力大学工程硕士学位论文 逻辑方式回路实现的，其逻辑电路是由各种接触器、热继电器及保险等器件组成的，基 本属于2 0 世纪6 0 年代技术水平。由于控制系统是靠机械触点逻辑电路实现，自动化程 度低，在电网运行中存在以上几个方面的缺点和不足，如：潜油泵及冷却器风机的主回 路驱动采用的是接触器，因而机械触点多，电路组成复杂，故障率高等，对安全运行带 来很多隐患，不能适应当今无人值守变电站的需要。 目前国内外对于油温的采集主要有三种方法：1 ) 采用以变压器上层油温为散热冷却 器启停控制信号的控制回路。国内的变压器通风控制回路大都是以变压器上层油温为通 风机启停控制信号。在运行中，当变压器负荷快速增加时，由于热惯性的原因，变压器 上层油温需经过较长时间才能反映出变压器绕组工况，这往往可能错过及时采取有效措 施来降低变压器油温，保护变压器的机会，而且，回路本身也容易发生故障。2 ) 利用“热 模拟”方法的测量变压器油温的方法。由于直接测量变压器的绕组温度比较困难，目前 变压器行业一般采用“热模拟”原理来间接测量变压器油温。所谓“热模拟”就是采用 从变压器套管型电流互感器取得的与负荷电流成正比的附加电流流经复合变送器内附 设的电热元件，产生温升，绕组温度计就是利用附加电流在电热元件上所产生的正比于 负荷电流的附加温升，叠加到变压器上层油温上，从而获得变压器的绕组温度，进行监 视，进而控制变压器散热冷却器的运行。资料显示，“热模拟”技术只能获得静态条件 下的变压器绕组平均温度，经现场运行变压器绕组温度计状况的统计，产品的选型，工 作电流的设置，环境温度的变化，温度计座结构等因素都会影响绕组温度计的“熟模拟” 准确度。如果没有具备“热模拟”的一些必要条件，将得到与实际情况出入很大的热点 温度，对运行控制毫无意义。3 ) 利用变压器上层油温预控变压器冷却方式。此种方法以 现有的变压器上层油温作为唯一的测量输入量，利用单片机技术，对测得的变压器油温 进行处理，并预测变压器未来可能达到的油温值，进而做出对变压器散热冷却方式的对 策。利用在工业测控领域广泛应用的单片机技术，可以较好地解决变压器油温控制的问 题川。 针对变压器冷却设备机电控制回路的一些缺点，国内外近年来进行了一系列有意义 的研究。主要方法是摒弃传统继电器逻辑处理方式，而使用传感器接收信号，在用单片 机系统实现控制，这些装置大多采用无触点固体模块，替代传统控制系统中的交流接触 开关、热继电器等电磁元件，它具有关断速度快、避免触点烧坏而导致风机停运等特点。 油温的检测采用的是集成式半导体温度传感器，替代原来的胀管式温度传感器，其温度 测量误差小于1 。装置采用微处理器进行信号的采集、a i d 转换及处理，具有油温测量 与控制、主变压器过负荷启动风机控制、风机电源的自动投切、风冷系统全停跳主变压 器三侧、冷却器分时投入。这些装置克服了常规风冷控制系统存在的系统控制回路复杂、 可靠性低、风机的保护方式简单并且无法进行故障预测、主变压器油温测量精度低等问 题，克服了控制误差大、故障率商、维护工作量大等实际问题。然而限于传感器的精 度，系统的灵敏度水平不高，缺乏对紧急情况进行处理的能力，缺乏良好的人机控 3 华北电力大学工程硕士学位论文 制接口，操作复杂i s 。 1 3 变压器传统风冷控制系统现状及其存在的问题 1 3 1 传统风冷控制系统的设备构成 运行在1 1 0 千伏变电站的主变压器容量为5 0 m v a 及以下，冷却方式多为自循环风冷。 主变压器的风冷控制系统中主电路控制元件采用的是接触器、继电器，靠机械触点来实 现对风机的控制。风机的保护方式是保险丝加热继电器，分别提供短路、过载、缺相保 护。变压器油温检测采用胀管式电接点油温表，位置式设定上下限温度，机械触点发令。 控制系统采用继电器、接触器逻辑电路控制，参数设定采用万能转换开关。 1 3 2 传统风冷控制系统存在的主要缺陷 传统风冷控制系统的主要缺陷包括： 1 ) 由于控制系统是靠机械触点逻辑电路实现，相对来说电路的组成复杂，故障率 高，在其运行过程中不可避免地会出现接触器的触点长时间接触造成的触点烧 毁等许多缺点和不足，由于目前的风冷控制箱的主回路、控制回路、保护回路 及信号回路都是由各种继电器组成，主回路复杂，控制逻辑也显得十分繁杂。 2 ) 风机的保护方式是保险丝加热继电器，所以仅能对电动机提供短路、过载、缺 相保护，无法进行故障预测，一旦风机扇叶脱落，电机轻载运行就无法判别。 3 ) 主变压器油温检测采用胀管式电接点油温表，油温主要是靠变压器上配有的信 号温度计来测量，测量精度很低而风冷机箱主要又是靠信号温度计来控制的， 所以不可避免地会出现控制精度差的问题，且其测控精度低误差大，无法实现 远程通讯。 4 ) 保护可靠性低。目前风冷机箱的短路及过载保护主要是靠空气开关及热继电器 来完成的，这就存在着严重的烧毁风机的隐患。 5 ) 故障率高，维护工作量大。由于风冷控制机箱的机电逻辑电路是由各种继电器 来完成的，而继电器常会出现线圈烧毁或接点烧死等故障，尤其是在风机出现 短路等故障的时候。由于风冷机箱的故障率高，相应的维护工作量就很大。 总之，传统主变压器风冷控制箱为2 0 世纪6 0 年代技术水平，由于控制系统是靠机 械触点逻辑电路实现，自动化程度低，在电网运行中存在以上几个方面的缺点和不足， 对安全运行带来很多隐患，不能适应当今无人值守变电站的需要。为了更好地实现对主 变压器的保护，改进原系统的设计方案势在必行。 1 3 3 拟采取的措施 4 华北电力大学工程硕士学位论文 本文提出开展微机式风冷控制系统的研究来解决上述缺陷。随着微机式工业控制技 术理论的不断成熟与完善及电子元件制造工艺的不断提高，使得其可靠性大幅提高，固 要以单片计算机作为主变压器风冷控制系统的核心，对所有的输出输入量进行逻辑处理 和运算处理，充分利用软件资源，在保证控制系统可靠性的基础上尽量简化装置的硬件 电路，彻底摒弃继电器逻辑处理方式1 9 。在保持传统装置功能实现的基础上，增加一些 新颖实用的新功能。 1 4 本文的主要工作 因为电力变压器在系统中具有极其的重要性和特殊性，为保证电网的安全运行及用 户供电的可靠性，主变微机式风冷控制系统系统的设计分两步实现：第一步研究自循环 风次式变压器的控制系统，第二步研究强迫油循环风次式变压器的控制系统。本课题着 重研究自循环风次式变压器的控制系统。 主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 根据传统风冷系统运行的实际情况，以系统设计经济性、扩展性、安全 性、可靠性和易维护性为目标，分析微机式风冷控制系统应遵循的设计原则和应实 现的新功能。 ( 2 ) 结合变压器运行风冷系统需求的实际情况提出了微机式风冷控制系统的 设计原则，分析了微机式风冷控制系统的电路原理，提出了可实现的微机式风冷控 制系统设计方案。 ( 3 ) 依据已有的设计方案对主变压器微机式风冷控制系统的硬件进行设计， 在分析不同元件优缺点的基础上确定主要模块元件的选择。 ( 4 ) 设计微机式风冷控制系统各模块相应的程序，实现对主变压器微机式风冷 控制系统的控制。同时为使系统更加完善，还应设计了通信程序以及短路处理程序。 ( 5 ) 对使用微机式风冷控制系统前后的系统运行状况进行分析比较，计算了 采用微机式风冷控制系统所能带来的经济效应。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章微机式风冷控制系统的设计方案 2 1 微机式风冷控制系统应遵循的设计原则 2 1 1 微机式风冷控制系统的核心 随着微机式工业控制技术理论的不断成熟与完善及电子元件制造工艺的不断提高， 使得其可靠性大幅提高，固要以单片计算机作为主变压器风冷控制系统的核心，对所有 的输出输入量进行逻辑处理和运算处理，充分利用软件资源，在保证控制系统可靠性的 基础上尽量简化装置的硬件电路，彻底摒弃继电器逻辑处理方式 2 1 j 2 风冷控制系统的传统功能 微机式风冷控制系统应包括传统风冷控制系统的功能，并在一定程度上实现改进提 高，具体包括【1 0 】： 1 ) 提高油温控制风冷系统的灵敏度。减小油温的测量误差提高控制系统的灵敏 度。 2 )主变压器过负荷。应有处理主变压器过负荷的应用程序( 开启全部风机并报 警“主变压器过负荷”) 。 3 ) 电源的自动投切。当工作电源失电后应能自动投入备用电源以保证风冷控制 系统的正常运行。 4 )风冷系统全停跳主变压器三侧。 5 )实现风机任意启动。 2 1 3 微机式风冷控制系统的新功能 在实现传统风冷控制系统功能的基础上，微机式风冷控制系统还增加了一些新颖实 用的新功能，具体包括： 1 ) 对电动机运行工况进行实时监控功能。计算机实时监测电动机的三相电流， 发生异常则按预定程序进行处理( 不但对短路及过载故障能够报警及处理， 而且对三相电流的不平衡和不正常的负载减轻进行监测，超过设定值后及时 报警) 。 2 ) 增加结露检测功能。在主变负荷轻时，当下雨或环境湿度过大，防止水分渗 入电动机内部造成故障，增设结露检测并驱动风机运转功能。 3 ) 定时运行功能。当冬季风机长时停运期间，在装置累计停运时间超过设定值 后，将驱动风机运转一段时间，以消除因长期停运而风机内部受潮而造成轴 6 华北电力大学工程硕士学位论文 承锈蚀发生的堵转及短路故障。 4 ) 具备无人值守的通信功能。随着无人守变电站的改造并投入运行应设远方通 信功能。 5 )应急功能。在单片微型计算机出现大的故障，系统瘫痪时，应维持风机运行 电路。 2 2 主变压器微机风冷控制系统的主要架构 根据以上主变压器微机风冷控制系统的设计原则，采用如下电路原理方案( 分析方 案) 图2 - i 微机式风冷控制系统原理框图 主回路选用无触点交流固态继电器。主回路以往选用交流接触器作为主回路开关器 件，因其触点多且裸露于空气中，经常因接触不良打火而烧坏触点而影响风冷控制系统 的正常运行】，故主回路选用无触点密封式交流固态继电器，其性能可靠而无触点，控 制简单便与和计算机接口。 2 3 微机式风冷控制系统的电路原理分析。 2 3 1 微机式风冷控制系统的核心系统 微机式风冷控制系统的核心系统由a t 8 9 c 5 2 单片计算机、晶振、复位电路、非易失 性存储器和看门狗器件x 2 5 0 4 5 所组成【1 2 1 ，因a t 8 9 c 5 2 内部没有非易失性存储器和看门 狗，所以必须外接x 2 5 0 4 5 。 a t 8 9 c 5 2 单片计算机主要有如下特点 1 3 】： 设置了b 寄存器； 具有布尔处理功能； 有一些能简化应用系统，外围控制的控制信号线： 7 华北电力大学工程硕士学位论文 x 2 5 0 4 5 作为扩展芯片其主要特点为： 可编程的看门狗定时器； 低v c c 检测； 直到v c c = i v 复位信号有效； l n h z 时钟速率； 5 1 2 x 8 位串行e 2 p r o m - 4 字节页方式； 低功率c m 0s l o u a 备用电源，3 m a 工作电流； 2 7 v 至5 5 v 电源电压； 块锁定( b l o o rl o c kt m ) ；保护1 4 ，i 2 或所有e e p r o m 陈列： 内建偶然性的写保护；上电掉电保护电路；写锁存，写保护引脚 高可靠性使用期限1 0 0 ，0 0 0 周期字节，数据保存期i 0 0 年，e s d 保 护；所有引脚2 0 0 0 v ； 8 引脚小型d i p 封存装； 8 引脚线s o i c 封存； 1 4 引线t s s o p ； x 2 5 0 4 5 = r e s e t 高电平有效： x 2 5 0 4 5 与主机是串行接口连接，当其c e 信号为低电平时，x 2 5 0 4 选通，若积也为 高电平，数据由s i 串行输入端在s c r 的上升沿由时钟同步输入。s o 是推挽串行数据输 出引脚，在读周期内，数据在此引脚上。 2 3 2 微机式风冷控制系统的输入通道( 前向通道) 2 3 2 1 模拟信号 采用高精度电压传感器及电流传感器，实时监测并显示各风机的相电压及相电流。 根据设置自动启动及停止风机。主变压器油温高启动。当单片微型计算机检测到变压器 的油温高于预置量c h ( 启动油温) 单元中的设定值时，则自动启动风机运行。当变压器 油温低于预置量c l ( 停止油温) 单元的设定值时，自动停止风机运行。用集成电路式温 度传感器测量油温，实现了高精度的连续油温测控，高精度温度传感器替代原压力式温 度控制器。根据现场经验，压力式温度控制器的误差较大这就很不利于对主变压器的保 护。采用高精度的温度传感器，误差小于百分之一，显示分辨率为0 1 。同时可通过 a d 转换将温度量送入微机系统进行处理，直接通过双绞线将油温模拟量远传2 0 0 m 。提 高了油温检测可控性，这样既可大大提高控制精度，有利于对主变压器的保护，同时降 低了故障率 1 4 1 。包括电机的各相电流信号，三相电源电压信号、温度信号共1 6 个量， 每个量都由传感器、信号转换及标度变换电路所组成。 为了由计算机对输入的信号进行处理，需要对模拟信号进行模数转换，经分析存在 8 华北电力大学工程硕士学位论文 以下两种方案： 方案一：1 6 个模拟量通过两片8 选1 模拟开关4 0 5 1 组成的1 6 选1 通道选择电路， 在8 9 c 5 2 控制下分时依次选择1 6 个模拟信号进入，由7 1 0 9 组成的a d 转换器，转化后 的数字量通过总线被8 9 c 5 2 读入。再经过抗干扰处理就成为有效的数据。 方案二：1 6 个模拟量通过两片多路快速a d 转换器，在8 9 c 5 2 控制下依次转化为数 字量通过总线被8 9 c 5 2 读入。 方案二由于是快速a d 转换，所取得的数据需经过数字化积分运算处理，占用计算 机资源多，同时需经过复杂的抗干扰处理，且电路成本比方案一高。而方案一中的电路 成本较低。综上所述，本文拟采用方案一对输入的信号进行模数转换。 2 3 2 2 数字信号 由四组电机的短路信号和湿度过大及负载过重信号共6 个信号组成，通过总线三态 传输门7 4 h c 5 7 4 被8 9 c 5 2 读入，其中短路信号还经二极管组成的逻辑或电路送入8 9 c 5 2 中断口，以提高响应速度。 2 。3 3 微机式风冷控制系统的输出驱动( 后向通道) 主回路控制器件针对接触器易损坏，故障率高等特点，在风机主回路中采用先进的 无触点固态继电器j g 一2 f d 4 0 a 替代原接触器，从根本上消除因触点损坏、线圈烧断而 引发的故障。固态模块可在l o m s 之内关断，使电动机的可恢复式短路保护成为可能。 该模块可由单片微型计算机发出信号对其进行控制，这就减少了主回路的接点，降低故 障率。四组风机启动停止控制信号及故障报警开关量信号。由8 9 c 5 2 准双向i o 口送出， 经隔离驱动后送至外围设备。 2 3 4 串行口通道 8 9 c 5 2 具有的全双工串行口，外接相应的2 3 2 4 8 5 转换接口，实现与上位机的交互 式通讯，实现远方监测的需要。 2 3 5 键盘显示通道 键盘显示通道由8 9 c 5 2 和总线扩展显示驱动器7 2 1 8 b 组成。 8 个按键信号通过由r c 组成的触点抖动消除电路送至三态施密特总线传输门，由 8 9 c 5 2 读入。 总线扩展显示驱动器7 2 1 8 b 的作用是在8 9 c 5 2 的控制下将显示数据写入7 2 1 8 b 的内 部r a m 。7 2 1 8 b 可独立地对这些数据进行分时扫描输出，点亮与之相接的数码管及l e d ， 完成显示任务。从而减轻了8 9 c 5 2 的负担。 g 华北电力大学工程硕士学位论文 2 4 微机式风冷控制系统的报警信号 为了使微机式风冷控制系统安全可靠的运行，需要对一些异常情况进行报警，具体 包括： 1 ) 油温异常报警：当实测油温高于预置量c o ( 超温油温) 单元中的设定值时或温 度传感器故障时发出油温异常报警。 2 ) 供电故障报警：当三相交流电源失去时，发出交流失电报警。 3 ) 过压报警：当实测电压值大于预置量v i i ( 过压电压) 单元中的设定量时，发出 过压报警信号。 4 ) 欠压报警：当实测电压值小于预置量v l ( 欠压电压) 单元中的设定量时，发出 欠压报警信号。 5 ) 失衡报警：当实测三相电压差值大于预置量v d ( 失衡电压) 单元中的设定值时， 即三相电流不平衡或失相时，发出失衡报警信号。 6 ) 风机故障报警。由于每组风机都有各自的监测回路，因此风机故障时每组风机 各自报警。 7 ) 短路报警：当风机电路发生短路故障时，单片机可在1 0 m s 之内判断出短路故障 并切断故障回路的输出，保护风机及主回路。 8 ) 欠载报警：当风机的相电流小于预置量a l ( 欠载电流) 单元中的设定值时，发 出欠载报警信号。 9 ) 过载报警：当风机的相电流大于预置量a h ( 过载电流) 单元中的设定值时，在 3 0 秒内切断该组风机的输出并发出报警信号。 1 0 ) 远传信号：实时监测显示各点电压、电流数据以及设备的运行状态，并将有 关数据通过rs - - 2 3 2 或rs - - 4 8 5 口发给上位计算机，以掌据变电站主变的 运行情况，便于综合自动化的实现。 2 5 微机式风冷控制系统箱体的防护 因装置运行在工作环境比较恶劣的室外，固对装置箱体要求比较高，要选用具有防 雨、防尘、隔热、防蚀的功能箱体，为装置提供了良好的运行环境。 2 6 微机式风冷控制系统的应急方案 在正常情况下，微机控制系统工作在自动状态下，完全由单片微型计算机进行控制， 无须人工干预。在手动状态下，可方便地通过人机对话来控制每组风机的启停这就给维 护、维修带来了很大方便。在单片微型计算机出现大的故障，不能控制或不能正确控制 固态继电器通断时，可采用应急工作状态，此时风机可通过空气开关控制其运行，确保 风机能够根据需要而正常运行。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章主变压器微机式风冷控制系统的硬件研制 根据已有的设计方案对主变压器微机式风冷控制系统的硬件进行设计，具体包括数 据采集电路，a d 转换电路，选线电路，微处理器电路，驱动输出电路，人机对话电路， 外接口电路，中断电路，报警电路，电源电路等十个部分。 3 1 数据采集电路 3 1 1 电流量的采集电路 图3 - 1 电流量采集电路 单相电流采集电路的工作过程：每个风扇电机的三相电流经过高精度电流传感器后 的电流信号，经过第一级运算放大器lm 3 2 4 进行电流电压变换、滤波，再经过第 二级进行电压稳定跟随后，进行精密全波整流，把稳定的交流电压信号变成稳定的脉动 直流信号，整流后的脉动直流信号输入到模拟开关4 0 5 1 ，经单片机选通后输入a d 7 1 0 9 进行模数转换，转换后的数字信号经总线被单片机采集处理。 3 1 2 电压量的采集电路 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 2 电压量采集电路 单相电压采集电路的工作过程：电源的三相电压经电压传感器后的电压信号，经过 第一级运算放大器l m 3 2 4 的放大滤波，再经过第二级进行电压稳定跟随后，进行整流， 把稳定的交流电压信号变成稳定的脉动直流信号，整流后的脉动直流信号输入到模拟开 关4 0 5 1 ，经单片机选通后输入a d 7 1 0 9 进行模数转换，转换后的数字信号经总线被单片 机采集处理。 3 1 3 温度量的采集电路 图3 - 3 温度量采集电路 主变压器油温温度为缓慢变换量，以前采用热电偶测量，因受线路电阻、以及冷端 补偿等限制，测量精度极差，不能满足系统对温度的要求且不宜和系统接口，因a d 5 9 0 为集成式温度传感器且是恒流输出型元件，输出电流与温度成线性关系，不受传输线长 的影响。由于温度传感器进入主控线路板的是一个电流信号，因此在线路板上用一个温 度系数好的精密采样电阻，将电流信号转换为电压信号后输入模拟开关4 0 5 1 ，经单片机 选通后输入a d 7 1 0 9 进地模数转换，转换后的数字信号经总线被单片机采集处理 1 孓 l 。 】2 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 4 湿度量的采集电路 在微机式风冷控制系统的机箱设一结露传感器用于监视环境湿度，当温度达到结露 点时，结露传感器闭合，此时正电源经电阻分压后给三极管t 2 一个正向偏置电压，三 极管t 2 导通。同理三极管t l 、t 3 也随即导通。由于t 3 导通，光耦也随着导通，光 耦导通的信号经过电阻、电容组成的滤波网络处理后，输入到缓冲器7 4 h c 5 4 0 ，供单片 机采集处理。 3 1 。5 主变压器过负荷量的采集电路 为了保证主变压器的安全运行，不再取主变压器的交流信号，而是直接引用主变压 器过负荷时发出过负荷信号，信号输入主控线路板后，经过光耦隔离后，再经过电阻， 电容组成的抗干扰电路处理后，输入缓冲器7 4 h c 5 4 0 ，供单片机采集处理【懈。 3 1 6 短路量的采集电路 图3 - 4 短路量采集电路 电流采集电路的工作过程。电流经过电流传感器后为电流信号，半波整流后正、负 半周的峰值与正、负基准电压相比较，若峰值大于正、负基准电压，则光耦0 8 导通引 起单片机中断，执行中断处理回路，快速切断短路回路的电源，保护风机。同时信号经 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 抗干扰处理后输入缓冲器7 4 h c 5 4 0 ，以供单片机判断短路的具体回路“”。 3 2a d 转换电路 微机式风冷控制系统采集的信号为模拟信号，要完成任一设备的控制就必须要有输 入回路、逻辑计算回路及输出执行回路。因单片机的逻辑计算全部为数字信号计算，必 须对采集的信号进行模拟信号到数字信号的转换，因此应采用模拟信号的a d 转换接口 电路。 3 2 1a d 转换器的选择要求 为了更好的进行模拟信号到数字信号的转换需要对a d 转换器的选择提出一些要 求，具体为： 1 ) 确定a d 转换器的转换精度及分辨率。 2 ) 确定a d 转换器的转换速度，以保证系统的实时性要求。 3 ) 根据环境条件选择a d 转换器的一些环境参数要求。 4 ) 根据计算机的接口特征，考虑如何选择a d 转换器的输出状态。 5 ) 成本，资源，是否流行芯片等其它因素。 3 2 2a d 转换器i c l 7 1 0 9 主要特性： a d 转换器i c l 7 1 0 9 的主要特性如下： 1 ) 1 2 位二进制数输出，并带有一位极性位和一位溢出位。 2 ) 与t t l 兼容，三态控制输出，具有通用控制信号可用来监视和控制转换时间。 3 ) 低噪声，典型值为1 5 m v p p 。 4 ) 典型输入电流l p a 5 ) 最大转换速度为每秒3 0 次。 6 ) 片内有振荡器，只须外接晶体或rc 器件。 3 2 3a d 转换器选择i c l 7 1 0 9 的原因。 1 ) i c l 7 1 0 9 a d 转换器的分辨率为l2 位，用百分数表示为0 0 2 4 4 ，其分辨率 较高，满足系统的误差设计要求。 2 ) a d 转换器的最大转换速度为每秒3 0 次，在本装置中，需要采样的信号为电流 信号，电压信号，温度信号，都可视为非快速信号，同时对短路电流又设计有 中断电路，因此i c l 7 1 0 9 的转换速度满足设计要求。 3 ) 由于设计过程中，对i c l 7 1 0 9 采用外部基准源，因此需要控制外部环境温度。 又因为本装置放置于室外一年四季温度变化较大，在箱体上我们采用双层隔热， 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 防尘、抗电磁等措施，并且在装置内部配有温度继电器控制的交流风扇，当箱 体内温度高于4 5 c 时，继电器闭合，接通电源，风扇转动，冷却箱体内温度， 因此，箱体内温度不会高于芯片的工作温度范围。 4 ) i c l 7 1 0 9 与微处理器接口有较好的兼容性，其数据线，控制线能直接与微处理 器总线相连，而且数据形式为单行二迸制码，在单片机应用系统中应用很广价 格低，资源广。 综合所述，采用i c l 7 1 0 9 作为主变压器微机式风冷控制系统的a d 转换器是可行的。 3 2 4a d 转换器1 0 l 7 1 0 9 工作过程 图3 5i c l 7 1 0 9 的管脚图 a d 转换器i c l 7 1 0 9 的工作过程： 将m o d e 管脚接地，选择直接输出方式，r u n h o l d 揍正5 伏电源。i c l 7 1 0 9 进行连 续转换。s t a t u s 与主机p 3 3 口相连，由微机查寻p 3 3 的状态来确定转换是否结束。 i c l 7 1 0 9 每完成一次转换所需的转换时间为8 1 9 2 个时钟周期，当采用6 m h z 晶振时转换 时间为8 1 9 2 5 8 + 6 m h z = 7 9 1 2 m s ，即转换速成率为12 6 3 次秒。 完整的a d 转换时序如图： 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 囊势羹馨痿 内弗对锋 髹努n 豢 s 霄 1 f l 路 鹰 1 2 ：较努瓣爱i ii玎擅- a 蛀。；。 研衙脚砌渺眦 ili。 _ 德野磐敷_ - 一 掣：k 嘲+ l一羹嚣y 图3 咱完整的a d 转换时序 在积分阶段，积分门限的高电平脉冲将转换结果进行锁存，并发出输出状态标志， s t a t u s 变为低电平，i c l 7 1 0 9s 可以输出结果数据。 3 3 选线电路 图3 7 选线电路 由原理图可以看出，微处理器8 9 c 5 2 周围接有较多的集成电路，因于单片机是实时， 分时工作的，在某一特定时刻，单片机需要采取某个特定电路的信息，因此需要单片机 对该电路进行选通，进行读取或写入数据，该过程通过选线电路实现。 主变压器微机式风冷控制系统的直选线电路由门电路7 4 h c 3 2 和微处理器的r d ，w r 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 控制线及其一些i o 线组成。当单片机需要采集某个芯片信息时，由这些控制线组成有 效电平，使该芯片处于选通状态，则数据总线上出现的数据就要采集的信息，例如，单 片机要采取i c l 7 1 0 9 的转换数据( 其选线电路见原理图) 那么当r d 与w r 口线同时为低 电平时，经门电路7 4 h c 3 2 连接到i c l 7 1 0 9 的s t a u s 也为低电平，则说明i c l 7 1 0 9 转换 已经结束，数据总线上的数据就是单片机要采集的信息。其他选线电路详见原理图。 3 4 微处理器电路 3 4 1 微处理器元件特性 图3 - 8 微处理器电路 主变压器微机式风冷控制系统采用m c s 一5 1 系列的8 9 c 5 2 作为微处理器，其主要有 如下特点： 1 ) 设置了b 寄存器。 2 ) 有布尔处理功能。 3 ) 有一些能简化应用系统，外围控制的控制信号线 4 ) 有内部振荡电路，外接振荡晶体可以起振。 a t 8 9 c 5 2 的数据存储器由于外部扩展需要，采用x 2 5 0 4 5 作为扩展芯片，x 2 5 0 4 5 的 主要特点为： 1 ) 具有可编程的看门狗定时器； 2 ) 低v c c 检测； 3 ) 直到v c c = i v 复位信号有效； 4 ) l n h z 时钟速率： 5 ) 5 1 2 x 8 位串行e 2 p r o m - 4 字节页方式； 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 6 ) 低功率cm0s l o u a 备用电源，3 m a 工作电流； 7 ) 2 7 v 至5 5 v 电源电压； 8 ) 块锁定( b l o o rl o c kt m ) ；保护i 4 ，1 2 或所有e e p r o m 陈列； 9 ) 内建偶然性的写保护；上电掉电保护电路；写锁存，写保护引脚 1 0 ) 高可靠性使用期限i 0 0 ，0 0 0 周期字节，数据保存期1 0 0 年，e s d 保护；所有引脚2 0 0 0 v ； 1 1 ) 8 引脚小型d i p 封存装； 1 2 ) 8 引脚线s o i c 封存； 1 3 ) 1 4 引线t s s o p ； 1 4 ) x 2 5 0 4 5 = r e s e t 高电平有效； 3 4 2 微处理器元件工作方式 x 2 5 0 4 5 与主机是串行接口连接，当其c e 信号为低电平时，x 2 5 0 4 选通，若w r 也为 高电平，数据由s i 串行输入端在s c r 的上升沿由时钟同步输入。s o 是推挽串行数据输 出引脚，在读周期内，数据在此引脚上移出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。 a t 8 9 c 5 2 的复位端采用复按钮复位方式( 见原理图) ，当接钮接下时，4 n 3 3 的2 脚 为低电平，光耦导通，8 9 c 5 2 的9 脚为高电平，只要r e s e t 端保持i o m s 以上的高电平， 就能使单片机有效复位。 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 3 5 驱动输出电路 图3 9 驱动输出电路 主变压器微机式风冷控制系统由可控硅控制的固态继电器来接通或切断风机电源。 所以当微处理器接到的油温离，负荷重，温度大，定时到等运行申请信号时，由微机的 p 1 0 ，p 1 1 ，p 1 2 ，p 1 3 口给出低电平信号，使光祸处于导通状态，控制固态继电器的 + 1 2 v 电源接通固态继电器闭合，风机开始运转。当运行申请信号消失时，微机给出高电 平信号，光耦断开，控制固态继电器+ 1 2 v 电源也就断开，即同时继电器断开，切断风 机电源，风机停止运转。 3 6 人机对话电路 在单片机应用系统中，人机对系统的干预和数据输入的外部设备上常用键和键盘， 系统向人报告运行状态，及运行结果最常用的是各种报警指示灯，l e d l c d 显示器等。 在一些应用系统中，常常要配置较强水平的人机对话接口，通常与通用计算机系统连机， 进行通信，由计算机控制。在本系统中，人机对话电路由键盘电路，数码显示电路和通 信电路组成。操作使用方便，人机对话简单，通过预置键设定工作参数及自动工作状态， 设备即可自动运行，监控供电电源及风机运行状态，也可手动运行，为试验和检修带来 方便。 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 6 1 键盘电路 一 幽3 1 0 键盘电路 键盘主要有8 个键构成，分别是下巡检键“l ”，上巡检键“t ”，加键“+ ”，减键 “一”，复位键“复位”，复归键“复归”，上档键“一”，预置键“预置”，其主要功能为： 下巡键“l ”：下巡地址单元 上巡键“f ”：上巡地址单元 加“+ ”：预置状态下加l 键，按住超过3 秒快速加数 减“。：预置状态下减l 键，按住超过3 秒快速减数 预置键：按下一次，预置指示灯亮，可预置各种参数；再按次，预置指示灯灭， 显示实测并存储预置的各种参数。 复归键：按下一次，系统清除故障重新运行，使系统复位 上档键+ “l ”：在显示h r 地址单元的数据时切换小时、分钟，秒的显示 上档键+