（机械工程专业论文）变电压快速自动测试仪研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ：= = = a t ；= = = = _ 自= = = i _ = = = = | e # ；= ；= 目 _ = = = = = | = = ；= ；= = _ ；= ；自 摘要 国家标准g b l 0 9 4 - - 7 9 规定：“电力变压器的变压比( 变比) ，除电压在3 5 k v 以 下且变l e , d , 于3 的变压器允许偏差为l 外，其他所有变压器( 额定分接) 允许偏 差为0 5 ”。两台变压器的变比相差1 时，并联后，在绕组内会产生循环电流，其 值可达到额定电流的1 0 ，从而增大变压器的损耗，使变压器的输出容量减小。因此， 变比的准确测量十分重要。 在对国内外各种变比的测量方法研究的基础上，提出采用单片机技术、传感器 技术、e d a 技术、自动控制理论，提出智能型变比测试方法，可用于测量各类单、三 相变压器及互感器的组别( 极性) 、变比值及变比误差，并且一次性完成三相变压器 的三相测量。 采用此方法开发成功的智能型变比自动测试仪，进一步提高测量精度，针对性 地解决老产品中的温度漂移问题：测量中三相相别的切换改为单片机自动控制，用 户使用时，只需要按照说明书接好线，然后设置好接线方式等参数，就可以自动完 成整个测试过程，在测量中无需人工干预：显示方式改为大屏幕液晶点阵显示器， 操作界面采用中文菜单，可提供充分的汉字提示，人机对话界面友好；可以自动保 存最近2 0 次测试数据，可以选择打印本次测试结果或历史测试结果；还可以自动识 别分接开关的位置等。 新变比测试仪的设计要求，具有一定的前瞻性，采用了当前主流技术，该型号 产品投放市场居，用户反映很好，加上比国外进口同类产品较低的价格和本土化优 势，市场前景非常好。 关键词：电力变压器变压比智能仪器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d “g b10 9 4 7 9 ”，v a r y i n gv o l t a g ep r o p o r t i o n ( v v p ) o fe l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e rw h o sv o l t a g ei su n d e r3 5 k va n di t sv v pi sl e s st h a n3 i s p e r m i t t e dt ow a r p 1 o t h e r w i s ev v p i sp e r m i t t e dt ow a r p o 5 ”w h e nd i s c r e p a n c y o fv v pb e t w e e nt w ot r a n s f o r m e r si sl a f t e rt r a n s f o r m e r sa r ep a r a l l e lc o n n e c t e d , t h e r e w i l lb r i n gc i r c u l a t i n gc u r r e n ti n 也ew i n d i n g a n dt h ev a l u eo ft h ec u r r e n tw i l lr e a c h1 0 o fs p e c i f i e dc u r r e n t ，t h e r e b y , t h ew a s t a g eo ft r a n s f o r m e r si sr i s e ，c a u s ec a p a b i l i t yo f t r a n s f o r m e r sd e c r e s c e n c e s oi t si m p o r t a n tt om e a s l l r ev v p a c c u r a t e l y o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gs o m em e t h o d st om e a s u r ev v pi n s i d ea n do u t s i d e n a t i o n a l ，w ep u tf o r w a r daw a y ，a d o p t i n gs i n g l e c h i pt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , e d a t e c h n o l o g y , a u t o c o n t r u lt h e o r y ，t om e a s l l r ev v pi n t e l l i g e n t l y u s i n gt h i sw a y ，w ec a n m e a s u r ev v po rp o l a r i t yo rv v pe r r o ro fe v e r yk i n do fu n i p h a s el x a n s f o r m e ro ra - i p h a s e t r a n s f o r m e r , a n dw ec a r lf i n i s ht h em e a s u r e m e n to n c ef o ra 1 1 t h ei n t e l l i g e n ta u t o m a t i cv v p i n s t r u m e n t , d e v e l o p e du s i n gt h i sw a y , a d v a n c em o r e p r e c i s i o n ，r e s o l v et h ep r o b l e mo ft e m p e r a t u r ee x c u r s i o n ；i nt h em i s s i o no fm e a s u r e m e n t ， s w i t c h i n gt h ep h a s ei sc o n t r o l l e db ys i n g l e c h i pa u t o m a t i c a l l y , t s e tn e e dd on o t h i n gb u t c o r m e c t i n g w i r e sa c c o r d i n gt o m a n u a l ，s e t t i n gp a r a m e t e ro fc o n n e c t i o nt y p e ，a n d m e a s u r e m e n ti sd i s p e n s ew i t hm a n u a lw o r k ；d i s p l a yu s a g ei n s t e a do fb i gl i q u i dc r y s t a l s c r e e n ，o p e r a t i o ni n t e r f a c ea d o p tc h i n e s em e n uw h a tc a l lo f f e rc h i n e s ec h a r a c t e r sp r o m p t s u f f i c i e n t l y , t h ei n t e r f a c eo fm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni sf r i e n d l y ；t h i si n s t r u m e n tc a n a u t o s a v e2 0n e wt e s t i n gd a t a ，c a ns e l e c tc u r r e n tt e s tr e s u l to rh i s t o r yt e s tr e s u l tt op r i n t ； a l s oi tc a ni d e n f i f yp o s i t i o no f t a ps w i t c ha u t o m a t i c a l l y t h i sv v pi n s t r u m e n ti sd e t e r m i n a t ef o r w a r d ，a d o p t i n gc u r r e n ta r t e r yt e c h n o l o g y , a f t e rb e i n gp u ti nm a r k e t , i t sr e f l e c t i o ni sv e r yg o o d ，a d d i n gl o w e rp r i c et h a ns a m e p r o d u c tt h a ti m p o s e df r o me x t e r n a la n dm a i n l a n da d v a n t a g e ，i t sf o r e g r o u n di nm a r k e ti s v e r yn i c e k e yw o r d s ： e l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e r v a r y i n gv o l t a g ep r o p o r t i o n i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇哼皇” 日期：盯年产月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 、， 傈密口t 在 年解密螽运用本授权书。 本论文属于不保密 。一一 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：写文犷)指导教 日期：( 盯年篮月扣f if = l 期 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研制新型智能变比速测仪的意义 随着我国电力技术的迅速发展，电力测试的要求越来越高。测量的自动化、智 能化、精度、易用性要求日益提高。在变压器的检查中，变压器的变压比是判断变 压器能否并列运行的关键因素。两台变压器的变比相差1 时，并联后，在绕组内会 产生循环电流，其值可达到额定电流的1 0 ，从而增大变压器的损耗，使变压器的输 出容量减小。因此，变比的差值应限制在一定范围内。在变压器出厂、交接、绕组 大修后都应对变比进行准确测量。 华福电气有限公司为提高其变比测试仪的性能，委托我们开发设计了新型智能 变比速测仪。该产品满足了生产实践中快速、准确、安全地测出变压器变压比的需 求。 华福电气有限公司的旧一代变比测试仪为半自动测量方式：在测量不同相别的 参数时，需要手工切换琴键开关，比较麻烦；其显示输出为l e d 数码管显示器；没 有自带微型打印机。该型号产品已逐渐丧失竞争力，因此华福电气有限公司提出新 的变比速测仪的设计要求： ( 1 ) 进一步提高测量精度，针对性地解决原产品中的温漂问题。 ( 2 ) 测量中三相相别的切换改为单片机自动控制，取消琴键开关：用户使用时， 只需要按照说明书接好线，然后设置好接线方式等参数，就可以自动完成整个测试 过程，在测量中无需人工干预。 ( 3 ) 显示方式改为大屏幕液晶点阵显示器，操作界面采用中文菜单。 ( 4 ) 自动保存最近2 0 次测试数据。 ( 5 ) 可以选择打印本次测试结果或历史测试结果。 ( 6 ) 自动识别分接开关的位置。 新变比测试仪的设计要求，具有一定的前瞻性；该型号产品投放市场后，用，、t 反映很好，大大提高了华福电气有限公司的市场份额。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外概况 国内外变比测试仪不断地发展，一般经过以下三个阶段”1 。 ( 1 ) 手工测试阶段：测量过程完全手工化，通过互感器和电压表测出初级与次级 的电压，然后手工计算变比；改变测试相别也是通过手工完成。使用这种变比测试 仪操作比较繁琐，计算量大，效率低下，现在一般不采用了。 ( 2 ) 半自动化测试阶段：仪器中采用单片机技术，可自动测量、计算示变比，但 改变测试相别还是需要人工干预，测试结果通过l e d 显示。采用这种方式成本较低 的，目前应用比较广泛。 ( 3 ) 全自动测试阶段：采用单片机及先进的控制技术，测试过程高度自动化，测 试中无需人工干预，逮度快，测量结果精度高：人机界面好，通过点阵式l c d 显示 菜单和数据，可选择打印测试结果或历史数据。这是目前最先进的变比测试仪，是 电力行业更新换代变比测试仪器的方向。 我们开发的变比速测仪，技术性能达n t 上述第三阶段。为确保仪器的高精度， 高自动化，在同类产品中具有较强的竞争力，我们采用了以下先进的的测量技术。“”： ( 1 ) 仪器自动调零：由于半导体材料性能受温度影响会改变，从而使电路产生零 漂( 输入为零时，输出不为零) 。仪器上电时会执行初始化程序，测出并记住零漂 值，在后面的测试计算中自动补偿，从而减小其影响。 ( 2 ) 高智能化：自动判断变压器分接开关的位置，自动判断系统接线错误。 1 3 课题的技术指标和本文所作的工作 根据中华人民共和国电力行业标准规定，并列运行的两台变压器，变比相差应 小于1 ，而仪表行业标准也规定，仪表的示值分辨率不低于产品允许误差的十分之 一a 综合考虑各方面的因素，我们给产品的精度规定为0 1 到0 2 级。以下是具体 的技术性能指标。 1 ) 主要功能要求： ( 1 ) 自动测量变压器的组别 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = 目_ _ _ = ；= ；= = = = t = ；= _ z 4 = = = = = = 目= 目_ - = = 目= = = = = 目_ _ ( 2 )自动进行相别切换，直接测量三相变压器的三相变比值 ( 3 ) 可根据不同变压器的组别计算出变比值 ( 4 ) 自动换量程 ( 5 ) 自动校基准 ( 6 ) 输入标准变比值自动计算变比误差 ( 7 ) 输入额定变比值自动计算不同分接开关下的标准变比值( 无需输入变压 器分接开关的分接位，仪器自动识别变压器分接开关的分接位，并自动计算出变压 嚣的变比误差。) ( 8 ) 仪器具有完善的反接保护功能 ( 9 ) 仪器显示器具有背光功能 ( 1 0 ) 仪器可以随时打印测试结果 ( n ) 仪器具有数据保存功能，可随时查看历史数据 2 ) 技术性能指标“3 测量范围：l - 0 0 0 0 - - 9 9 9 9 9 接线方式：单相、y y 、y 、y 组别范围：0 - - 1 1 测量精度：l0 0 0 0 - - 9 9 9 9 90 1 1 0 0 0 0 9 9 9 9 9 0 2 工作电源：a c2 2 0 v 1 0 ，5 0 h z 工作环境：温度：一1 0 4 0 。c ，湿度：8 5 功耗：1 0 0 w 重 量：5 k g 体积：z o o 3 4 0 2 0 0 m i l l 3 预热时间：l o 1 5 分钟 绝 缘：侄电源引入线与外壳之间用5 0 0 v 兆欧表测量电阻应大于2 0 m ，加 l s 0 0 v 交流电压t 分钟不飞弧。 3 ) 本文所f 1 的工作： 华中科技大学硕士学位论文 整个产品的设计包括：原理设计、结构设计、软硬件设计、外形设计等许多方 面，作者主要承担以下工作： ( 1 ) 设计电路，设计印制电路板 ( 2 ) 编写和调试单片机程序 华中科技大学项士学位论文 2 测量原理 2 1 变压比的测量 变压比的测量是验证变压器能否达到规定的电压变换效果，变比是否符合变压 器技术条件或铭牌所规定的数值。变压器的变压比是变压器并列运行的重要条件。 国标g b l 0 9 4 - - 7 9 规定：“电力变压器的变压比( 变比) ，除电压在3 5 k v 以下且变比 小于3 的变压器允许偏差为1 外，其他所有变压器( 额定分接) 允许偏差为0 5 ”。 两台变压器的变比相差1 时，并联后，在绕组内会产生循环电流，其值可达到额定 电流的1 0 ，从而增大变压器的损耗，使变压器的输出容量减小”1 。因此，变比的准 确测量十分重要。 测量变压器的变压比主要目的是。1 ： ( 1 ) 检查变压器绕组匝数的正确性： ( 2 ) 检查分接开关的状况； ( 3 ) 变压器发生故障时，常用变比测量来检查变压器是否存在匝间断路： ( 4 ) 判断变压器是否可以并列运行。 1 ) 变压比的概念 变压器的变压比是指变压器空载运行时，初级电压u l 与次级电压u 2 的比值。 简称变比“1 ，表示为 k = u 1 u 2 单相空载变压器的变比可认为等于变压器的匝数比，即 k = u 1 u 2 = n l n 2 三相变压器铭牌上的变比是指不同绕组的电压之比，不同接线方式的变压器其 匝数比有如下关系 ( 1 ) 初级、次级绕组接线相同的三相变压器的变比等于它们的匝数比，即 k = n l n 2 ( 2 ) 初级、次级绕组接线为y 的三相变压器的变比为 华中科技大学硕士学位论文 k = 压n 1 n 2 ( 3 ) 初级、次级绕组接线为y 的三相变压器的变比为 k = ( i 压) n 1 n 2 2 ) 变压比的测量方法。1 变压t e 的测量就是在变压器的一侧( 高压或低压) 施加一个电压，然后用仪表 或仪器测量另一侧的电压，通过计算来确定该变压器的变压比。 三相变压器的变比，可以用三相或单相电源测量。用三相电源比较简单，用单 相电源比三相电源容易发现故障相。当用单相电源测量y 或y 连接的电压器的 变比时，三角形绕组的非被测试相应被短路，这样可使非被测试相中没有磁道，从 而使加压相磁路均匀“。 变压比的常用测量方法为双电压法和变比电桥法。本文采用单相电源双电压表 法a ( 1 ) 双电压表法n 6 1 在变压器的一侧施加一个电压，然后测出初级、次级绕组的电压( 线电压或用 相电压换算成线电压) ，两侧线电压之比即为所测变比。表2 - i 为用单相电源测量变 比的接线和计算公式。 表2 - i 单相电源测量变比的接线和计算公式 连接组加压短路测量 序号 变比及误差计算公式 标号端子端子端子 k i = u a x u a x l 单相 a x k = ( k n - k 1 ) k l l 1 0 0 a b a bb c a b b c k i = u a b u a b = ( u a + u b ) u 2 l 2y ，1 l 点 b c c a k l = ( 压，2 ) u a b u a b b c 啡( k n 一( 压，2 ) k a v ) k n * 1 0 0 c a c aa b e f t 6 华中科技大学硕士学位论文 续表2 1 a b c aa b a b k i = t i a b u a b = u i l ( 2 u 2 l 压) b ca bb c 3 y ，1 1 点k l = ( 2 压) u a b u a b b c c o b cc a ak = ( k n 一( 拓2 ) k a v ) k n * 1 0 0 c a y y 0 点 a b a b k i = u a ) ( u a x = k l 4b cb ck l = u a b u a b 龟善 c ac ak 肛( k n k a y ) k n 1 0 0 说明：k n 为额定变比；k l 为实测变比；k a y 为三次实测变比的平均值：k l 为线 电压比；u 1 l 、u 2 l 为一次、二次侧空载线电压。 使用该方法要求电源电压稳定，必要时加稳压装置；测量用的电压表应不低于 0 5 级，初级和次级电压必须同时测量。该方法易于通过单片机系统实现。 本文采用单相电源双电压表法。测量时由单片机自动控制将单相电源连接到被 测试相，电路同时对初级和次级信号采样、转换，单片机同时对两路信号进行计数， 由于测量的同步性很好，可以降低电源电压稳定性的要求，简化了系统结构，降低 了成本。 ( 2 ) 变比电桥法“ tq r lr 一- 1 鞯 兀 昼= i 一 l j 11 ( 4 ) 图2 - l7 楚比电桥测匿原理接线 c b l 一，叫，qj j i 华中科技大学硕士学位论文 利用变比电桥也可测出变压器的变比。如图2 一l 所示，在被测变压器的初级加 电压u l ，则在变压器的次级感应出电压u 2 。调整电阻r l 和r 3 ，使检流计指零。通 过计算可得出变比值： k = ( r i + r 2 + r 3 ) ( r 2 + l 2 r 3 + r 3 ) 上式中：r 3 为c 点偏离r 3 中点的电阻值。 使用该方法测试变比，要求r l 、r 2 、r 3 精度较高，手工完成测试比较容易，但 难于通过单片机系统实现自动测量，我们没有采用该方法。 2 2 极性和接线组别的判定 1 ) 极性的判定 在单相变压器中，为了说明绕在同一铁心上的两个绕组的感应电势间的相对关 系，引用“极性”的概念。如果两绕组感应电压相位相同，则连接x 和x 后， u a a = u a x u a x ，则变压器称为“减极性”；如果两绕组感应电压相位相差1 8 0 。，则连 接x 和x 后，u a a = u a x + u a x ，则变压器成为“加极性”的。 由于变压器的绕组在初级和次级间存在着极性关系，当几个绕组互相连接组合 时，无论是串联还是并联，都必须知道极性才能正确的进行连接。 本文中通过检测初级和次级信号的过零点的时间差t c 来判断两者间的相位差 “”。首先测出初级信号的两次过零点的时间差t g ，然后计算出初级信号的周期t ，显 然t = 2 t g ；再测出初级和次级信号的过零点的时间差t c ，则初级和次级信号的相位 差为( t o t ) 3 6 0 。，当相位差接近1 8 0 。时，可认为变压器为“加极性”的，当 相位差接近3 6 0 。或0 。时，可认为变压器为“减极性”的。 2 ) 组别的判定o ” 三相变压器除了绕组间有极性关系外，三组绕组的连线方式和引出端子标号不 同，其初级绕组和次级绕组对应【t j 的相位差也会改变，不同的相位差代表着不同的 接线组别。不管绕组的连线方式和引h j 端子标志方式怎样改变，但最终初级、次级 间对应的相位差却只有1 2 种不同情况，且都是3 0 。的整数倍，这就像时钟表面被 1 2 小时所等分，因此可以按时钟系统来确定接线组别：相位粒为3 0 。的组别称勾l 华中科技大学硕士学位论文 点钟，相位差为6 0 。的组别称为2 点钟直至3 6 0 。称为1 2 点钟。 确定变压器绕组接线组别的方法有直流法、双电压表法和相位表法。 直流法的原理如下：用两节1 5 v 干电池，轮流加到变压器的高压侧a b 、b c 、a c 端子，并相应记录下低压端子a b 、b c 、a c 上的仪表指针的指示方向和数值：测量时 应注意电池和仪表的极性，例如a b 端子接电池，a 接正，b 接负，则仪表也是一样， a 接正，b 接负。记录数据的正负符号表示的是高压侧电源开关合上的瞬间低压侧的 仪表指针的指示方向。表2 2 是用直流法判断变压器接线组别的数据。 表2 - 2 直流法判断变压器接线组别 组通电相低压侧表针指示组通电相低压侧表针指示 别 a + b 。b + c 。a + f i 。 别 a + b b + c a + c - 一 0a b + oa b + l b co + + 7b co 一一 a c + 0 + a c 一 o + a b +一 a b + 2b c + 8b c 一一 a c + 一 a c +一 a b0 一一 a b0 + 3b c + 0 + 9b c 一 0 一 a c +一 0a c 一 + o a b 一 a b + 4b c + 1 0b c + a c + a c + a b 一 o 一 a b + 0 + 5b c +一 01 lb c 一 o + a c0 一 a c 0 + + a ba b + 6b c 1 2b c + a c a c + 华中科技大学硕士学位论文 说明：“+ ”表示低压侧表针偏向正方向，”表示低压侧表针偏向负方向，“0 ” 表示低压侧表针在正中位置。 我们改进直流法：在高压侧输入交流，然后测出低压侧如高e , n 的相位差，若 低压侧信号的大小接近0 ，则认为该低压侧指示为0 ( 对应于直流法中查表数据) ， 编程时在表格中记为0 3 h ：若低压侧如高压侧的相位差为0 。或3 6 0 。，则认为该低 压侧指示为+ ( 对应于直流法中查表数据) ，编程时在表格中记为o i h ；若低压侧如高 压侧的相位差为1 8 0 。，则认为该低压侧指示为一( 对应于直流法中查表数据) ，编 程时在表格中记为0 2 h ；然后查表得出变压器的接线组别。 查表程序中有三个表格，分别存放测试a b 相、b c 相、a c 相时的判断数据。 三个表格的程序段如下： t a b e l _ a b ：d b0 1 h ，0 2 1 ，0 3 1 ；组别l d bo i h ，0 2 h ，0 2 h ；组别2 d b0 3 h ，0 2 h ，0 2 h ；组别3 d b0 2 h ，0 2 h ，0 2 h ；组别4 d b0 2 h ，0 3 h ，0 2 h ；组别5 d b0 2 h ，o i h ，0 2 h ；组别6 d bo i h ，o i h ，0 3 h ：组别7 d b0 2 h ，0 i h ，o i h ：组别8 d b0 3 h ，o i h ，0 l h ；组别9 d bo i h ，o i h ，o i h ；组别1 0 d bo i h ，0 3 h ，0 l h ：组别l l d b0 i h ，0 2 h ，0 1 h ；组别1 2 t a b e l b c ：d b0 3 h ，o i h ，o i h d bo i h ，0 l h ，0 i h d b0 i h ，0 3 h ，0 i h d b0 l h ，0 2 h 0 l h 组别 组别 组别 组别 i o 华中科技大学硕士学位论文 = _ 目= = _ 目= # j 自= = = = j _ ；_ i = ；= ；= t = = = = ；_ ；= j 目= # d b0 i h ，0 2 h ，0 3 h；组别5 d bo i h ，0 2 h ，0 2 h；组别6 d b0 2 h 0 2 1 ，0 2 h；组别7 d b0 2 h ，0 2 h 0 2 h：组别8 d b0 2 h 0 3 h ，0 2 h；组别9 d b0 2 h o i h 0 2 h；组别l o d b0 2 h ，0 1 h 0 3 h：组别l l d b0 2 h ，0 l h ，0 i h：组别1 2 t a b e la c ：d bo i h ，0 3 h ，o i h d bo i h ，0 2 h ，0 1 h d bo i h ，0 2 h ，0 3 h d b0 1 h ，0 2 h ，0 2 h d b0 3 h ，0 2 h ，0 2 h d b0 2 h ，0 2 h ，0 2 h d b0 2 h 。0 3 h 。o i h d b0 2 h ，o i h ，0 2 h d b0 2 h ，o i h ，0 3 h d b0 2 h ，o i h ，o i h d b0 3 h ，0 l h ，0 l h d bo i h ，o i h ，o i h 组别1 组别2 组别3 组别4 组别5 组别6 组别7 组剐8 组别9 组别1 0 组别n 组别1 2 当用户设置系统为三帽自动测量模式时，程序只需查a b 相的表格t a b e l _ a b 柬 判断变压器的组别；若用户设置系统为某一相相单独测量模式时，程序就查该相对 应的表格来判断变压器的组别。 华中科技大学硕士学位论文 3 系统硬件设计 本系统是典型的单片机应用系统，硬件部分主要由前向测量通道、单片机系统 电路、后向通道构成。其中前向测量通道设计成一块电路板，单片机系统电路和后 向通道设计成一块电路板。 前向测量通道负责将外界的信号转换成单片机能识别的方式，是单片机的信息 输入通道。一般前向测量通道有模拟输入、开关量输入、脉冲输入三种形式。本系 统中键盘和电路保护信号为开关量输入。初级、次级的电压为模拟信号，经过放大、 v f 转变成脉冲输入，单片机通过t o 、t l 同时计数。初级、次级的电压的处理电路 要求低漂移、低噪声、高线性，在设计印制电路板时要特别注意，否则仪器的精度 不能保证，甚至导致整个设计失败。 后向通道是单片机的输出通道，负责输出单片机对信息加工、处理的结果。 3 1 前向测量通道框图 前向测量通道主要由变压器的初级、次级电压信号的检测、放大、v f 转换等部 分构成。变压器的初级电压由原边通道处理：变压器的次级电压副边通道处理。其 结构框图如图3 - 1 所示“”。 隔离变压器是将输入的2 2 0 v 市电隔离变压成1 8 0 v 和6 、r 两组测试电源，这样可 以使测试工作更安全。其中1 8 0 v 接到被测变压器的加压端子，被测变压器的输出端 予接到仪器的副边通道：6 v 连接到仪器的原边通道，该信号乘以3 0 就代表1 8 0 v 的 加压电压值，可用于变比计算。 原边、副边通道信号经过程控交流放大器放大或衰减到合适的幅度，再经过真 有效值转换器转换成直流电压，然后经过v f 转换，变成相应频率的脉冲，再经过 高速光藕隔离接到单片机的两个计数器输入端，这样单片机就可以检测到原边、副 边通道信号的大小，根据公式计算出变压器的变压比。 原边、副边通道信号经过狂控交流放大器放大或衰减到合适的幅度后，i j 时接 剑过0 比较f 巳路，将交流信号转换览方波，再经光藕隔离接到单i 机，这样卟片饥 1 华中科技大学硕士学位论文 可以测出原边、副边通道信号的相位差，从而测量变压器的极性或组别。 继电器组用于改变放大器的放大倍数和测量中变压器的测量端子的切换，控制 测量工作的自动进行。 2 2 0 v 图3 一 前向测量通道的结构框图 华中科技大学硕士学位论文 3 2 单片机系统框图 单片机系统是仪器的核心部分，采集来自两个通道的数据，进行运算和分析， 控制液晶显示屏及打印机，显示或打印测试结果：接收键盘的输入：控制继电器动 作，使测量自动进行。其结构框图如图3 - 2 所示。 监控存储器是e 2 p r o m 芯片x 2 5 0 4 3 ，它有5 1 2 字节的存储空间，可以存放仪 器的工作参数和仪器的测量历史数据，同时其内部含有电压监视电路，在系统上电 或掉电时产生复位信号，这样可以傻系统稳定地复位。 本系统采用北京清华蓬远公司的内含t 6 9 6 3 c 控制器的m g l ( s ) 一2 4 0 1 2 8 t 液晶显 示模块，它可以显示点阵图形，我们用它显示汉字“”。 键盘用于输入信息，单片机通过8 2 5 5 的i 0 口扫描按键的状态，判断是否有键 按下，然后执行相应的按键处理程序“。 打印机在单片机的控制下打印测量结果或测量历史数据，这里采用微型面板式 打印机t p u p 一4 0 a 。 图3 - 2o - 片机系统的结构框图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 副边通道的程控放大电路 1 ) 电路工作原理 该电路的主要功能是对被测变压器的测压端子的信号进行防大或衰减。被测变 压器的加压端子在系统测量时接到1 8 0 v 交流电，如果其变比为1 ，则测压端子的信 号为1 8 0 v ，需要将其衰减为1 3 0 ( 6 v ) ，放大电路的放大倍数应为1 3 0 ；如果其变 比为1 0 0 0 0 ，则测压端子的信号为1 8 0 v 1 0 0 0 0 ，需要将其放大到3 0 倍( o 5 4 v ) ，放 大电路的放大倍数应为3 0 。系统测量时自动调整放大倍数，从l 3 到1 、3 、3 0 倍， 当放大后信号幅度够大( 大于o 6 v ) ，即可认为调整到合适的量程，否则继续加大放 大倍数，直至3 0 倍。 放大倍数的改交是通过单片机控制继电器切换放大电路的反馈电阻来实现的。 放大电路如下图所示【1 4 】。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 放大倍数参数的调试 调试放大倍数的参数需要使用精密可调电阻箱，它可以将输入的电压( 接变压 器的加压端) 按照所设定的比例精密分压输出( 接变压器的测量端) ，这样相当于一 个变比已知的变压器，并且其变比可精确的设置。 调试分四个段进行，每段选两个值，分别调试零点和线性度。选取变比1 ：l 和 9 3 7 5 ：l 、1 0 ：l 和9 3 7 5 ：l 、1 0 0 ：l 和9 3 7 5 ：1 、1 0 0 0 0 ：1 和9 3 7 5 0 ：l 。 其中零点的调整都是通过调整图3 8 中的r 2 5 完成，它使l ：1 、1 0 ：i 、1 0 0 ： 1 和1 0 0 0 ：l 更准。当然同时满足四种是不可能的，一般来讲，尽量满足小值，1 0 0 0 ： 1 允许误差大些。 9 3 7 5 ：l 的调整通过该档反馈电阻r 1 1 完成，当调试程序显示变比接近9 3 7 5 ： l 时，停止调整反馈电阻，并按下确认键，系统会显示此时的k 值( 接近1 ) ，并存 入x 2 5 0 4 3 ，以供以后正式测量时计算用；此时系统根据k 值自动修正变比为9 3 7 5 ： l 。 其他档的反馈电阻和k 值的确定方法类似。 在完成所有档调试后，再测试一下l ：1 、1 0 ：l 、1 0 0 ：1 和1 0 0 0 ：1 ，如果误差 较大， 再调整一下r 2 5 ，然后继续重复上面的过程。这样可以使整个测量范围内的 误差比较均衡，避免有的值测得很准，有的值误差太大。 3 4 真有效值转换电路 真有效值转换电路的作用是将交流电压按其真有效值转换成直流电压。 a d 5 3 6 a 是美国a d 公司的真有效值转换芯片，其转换性能优越。同类产品有的用其 他器件完成真有效值转换，这种仪器的精度都不高。 1 ) a d 5 3 6 a 的主要特点i 。9 l ( i ) 芯片采用激光修正，达到了高准确度的指标。 ( 2 ) 集成度高，外围电路简单。 ( 3 ) 能够转换出纯交流信号( a c ) 或叠加有直流分鳋的交流信号( a c + d c ) 的有效值电ji 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 转换速率快，典型情况下为5 v u s 。 ( 5 ) 具有分贝输出端。 ( 6 ) 宽频带，频率相应好。 2 ) a d 5 3 6 a 的管脚功能 图3 - 4 为其内部结构与管脚排列，a d 5 3 6 a 的管脚功能如表3 1 所示： 其中第l 脚用于输入原始信号，第6 脚为转换后的直流真有效值电压输出端。 表3 - ia d 5 3 6 a 的管脚功能表 引脚号引脚名称 功能说明 l v i n 输入电压端，输入阻抗典型值为1 6 6 7 k ，最大为2 0 k 。 2n c 3 - v s 负电源端，对称式双电源范围为3 v 至1 8 v 。 4 c a r 外接平均电容。 5 v d 8 分贝( 电平) 电压输出端 6 b u f o t r r缓冲器输出，其输出阻抗小于0 5 q 。 7 b u f i n 缓冲器输入其输入阻抗大于1 0 8 q 。 8 l o u t电流输出端。 9 r l 内部电阻r 2 ( 2 5 k ) 的引出端，通常与c o m 短接。 1 0c o m 公共地。 l ln c 1 2 n c 1 3n c 1 4 + v s 正电源端，对称式双电源范围为3 v 至1 8 v 。 v i n - v s v s 图3 - 4a d 5 3 6 a 的内部框图 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 原边通道的真有效值转换电路 图3 - 5 是原边通道的真有效值转换电路，副边通道的真有效值转换电路类似。 网络标号u z 连接到隔离变压器输出的6 v 电源，e 1 l 用来隔离直流信号。t 4 是调试 用的短路块，短路其5 、6 将输入0 v 信号到a d 5 3 6 a ，这时调节r 2 8 可以使a d 5 3 6 a 输出0 ；短路t 4 的l 、2 将输入6 v 信号到a d 5 3 6 a ，这时调节r 4 2 可以使a d 5 3 6 a 输出6 v ，这样可以对a d 5 3 6 a 调零或调整满值：短路t 4 的3 、4 将输入被测信号到 a d 5 3 6 a ，系统工作时应处于这种状态。 一 图3 - 5 原边通道的真有效值转换电路 4 ) 真有效值转换电路的调试 如图3 5 所示，首先调整a d 5 3 6 的零点：短路t 4 的5 、6 将输入0 v 信号到a d 5 3 6 a ， 这时调节r 2 8 可以使a d 5 3 6 a 输出0 ( 用万用表测量) ；然后调整a d 5 3 6 的满值：短 路t 4 的1 、2 将输入6 v 信号到a d 5 3 6 a ，这时调节r 4 2 可以使a d 5 3 6 a 输出6 v ( 用 万用表测量) ：短路t 4 的3 、4 将输入被测信号到a d 5 3 6 a ，系统工作时应处于这种 状态。 类似方法调试副边通道的真有效值转换电路。 华中科技大学硕士学位论文 3 5 、佃转换电路和高速光藕隔离电路 1 ) a d 6 5 0 的主要特点 v f 转换电路可以将直流电压线性转换成一定频率的脉冲信号。这里采用的是美 国a d 公司的a d 6 5 0 ，该芯片性能非常好，其主要特点如下： ( 1 ) 最高输出频率为1 m h z 。 ( 2 ) 高可靠性。 ( 3 ) 线性度高。 典型的线性度： 0 0 0 2 1 0 k h z 0 0 0 5 1 0 0 k h z 0 0 2 5 0 0 k h z 0 0 7 lm h z ( 4 ) 输入偏置调零。 ( 5 ) c m o s 和r r l 兼容 ( 6 ) 单极、双极、差分v ，f ( 7 ) v ，f 或f j 转换功能 本系统调整a d 6 5 0 的满输出为1 0 0k h z ，此时其线性度为o 0 0 5 ，完全可以满 足系统的要求。 2 ) a d 6 5 0 的管脚功能 a d 6 5 0 的内部框图如图图3 6 ，其管脚功能如下表3 2 所示。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 表3 - 2a d 6 5 0 的管脚功能表 引脚号引脚名称 功能说明 i v o u t 比较器输出端。 2+ r n 输入电压正极。 3一i n输入电压负极。最大输入电压v s 差分输入1 0 v 。 4 o f f s e t 偏置电流。 5 一v s 负电源端，标准负电源为- 1 5 v 。 6o n e s h o t定时电容输入端。 7n c 8 f 0 u t p u t 频率输出端。 9 c o m p i n 比较器输入。 1 0 d i g l l i a l 数字地。 1 1 a n o l o g 模拟地。 1 2 + v s 正电源端，标准负电源为一1 5 v 。 o f f s e t调零电阻端 1 3 n u l l o f f s e t调零电阻端 1 4 n u l l 图3 - 6a d 6 5 0 的内部框阳 2 0 华中科技大学硕士学位论文 3 ) v f 转换电路和高速光藕隔离电路【2 0 】 v f 转换电路和高速光藕隔离电路如图3 - 8 所示。当a d 6 5 0 输入0 v 时，调整 r 2 5 使a d 6 5 0 的8 脚输出信号频率为0 h z ；当a d 6 5 0 输入6 v 时，调整r 2 3 使a d 6 5 0 的8 脚输出信号频率为1 0 0 k h z 。 由于a d 6 5 0 输出最大频率设定为1 0 0 i z ，使用的隔离光藕相应频率必须符合 要求，这里采用高速光藕6 i 4 1 3 5 ，其内部原理图如图3 7 所示；6 n 1 3 5 需要1 5 m a 的驱动电流，而a d 6 5 0 输出只能提供1 0m a 的驱动电流，因此在a d 6 5 0 输出后面 增加了7 4 0 7 ，7 4 0 7 为开漏极输出，其灌电流可达3 0 m a ，加强了驱动能力。 7 4 h c l 4 是施密特反相器，对6 n 1 3 5 的输出信号进行再整形，以便于单片机计数。 单片机要求输入的脉冲上升沿的上升速率快，否则计数有裂孙1 1 2 2 1 。 c a t h o c l e v c c ) b a s e c o l l o c 的7 e m i t t e r ( g nd ) 图3 76 n 1 3 5 的内部原理图 图3 - 8 副边通道v f 转换电路和高速光衙隔离电路图 胁 a 华中科技大学硕士学位论文 4 ) a d 6 5 0 的调试 调试a d 6 5 0 ，首先插上写有调试程序的单片机芯片，通电工作后进入调试程序的 a d 6 5 0 菜单，它可以显示测出2 个通道的频率值。 如图3 8 所示，调试副边通道的a d 6 5 0 ，首先短路t 5 的5 、6 将输入0 v 信号到 a d 6 5 0 ，然后调整r 2 5 使a d 6 5 0 的8 脚输出信号频率为0 h z ，从液晶显示器上可以 观察到：短路t 5 的1 、2 将输入6 v 信号到a d 6 5 0 ，调整r 2 3