（材料加工工程专业论文）弧焊电源变压器绕组温升测试系统的设计.pdf

摘要 摘要 弧焊电源变压器是弧焊电源的一个重要组成部分。变压器绕组温升的测量对 于检验生产过程中变压器产品的工艺质量、发现现场工作中变压器的缺陷以及变 压器发生故障后的检查、分析与判断等都具有十分重要的意义。 论文结合实际情况，在分析、比较各种测量方法的基础上，最终选用电阻法 来测量变压器绕组温升。建立了变压器的电路模型和用电阻法测试绕组温升的数 学模型，并根据这个模型推导出了标准中给出的计算绕组温升的公式。同时还提 出了计算温升的两种方法，说明了绕组时间常数的含义和求法。在推导过程中考 虑了试验环境中恒温和非恒温两种情况。 针对弧焊电源变压器绕组温升检测需要进行绕组电阻值精确测量的问题，本 文在恒流源法和双臂电桥法的基础上，利用m c u 快速测试的特性。提出了比较 法的测量方案。从而实现了对绕组温升的快速、准确测量。经过大量电路实验和 调试，完成了基于电阻法的以单片机为核心的智能仪器的硬件和软件的设计。 本文共分四章：第一章简要介绍了本课题的意义、仪器仪表的发展和论文的 主要内容以及工作重点；第二章分析和比较了变压器温升的各种测量方法，并对 电阻法进行了详细理论分析和验证；第三章详细阐明了基于新的测量方法的智能 仪表的硬件部分的设计；第四章介绍了智能仪表的软件部分设计及实现； 关键字弧焊电源；变压器；温升；智能仪器 a b s t r a c t t h et r a n s f o r m e r so fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ea r ev e r yi m p o r t a n tp a r to fa r c w e l d i n gp o w e rs o u r c e t h em e a s u r e m e n to ft h et e m p e r a t u r ea r i s i n go ft r a n s f o r m e r s w i n d i n g sh a sg r e a ti m p o r t a n c ei nc h e c k i n gt h e i rq u a l i t ya st h e i rb e i n gm a n u f a c t u r e d ， f i n d i n gt h e i rd e f e c t so nt h eo p e r a t i n gs p o t ，a n da n a l y z i n ga n dd e c i d i n gf a u l t sa f t e rt h e y f a i l e d i nt h i sp a p e r ，b a s e do i lt h ea n a l y z i n ga n dc o m p a r i n go f m e a s u r i n gm e t h o d s ， c h o o s er e s i s t a n c em e t h o dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r e 嘶s i n go ft r a n s f o r m e r s w i n d i n g s t h ea r t i c l ef o u n dam a t h e m a t i cm o d e lw i mr e s i s t a n c em e t h o df o rt e s to fa w i n d i n g st e m p e r a t u r ea r i s i n ga n dd e r i v e daf o r m u l ag i v e ni ns t a n d a r d sf x o mt h e m o d e l t h ew i n d i n g s t e m p e r a t u r ea r i s i n gc a r l b ec a l c u l a t e du s i n gt h ef o r m u l a m e a n w h i l e ，t h et w om e t h o d sf o rc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ea r i s i n gi sg i v e ni nt h e a r t i c l e ，a n dt h em e a n i n go f t h ec o i lt i m ec o n s t a n ti se x p l a i n e d t h ec i r c u m s t a n c eo f c o n s t a n ta n dn o n c o n s t a n tt e m p e r a t u r ei nt e s ti si n c l u d e di nt h em o d e l t od e t e c tt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s eo ft h et r a n s f o r m e rw i n d i n go fa r cw e l d i n g p o w e rs o u r c e ，t h er e s i s t a n c eo ft h ew i n d i n gs h o u l db em e a s u r e dp r e c i s e l y f o rt h i s p u r p o s e ， ac o m p a r i s o nm e t h o db a s e do nt h ec o n s t a n t c u r r e n ts o u r c em e t h o da n d d o u b l ea r n lb r i d g em e t h o di sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ep r e c i s em e a s u r e m e n t c a l lb ea c h i e v e dq u i c k l y a n dt h e n ，t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h em c u c e n t e r e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ts o l u t i o ni sp r e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h ep a p e ri sd i v i d e di n t o4c h a p t e r s i nc h e a p e r1 ，t h ep u r p o s eo fm e a s u r e m e n t o ft h et e m p e r a t u r ea r i s i n go ft r a n s f o r m e r s w i n d i n g sa n dt h ew o r kd o n ei nt h i sp a p e r a r eb r i e f l yd e s c r i b e d t h ed e d u c t i o no ft h er e s i s t a n c em e t h o di sd e s c r i b e di nc h a p t e r2 i nc h a p t e r3 ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti sd e s c r i b e d a n dt h e s o f t w a r ed e s i g no f t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti sd e s c r i b e di nc h e a p e r4 k e y w o r d sa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ；t r a n s f r o m e r ；t e m p e r a t u r ea r i s i n g ；i n t e l l i g e n t i n s m t m e n t - n 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：壁：胡和 日期p 西一! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：拉函导师签名：东辛院 日期：训何6 j 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 弧焊电源变压器温升测量的意义和要求 弧焊电源是电焊机的重要组成部分，直接影响电焊机的价格、寿命和性能。 而变压器作为输送能源的重要设备，是弧焊电源的核心元件，它的质量很大部分 影响了弧焊电源的性能和寿命。因此弧焊电源变压器的检测对于保证弧焊电源的 性能具有较为重要的意义。 所谓温升，即某物体达到稳定温度时相对于环境的温度的升高，即a t 兰t o t i 其中t 为温升，t 0 、t 1 分别为物体的相对稳定温度、环境温度【”。变压器 传输电能的同时，自身要消耗一部分能量，即铜损耗和铁损耗。由于这两种损耗 会使其内部温度升高，温升试验的目的就是要考核由损耗带来温度升高是否符合 相关标准的规定【2 】。 弧焊电源温升检测是变压器型式试验的内容之一，是焊机制造的一项关键指 标，综合反映了焊机的设计、工艺和材料的质量。电焊机在运行中过高的温升， 将使绝缘材料发生膨胀及分层。在电场作用下，这种绝缘材料出现的空气隙，将 会产生气体的游离和放电，使绝缘材料的介电损耗加大，削弱绝缘性能，最终使 弧焊电源的绝缘介电强度降低，缩短弧焊电源的使用寿命。温度过低，弧焊电源 有效材料利用率低，经济性差，在弧焊电源设计中，既要努力提高弧焊电源设备 的各项技术性能指标，又要尽可能节约原材料，降低成本，提高工艺性。因此准 确测定弧焊电源各部分温度对于提高弧焊电源安全运行、产品质量、节约原材料 和能源都有很重要的意义【3 】【4 】。 温升极限值与材料的绝缘等级密切相关。我国采用的“i e c 9 7 4 11 9 8 9 弧焊设 备的安全要求”第一部份焊接电源对弧焊电源变压器的温升极限值提出了下列要 求： ( 1 ) 绕组、换向器和滑环的温升不得超过表1 规定的极限值。 ( 2 ) 壳体表面的温升值不得超过表2 规定的极限值。 ( 3 ) 装有整流组件的弧焊电源，在最大焊接电流下，从冷态启动，连续运行 1 0 m i n 绕组温升不得超过表l 规定的极限值。 表l - l 温升极限值 t a b l e1 - 1t e m p e r a t u r er i s i n gl i m i t s 温升极限值k 绝缘等级温升极限值 绕组 j 囊 换向器和滑环 表面温度计法电阻法 a1 0 5 5 56 06 0 e 1 2 07 07 57 0 b1 3 07 58 08 0 f1 5 59 51 0 59 0 h1 8 01 1 51 2 51 0 0 表1 - 2 外表面温升极限值 t a b l e1 - 2t e m p e r a t u r e r i s i n gl i m i t so f t h eo u t s i d es u r f a c e 部位温升极限值k 金属外壳 2 0 非金属外壳 4 0 金属把手 1 0 非金属把手 3 0 另外标准虽然没有对变压器铁芯的温升极限值做出规定，但也不能超过变压 器本身的允许的温升极限值，对与之相邻接触的零件和绝缘材料不能造成损害。 i c e t c 2 6 修订了i e c 9 7 4 119 8 9 ，增加了强迫风冷式弧焊电源的考核；在产 生热量的焊接电流档即相应的负载持续率下，风机停在运转，从冷态开始，连续 试验8 小时，不应出现火花或其他熔化物引脂脱棉的现象，试验后能承受5 s 的 介电强度测试。对于风机停止而无输出的焊接不进行此试验 5 】。 从表1 - 1 看出，第1 列的温度减去环境温度4 0 c 并不等于温升极限值，而是 留有一定的裕度。而且对于测试所用的方法不同，留有的裕度也不相同。若使用 表面温度计法，测量的绕组外表面的最高温度，但其内部的温度还是要比外表面 高，所以要留有一定的裕度。而电阻法测的是绕组的平均温度，也应该留一定的 裕度，否则有超出温升极限值的危险。只有埋入热电偶才能测到绕组的最高温度， 所以应用这种方法不用留裕度。 第1 章绪论 表1 - 3 绕组温升裕度 t a b l e1 - 3m a r g i no f c o i lt e m p e r a t u r er i s i n g 绝缘等级表面温度计法k电阻法k a1 0 5 e1 05 b1 51 0 f2 01 0 h2 52 5 应该指出：很多年来弧焊电源一直沿用的i e c 7 6 、i e c 7 2 6 标准，与电力变 压器相同，然而两者之间的运行状态、冷却方式、寿命的差异比较大，实有不妥 之处，因此i e c t c 2 6 根据弧焊电源的特点而制定的i e c 9 7 4 1 做出了一些修改【6 】： ( 1 ) 绕组的表面温升值降低，裕度由零改为表3 所示的数值，使绕组内部绝 缘材料不超过温度极限值。 ( 2 ) f 级绝缘材料的温升极限值应该加5 k 。 一台弧焊电源的绕组( 含层间绝缘、垫块、引出线套管等) 如果使用不同等级 的绝缘材料，则应以最低等级的温升极限值进行考核，但一般对初次级绕组例外， 因为初次级绕组是两个完全独立的部分。 作为型式试验的温升试验，是变压器所有型式试验和例行试验项目中占用时 间最长的一项试验，一般是以条件温度下实测的总损耗造成等效的发热状态来进 行。现阶段各厂家大都采用短路法试验，人工现场操作。在传统的测量过程中， 如果对多个绕组进行测量，需要人工手动对绕组进行切换，这一拆线和接线的过 程一方面，有较大的安全隐患，另一方面也效率也很低。而且试验完成后的数据 处理也是非常繁琐的。针对这种状况，有必要将各行业中广泛使用的微机技术应 用到温升试验中，来减轻试验人员的劳动强度，避免事故的发生。而本课题的目 的就是研制基于单片机的弧焊电源变压器绕组温升智能测试仪，提高试验结果的 精度和试验过程的自动化水平。 1 2 智能仪器仪表的发展和应用 6 0 年代初，仪器仪表取得了突破，数字技术的出现使各种数字仪表( 数字频 率计、数字万用表) 得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几 北京工业大学工学硕士学位论文 个量级，为实现测量自动化打下了良好的基础。8 0 年代，测试技术又取得了重 大进展，计算机的引入使仪器的功能发生了质的变化。从个别电量的测试转变成 整个系统的特征参数测试；从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算 与显示输出；从单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量【7 8 】。 进入9 0 年代，计算机技术进一步渗透，使现代电子仪器在传统的时域与频 域之外，又出现了数据域测试，被测系统的信息载体为二进制数据流，仪器前面 板则向键盘化方向发展。近1 0 年来，由于微电子学的进步以及计算机应用的日 益广泛，智能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说， 归功于硬件集成电路的不断发展。c m o s 电路具有功耗低、工作温度范围宽的特 点，近年来又采用“硅门”技术取代原来的“金属门”，使c m o s 电路的速度与 n m o s 与p m o s 基本相同，输入保护技术也有效地克服了静电损坏的缺点【9 】。 目前已经出现了许多超大规模的c m o s 集成电路芯片，如8 0 x 5 1 5 2 ， 8 7 x 5 1 5 2 ，8 9 x 5 1 5 2 等新一代增强型单片机芯片。这种新一代单片机不仅与 m c s 5 1 单片机在指令上完全兼容，而且在其芯片内部集成了许多新的功能部件， 如片内a d 转换器、片内看门狗电路( w a t c h d o g t i m e r ) 、片内脉宽调制电路 饵w m ) 、芯片间串行总线( 1 2cb u s ) 等，从而使用户具有了更大的选择范围。一 个全c o m s 电路系统的功耗只是普通t t l 系统功耗的1 1 0 ，采用这种c m o s 芯 片组成的智能化测量控制仪表可以采用电池供电，从根本上解决了市电工频干扰 河题，同时还可以使仪器小型化，以便于野外使用【1 0 1 。 与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点i l l j ： n ) 操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭 合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作， 实现测量过程的全部自动化。 ( 2 ) 具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊 断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因a 这种 自测试可以在仪器启动时运行，同时也可以在仪器工作中运行，极大地方便了仪 器的维护。 f 3 ) 具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用 了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问 题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电 第1 章绪论 阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，还具有 对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理 功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精 度。 ( 4 ) 具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开 关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能 仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时 告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。 ( 5 ) 具有程控操作能力。智能仪器可配有r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等标准的通信接口， 可以很方便地与p c 机和其它仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测试系 统，来完成更复杂的测试任务。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用 范围。智能仪器凭借其优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了 广泛的应用。随着专用集成电路等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛 的应用。 i 3 本课题的目标即完成的内容 针对快速测量弧焊变压器绕组温升的重要性和目前国内外的研究现状，同时 结合目前仪器仪表的发展方向，本文所做的研究主要有： ( 1 ) 掌握弧焊电源变压器的相关基础知识，了解现有的各种测量方法，发现 它们的优点与不足，在此基础上探寻新的、便于与单片机、智能仪器仪表技术相 结合的、能够充分利用单片机优点的新方法： ( 2 ) 根据测量方法的要求，结合智能仪器及单片机技术，选择、设计出满足 实际需要的硬件系统和软件程序，试制出一套实用的测试系统。 其中，本文主要完成了如下的工作： ( 1 ) 在了解现有的各种测量方法的基础之上，通过对具体电路的分析和电路 理论推导，在恒流源法和双臂电桥法的基础上，利用m c u 快速测试的特性，提 出了比较法的测量方案。对比较测量法进行了抗干扰分析、误差分析等应用分析， 得出了各个参量和各个环节的误差与精度要求及减小误差、提高精度的方法。 ( 2 ) 根据测量方法的要求，结合智能仪器及单片机技术，分析测量仪器的功 北京工业大学工学硕士学位论文 能、要求及其实现方法，经过多方面的比较，选择了测量仪器所需的芯片及元器 件。其中主要包括温度传感器、m c u 系统、显示器、电源、继电器等等。 ( 3 ) 在充分考虑元器件本身及元器件与元器件之间、外围电路与元器件之间 的相互作用与影响的基础上，采用流行的p r o t e l 电路设计软件设计出了测量 系统的硬件电路原理图与p c b 图，进而完成了电路板制板。在此基础之上，经 过各种电路实验，完成硬件电路的调试工作。 ( 4 ) 根据测量方法和系统功能的要求，在分析测量过程中需要的数据采集、 数据计算和人机接口的基础上，结合已经设计好的硬件电路，制定软件设计方案。 并使用c 语言和模块化的编程思想，完成系统的软件编写和调试工作。 第2 章变压器绕组温升的测量的方法 第2 章变压器绕组温升的测量的方法 2 1 变压器绕组温升的测量方法 2 1 1 变压器绕组温升的测量方法的介绍 对于变压器绕组温升的测试有很多方法，根据弧焊电源测试标准，其绕组温 度测量方法有表面温度计法、埋入式热电偶法、红外线测温法、电阻法等【1 2 l 。下 面对这些方法一一的作介绍： ( 1 ) 表面温度计法表面温度计是指非埋入式温度计，如热电隅、电阻温度 计、半导体温度计等。测量时应将探头放在绕组或其他部件表面的最热点。采取 措施，使探头与测点之间有良好的热传导，并不受气流或辐射的影响。绕组或其 他部件的热点分布与变压器的设计有关，所以应根据经验或初步检查确定热点。 对于下降特性的弧焊电源要仔细寻找。因漏磁很可能使外磁路的某些磁性元件或 材料成为最热点，并影响其周围部件的温度。温度计应放置在焊接变压器铁芯、 电抗器铁芯、绕组、晶闸管或开关元件、外壳、把手等部件的表面。放置温度计 的数量依部件的大小和热点分布而定，每个部件一般不少于2 支，但应以读数最 高的温度计测量结果为准。 水银温度计不能用来测量绕组和其他部件的表面温度，因为交变磁场会影响 测量结果。 ( 2 ) 埋入式热电偶法将热电偶放置在绕组或部件的内部，以测量其内部温 度，称之为埋入式热电偶法。但因弧焊电源属于小型设备，不可能在制造时预先 埋入热电偶，难以推广。但对于单层绕组，把热电偶放置在最热点，应视为埋入 式热电偶法。其温升限值等于绝缘材料的温度限值减去4 0 c 。 ( 3 ) 红外线测温法用红外线测温仪来测定绕组表面上各点的温度。能够测 出什么地方的温度最高，但是红外线无法测出其到达范围之外的温度，因此这种 方法无法广泛应用。 ( 4 ) 电阻测温法电阻法测温的原理是：导体的电阻随着温度的变化而改变。 用铜和铝制成的绕组。其电阻值随着温度的升高而增加，随温度的降低而减小。 可以通过测量绕组冷态下的温度和电阻值和热态下的电阻值，通过相应的函数关 系表达式( 该表达式将在下一节作详细的推导) 可以求出绕组热态下的温度，进而 求出变压器绕组的温升值。 在传统的测量过程中，根据电阻值的不同，绕组电阻的测量使用单臂直流电 桥或双臂直流电桥，1 0 q 以下一般选用双臂直流电桥。在温升试验中，绕组的电 阻测量一般难以进行，所以在停机后应抓紧时间尽快测量，而且在2 m i n 内测量 的数据越多越好，一般不应少于8 点。然后用半对数坐标纸绘制以电阻或温度为 纵坐标，以时间为横坐标的关系曲线。如曲线呈下降趋势，则推算到停机时刻的 电阻或温度值；如果停机后温度上升，则以测量的最高温度为准。 如绕组有几组，应分别测量电阻值。若各绕组之间有电联系，应予拆开。对 于同一绝缘等级的几组绕组，以温升值最高的那组为准。对于串有开关触点的低 压绕组，应拆除或短接触点，或者改用表面温度计法，以免带来误差【l ”。 2 1 2 变压器绕组温升的测量方法的分析与比较 以上介绍了许多传统的变压器温度测量的方法，各种方法都有自己的特点。 对于表面温度计法，这种方法的优点是可以测定绕组表面的温度，也可以测 出绕组的最高温度的位置，在变压器绕组温升的试验中变压器温升是否合格一般 都是用变压器绕组局部最高温度和变压器绝缘材料的绝缘等级来共同决定的。但 是这种方法有很大的局限，因为如果用这种方法要测出变压器绕组局部的最高温 度的话，那就需要把表面温度计放在绕组的最热点，但最热点较难找到，或者即 使找到了，也难以妥善放置，况且表面温度计的探头与部件之间如接触不好，势 必会造成很大的误差。这样测量的随机性很大，温度计的摆放位置往往影响测试 结果所以在整机测试时，它只是作为一种温度监控的手段。 而热电偶法可以测量变压器绕组的内部温度。但是弧焊电源属于小型设备， 不可能在制造时预先埋入，如果在测量过程中埋入热电偶，操作起来难度很大。 对于弧焊变压器绕组温升的测量，这种方法只适用与那些单层绕组的变压器，把 热电偶放置在最热点，视为埋入式热电偶法。其温升限值等于绝缘材料的温度限 值减去4 0 。这种方法的局限性很大，难以推广。 用红外线狈4 温仪来测定绕组表面上各点的温度。能够测出什么地方的温度最 高，但是红外线无法测出其到达范围之外的温度，因此这种方法无法广泛应用。 第2 章变压器绕组温升的测量的方法 综上所述，传统的变压器绕组温度的测量方法，都有各自的缺点和不足。总 结起来有以下几点： ( 1 ) 这些方法都只能测量出变压器绕组的局部温度，而局部温度很难把握是 最高温度还是最低温度，测量的随机性很大。 ( 2 ) 测量过程中人工干预过多。这样测量的过程比较长，而且由于人工的干 预，也存在许多安全隐患。 ( 3 ) 难以进行微机自动化测量，在测量试验结束后的实验数据处理工作也比 较繁琐。 所以本课题选用电阻法测变压器绕组温升，通过测量变压器的电阻来间接测 量变压器的温度。使用电阻法测量电阻相对前面提到的方法有很多的优点，首先 电阻法测变压器绕组温度是测量的绕组的平均温度，只是使用不同的温升极限 值，这样可以避免测量的随机性，增加测量的稳定性。其次电阻法便于测量的自 动化，使用单片机为处理器的智能测试仪器进行测量可以使温升测量，实验数据 的处理，数据的存储都可以自动的进行。降低了操作人员的工作量，并且使试验 数据更加可靠。 2 2 变压器绕组快速测量的基本原理 2 2 1 电阻法测定绕组温升数学的模型 使用电阻法测量变压器绕组温度是一种间接的测量方法，其原理是根据这样 一个物理现象：导体的电阻随着温度的变化而改变。用铜和铝制成的绕组，其电 阻值随着温度的升高而增加，随温度的降低而减小【1 4 1 。以下就是电阻法测绕组温 升数学模型的理论推导过程。 绕组的电阻是温度0 的函数。在电机、电器的工程计算中，这个函数的表达 式如下 1 5 】： r = r l ( 1 + 口l + ( 口一只) ) ( 2 - 1 ) 式中r 环境温度0 1 下的电阻值( 单位：q ) 环境温度0 1 下的电阻温度系数 口实测的温度值( ) ：e 尿工业大学工学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 目目_ | ! ! ! ! ! ! i ii ! ! e 电阻温度系数在此应看作是温度的函数。这个函数表示为： 铲南( 2 - 2 ( 2 - 2 )2 而 式中o c 时电阻温度系数 将式( 2 - - 2 ) 整理后代入式( 2 - 1 ) 后得到： 忙坠掣兰业+ 岛 ( 2 - 3 ) 矗l 口o 1 、 上式反映了r 与臼一一对应的关系是电阻法测定绕组温升的依据，只要测得 一个r 值。就能计算出一个臼值来。 用电阻法测定绕组温升的步骤如下：首先测量室温鼠时绕组的冷态电阻r l ， 然后按技术要求或标准，通电运行，当整机达到热平衡时，此时绕组的温度为 晓( 以为待求解的量) ，关掉电源，立即测定数据，每一组数据都是由电阻值t 和 时间f 构成的，f _ 1 、2 、3 h ，在给定时间内肝值越大越好。电源停止运行后， 绕组的温度下降，电阻减小。假定温度的下降速度正比于绕组的温度日与温升试 验结束时环境温度幺的差值，b p i e l l ：p ( o 一岛) 。这样，下面的方程成立： i d o k ( o 幺) ( 2 - 4 ) d f “ 式中负号表示绕组的温度变化的方向与绕组温度同环境温度的差值 ( 口一只) 相反，f 为时间( 单位：固。求解这个微分方程，代人初始条件t = o 时矽= 晓 得到： 仕最+ ( 晓一幺弦“ ( 2 5 ) 图2 1 绕组降温曲线 一。 f i g 2 1c u r v eo f t h ec o i lt e m p e r a t u r ed r o p - 1 0 第2 章变压器绕组温升的测量的方法 r ( 0 ) r e 图2 2 绕组电阻在温度降低时随时间变化曲线 f i g 2 2c u r v eo f t h ew i n d i n g sr e s i s t a n c ew i t ht i m ei nt e m p e r a t u r ed r o p 式中k 表示绕组的时间常数( 单位：去) ，k 值是可以测量的量，它是由设 计制造及冷却条件决定的。( 2 - 4 ) 式反映了绕组温度下降的情况，其图形如图2 - 1 所示。绕组的最高温度是见，幺对应的电阻是r e 是未知的，是用试验求解的一 个电阻值。由( 2 4 ) 式可以看出最大降温速度为k ( o - o ：) ，随着时间的增加，温度 下降的速度逐渐变小，最后趋于零。最高温度和最大降温速度都出现在t = - 0 这一 时刻。由( 2 5 ) 式还可以得到：当卜。0 时，口= 包。将( 2 - 3 ) 式和( 2 5 ) 式联立。可 求出r 来，其表达式为： 胄= 墨o + 雨o ( 爿o 一岛) + ( 见一咿“) 】) ( 2 - 6 ) 上式表示了绕组温度下降时。绕组的直流电阻随时间变化的规律。其图形如 图2 - 2 所示。它与图2 - 1 ，有着十分密切的联系。形状相似。( 2 6 ) 式还可表示为： r = r 2 + ( r e r 2 ) g “ ( 2 - 7 ) 式中r 2 2 r 【1 + l 十a 岱o 。( 0 2 一b ) ( 2 - 8 ) 月e 2 量 1 + r 詈菇( 以一b ) ( 2 。9 ) 由( 2 7 ) 式可见，在户0 时，r 获得极大值，r 。= 胄。，所以r 。也称为零秒电 阻。对( 2 7 ) 式求导，可得到电阻下降的速度，其表达式为： k = k ( r e r ：弦4 ( 2 一l o ) 在t = 0 时，电阻值下降得最快，y - 胁。= k ( r r ：) 以后，按照指数的形式 衰减，当卜m 时，p k i i l = o ，达到了又一个热平衡状态，此时的电阻值为r 2 。 公式( 2 - 6 ) 或者( 2 - 7 ) 就是用电阻法测试绕组温升用的热态电阻变化的数学模 型。 在恒温条件下试验( 2 6 ) 式中岛= 岛，此时公式( 2 7 ) 就变为： r = r l + ( r r 1 ) e 一“( 2 1 1 ) 如果试验条件不是恒温的，环境温度变化比较缓慢，但岛包，这时应利 用公式( 2 8 ) ，求出冗2 ，再代人( 2 - 7 ) 式中计算r 值。在( 2 6 ) 式中。如果t = o ，下面 的公式成立： o , - 岛：盟萼攀+ ( 已一0 2 ) ( 2 - 1 2 ) 且 把铜和铝零度时的电阻温度系数分别代人上式，就得到电焊机标准、变压 器标准及电机标准中给出的用电阻法计算绕组最终温升的公式。电阻的温度系数 可查表求得。铜的电阻温度系数在这里取= o 0 0 4 2 5 1 。c 。铝的电阻温度系数在 这里取口。= 0 0 0 4 3 9l ，分别代人上式得： 铜线绕阻的温升计算公式为： 晓一幺= 学( 2 3 5 圳堋吲 当鼠= 只时，铜线绕阻的温升计算公式为： 吼= 学( 2 3 5 + b ( 2 - 1 4 ) 铝线绕组的温升计算公式为： 见一以= 学( 2 2 8 堋一绚 ( 2 - 1 5 ) 当鼠= 见时，铝线绕阻的温升计算公式为： 以= 学( 2 2 8 圳旭( 2 - 1 6 ) 我们采用数学推导方法，证明了标准上已给出的采用电阻法测试绕组温升 的计算公式。 第2 章变压器绕组温升的测量的方法 2 2 2 变压器模型的建立 要测量绕组直流电阻，就必须建立变压器的模型，考虑实际测量过程中的 弧焊变压器绕组，除了其等效的电阻、电感串联电路外，还需要考虑以下因素对 于模型的影响： ( 1 ) 变压器的杂散电容对于变压器绕组模型的影响。 ( 2 ) 变压器铁芯中的铁耗损失对于变压器绕组模型的影响。 2 2 1 1 杂散电容的影响考虑到杂散电容时，测量回路的等效电路如图2 3 所示。 图中，c l 为绕组首端端对地电容，c 2 为绕组末端对地电容，c z 为绕组匝间电容， r i 为引线及电源内阻。 f ：墨邃美蠢 r ，i ! = ；：0 糕。_ ，：j a ) 绕组中性点接地b ) 绕组中性点不接地 图2 - 3 考虑杂散电容的等效电路 f i g 2 - 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f c o n s i d e r i n gs t r a yc a p a c i t a n c e 由于电感l 具有阻止电流突变的作用，即当k 合上的瞬间，r ，三串联支路 相当于开路，此时的电路可以等效为电阻，与电容c k 的串联电路。当变压器绕 组中性点接地时，o f 为c 1 与c z 的并联值；当变压器绕组中性点不接地时，c k 为c 1 与c z 串联后与c 2 的并联值。显然，绕组中性点接地时的c h 较大。由于 a 小于整个绕组的对地电容c ， c z 约为c 的i f l 0 0 e 用，故： = c t + c z 订+ 高眙1 0 1 c ( 2 - 1 7 ) 根据变压器绕组入口电容的计算公式有，入口电容c t 与c 的关系为： g = 届石“c x 盖= 而1c ( 2 - 1 8 ) 所以有1 c o m l 。c = 1 0 c r ，即1 0 c ro 变压器绕组的入口电容值大多在 1 0 0 1 0 0 0 0 p f 的数量级；而，值也很小，大约在1 0 屯q 数量级；所以此时串联电 北京工业大学工学硕士学位论文 路的时间常数：r c k 的数量级不超过1 0 0 0 0 x l o x l o 。2 x 1 0 2 = 1 0 一，所以电路将在 很短的时间内瞬即达到稳定。即使当合上开关仅几毫秒后，也完全可以忽略杂散 电容的影响了。 2 2 1 2 铁耗的影响变压器的铁芯损耗即铁耗，它包含磁滞损耗和涡流损耗。磁 滞损耗是由于铁磁材料在反复磁化的过程中，磁畴不断地转向相互摩擦从而引起 的损耗；涡流损耗是因为过铁芯的磁通变化从而引起涡流，涡流在铁芯中所引起 的电阻损耗就是涡流损耗。 设变压器的空载损耗为p o ，变压器的铁耗为卿。由于变压器的空载损耗主 要就是铁耗，即有在空载状况下【1 8 】： p o = p f e ( 2 1 9 ) 气o ef1。3b。2(2-20) 而： 战* 1 。 ( 2 2 1 ) 即铁耗与电流的幅值有关，还与电流的频率即电流的变化率有关。 变压器磁阻为月。，由于测量时变压器工作在线性区，所以磁阻r 。基本保 持不变。测量电路的等值电路如图2 - 4 所示，其又与图2 5 等值。 图2 4 考虑铁耗时测量电路的等值电路 f i g 2 - 4t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f t h i n k i n ga b o u ti r o nl o s s 图2 5 实际的等值电路 f 皓2 - 5t h ea c t u a le q u i v a l e n tc i r c u i t 实际的测量过程中，电流是一单向的上升的指数曲线 第2 章变压器绕组温升的测量的方法 z = 扣e 譬) ( 2 - z z ) 其电流变化率为：豢= 芋e 警 r 2 2 3 ) 可知，当t = o 时，电流变化率最大，为兰i - ，与r 。无关。 由于电流单向变化，所以铁耗中没有磁滞损耗，只有涡流损耗，而涡流损耗 与电流变化率有关。涡流损耗可以看作由于磁场变化所产生的电动势作用在涡流 通过的电阻上的功率损耗。根据法拉第电磁感应定律，磁场变化所产生的电动势 e = 鲁= 堕d t 设涡流通过的电阻为且t ，则有瞬时涡流损耗为妄= i n 2 【石d i ) 2 实际 的涡流损耗为有效值即瞬时损耗的均方根值。 由于当t = - o 时电流的变化率最大，故整个测量过程中的涡流损耗不会大于t = o 时的涡流损耗。又由于铁耗只有涡流损耗，所以整个测量过程中的铁耗不会大于 t = o 时的铁耗。为了能求出测量过程中的铁耗，根据铁耗的特点，可以将t = o 时 的电流变化率与工频电流的电流变化率的均方根值相比拟，从而得到相应于工频 电流的电流有效值。设相比拟的工频电流为i = 2 一s i n ( 1 0 0 m + 妒) ，则电流变化 率的均方值为： 专膨2 出= 佩丽磊瓦而圳。剃 p z 。) 由： 导= 1 0 0 ；, r a ( 2 - 2 5 ) 有： 4 = 三l o o n ( 2 - 2 6 ) 根据相应的变压器试验可知，变压器的空载损耗主要为铁耗，设其为p o ， 额定电压为巩，额定容量为s ，绕组电感为上，空载电流百分比为已可以得到： j x c ) 2 ，晶2 e ( 2 - 2 7 ) 4 3 u 所以有： 北京工业大学工学硕士学位论文 k 意1 蒜sc p z s ， o o o 万22 。 、 根据参考文献 1 9 】和【2 0 ，和以上的分析计算可以得出，在满足一定条件后， 测量过程中变压器绕组的等效模型可以采用图2 - 5 所示的等值电路。 2 3 电阻法测温升的测量方法的分析与应用 通过上面的分析，使用电阻法以及图2 5 所示的变压器模型以及2 2 1 中推 导的绕组温升数学模型测量变压器绕组温升，必须测量绕组的冷态温度鼠，冷态 电阻r 1 ，以及绕组的热态电阻值r 。( 为了便于测量，v , 为o l = 0 2 ) 。从中可以看 出在绕组温升测试中，绕组直流电阻的测量是非常重要的步骤。也就是说电阻法 测量变压器绕组的温升的核心是绕组冷态和热态直流电阻的测量。 2 3 1 变压器直流电阻测量的基本方法 2 3 1 1 直流压降法这种方法是最原始的，也是最简便的方法。它是根据欧姆定 律r = - “7 ，只要测量出电路中的电流j 和负载两端的电压降u ，就可以计算出电 阻r 。关键是电流表要有足够的精度，才能保证电阻的测量精度。 对于直流压降法有下列的要求： ( 1 ) 直流电源为脉动率不大于1 的整流电源或蓄电池。 ( 2 ) 所加电流大小应保证有足够灵敏度，但不能超过额定电流的2 0 。 ( 3 ) 仪表准确度不应低于o 5 级，电流表内阻小于被试电阻的1 2 0 0 ，电压表 内阻大予被试电阻的2 0 0 倍。 按图2 - 6 a 接线时，考虑到电压表电阻r v 的分路电流押，若仍以r = 导计算， 则变压器绕组电阻 耻啬= 高 测量误差辞= ( 丑：r ，) x 1 0 0 ，这时脚越大，r x 越小，误差就越小。所以 这种接线适用于测量小电阻。 - 1 6 - 第2 章变压嚣绕组温升的测量的方法 a ) 测量小电阻接线图b ) 测量大电阻接线图 图2 6 直流压降法电路 f i g 2 6 t h ec i r c u i t o f m e t h o do f d i r e c t c u r r e n t v o l t a g e f a l l 按图2 - 6 b 接线时，考虑到电流表r a 上的电压降，若仍以r = _ u 计算，电力 变压器绕组电阻为r ：毕，误差口= ( 凡r 。) 1 0 0 ，这时r x 愈大，误差 愈小，所以这种接线适用于测量大电阻。对于具有大电阻大电感的变压器，因为 测量时间太长，消耗功率大，准确性差，一般不宜用压降法。由于变压器绕组有 电感存在，所以测量时必须注意电压表的安全，施加电流稳定后，才能接入电压 表读数，特别是断开电流源前，一定要先断开电压表，以免反电势损坏电压表1 。 2 3 1 2 电桥法测量电阻的电桥有两种，一种是单臂电桥( 惠斯登电桥) ，一种是 双臂电桥( 开尔文电桥) 。 ( 1 ) 单臂电桥单臂电桥原理图如图2 - 7 所示，当盟、局接通后，调节月、 且l 、月2 ，使检流计指零，拓= o ，电桥平衡，c 点和d 点电位相等。于是厶尺，= 1 2 r ， 1 l = 1 3 ，3 r 1 = 1 4 r 2 ，1 2 = ，4 ，贝日得 妒鲁r ( 2 - 3 1 ) 式中r l 值2 一电桥的量程倍率，也叫比率臂，一般做成o 0 1 ，o 1 ，1 ，1 0 ， 1 0 0 。根据最的范围，选择r l r 2 的量程倍率，调节r 就可以求得r x 。单臂电桥 通常测量大于1 0 n 的电阻。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 7 单臂电桥原理图 f i g 2 7t h es c h e m a t i co f t h es i n g l ea t ne l e c t r i cb r i d g e 单臂电桥的缺点是凡包括测量导线的电阻和a ，c 两点接线的接触电阻 因此不能用来测量小电阻。 ( 2 ) 双臂电桥双臂电桥原理图之一如图2 _ 8 a 所示 a ) 双臂电桥原理图之一b ) 双臂电桥原理图之二 图2 8 双臂电桥原理图 f i g 2 8t h es c h e m a t i co f t h e d o u b l ea m e l e c t r i cb r i d g e 其接线特点是连接胄。及j k 的试验用连接线分成电流线和电压线，使通过电 流的引线及其接线的接触电阻上压降不引入电桥内，而是利用电压线把胄。及蝓 上的电压降引到桥内平衡，这样就消除了接触电阻及引线电阻的影响。所以，在 测量1 0 q 以下的电阻时可保证准确性。 图中凰