（电力系统及其自动化专业论文）移动式直流电源微机检测系统.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文移动式直流电源微机检测系统，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己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期：圣鱼咝：隆! ? 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： 日期：兰塑! ! ：；矿 导师签名： 日 期： 础 坦! ! ，鼍 ：垡e 虫左叁堂工提亟堂位i 盆塞 第一章引言 1 1 课题的意义 在电力系统中直流系统承担着控制信号、保护、动力合闸和安全自动装置、 事故照明、直流油泵、保护设备以及交流不停电装置等负荷的供电任务，必须有 稳定可靠的直流电源。蓄电池组是直流系统的重要设备，充电机为蓄电池组提供 充电服务同时提供经常性负荷电流，蓄电池组的使用寿命和有效容量取决于充电 机的技术指标。在充电机长达l o 一2 0 年的使用过程中，随着使用年限的增加而逐 渐老化，技术指标不可避免地会降低，如果充电设备的电压、电流输出稳定精度 降低、纹波增大就会缩短蓄电池的使用寿命，造成蓄电池的合闸能力下降，甚 至台不上闸。蓄电池容量降低体现在一充即满、一放就亏，蓄电池带负载时间短， 大电流冲击放电时，一是输出不了大电流，二是端电压降得很低，导致合闸机构 拒动，对安全生产造成极大隐患。严重时会造成蓄电池组提前失效，容量不足， 在事故造成变电站交流停电时，蓄电池组不能可靠供电，导致保护及开关拒动， 造成主设备损坏、电网瓦解等重大事故。 目前电力系统中运行的直流电源设备的技术指标，都是由生产厂家在设备出 厂试验时提供的数据。现场检修维护人员因不具备相应的测试手段，难以确认设 备是否满足技术指标。随着运行时间的推移，设备的技术性能会发生偏移，典型 的后果是充电机稳压、稳流、纹波系数超标，造成蓄电池损伤，直接威胁电网的 安全运行。特别是对于目前广泛采用的阀控式密封铅酸蓄电池，虽具有不需加酸 加水，维护量小的优点，但对于充电设备的稳压、稳流、纹波三项技术指标具有 严格的要求，如不满足要求则会发生干涸、热失控等故障，很快失效报废。莅家 庄电业局大河、王里两座2 2 0 k v 变电站有两组g f m 3 0 0 a h 阀控密封铅酸蓄电池 于九九五年投运，因充电机技术性能不满足要求，分别仅运行了一年、二年即 告报废，对两变电站乃至电网的安全运行造成了重大威胁。 本课题采用微型计算机控制技术，通过对被测设备的交流输入电压、被测设 备的输出负载按标准规定的设定值进行调节，同时检测装置自动进行采样计算， 组成一个可移动的自动化检测系统，来实现直流电源设备的技术指标的现场全点 测试。利用这套系统，可以实现新安装设备的现场全部测试点的测试从而避免不 合格电源设备进入电网运行，可以实现对己运行设备的定期测试检查从而保证设 备运行质量。因此，本课题的完成对直流电源设备的运行质量以及整个电网的安 全运行具有重大意义。 坐e 虫左厶堂互毪亟堂位i 金塞 1 2 国内外研究现状 1 2 1 供电局应用现状及存在的问题 目前直流电源检修维护人员只对设备在投运前验收及设备出现异常时对其特 性进行测试。由于受制于试验设备，不能进行全面的测试。目前普遍采用市电交 流电为电源供电的情况下，使用电炉丝配合滑性电阻来模拟直流负载，调节充电 机的电压、电流。使用电压表、电流表及示波器( 或真空管毫伏表) 进行稳压、 稳流、纹波的测量。由于受电炉丝容量限制，一般难以实现直流输出满负荷，只 能在2 0 3 0 a 范围内测量。 不采用交流调压的原因，主要是没有方便移动的调压变压器。一般的5 0 a 容 量的调压变压器，其体积为1 0 0 x8 0 6 0 ，重量为2 0 0 k g 。不能满足现场移动的 需要。 常用的电阻丝、滑线电阻器等仪器设备照片如下： 图1 - 1 电阻丝 图1 2 滑线电阻器图1 3 三相调压器 因此，充电机的现场仪表抽样测量，一般只是在市电供电的情况下，调节电 阻器，进行稳压、稳流及纹波测量。存在的问题是不能检测充电机在交流电压变 化的范围内以及大负载范围内的性能。不能按照电力系统直流电源柜订货技术条 件的有关规定进行全部指标的范围测试。而对于充电机使用环境而言，交流输入 电压的变化是较为常见的变化( 特别是在末端或农网变电站，市电交流电压的波 动范围较大) ，而且易造成直流输出e g 玉, 变化，而充电机输出电压的偏差又童接影 响阀控电池的寿命及备用容量的可靠性。 由于客观技术条件的限制，造成国家直流技术标准d l t7 2 4 2 0 0 0 电力系统 用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程川中规定的对于充电机的定期试验 无法执行。 1 2 2 电科院及直流电源生产厂家使用现状 2 坐j e 虫盘右堂工程殛堂健i 佥塞 我们曾考虑采用国内直流电源检测机构( 如电力工业部电力设备及仪表质量 检验测试中心、国家继电器质量监督检验中心) 及直流电源生产厂家使用的检测 设备。我们先后对电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心、国家继电器质 量监督检验中心两家国内权威直流电源检测机构，和北京长河机电有限公司、四 方华能公司、烟台东方电子有限公司、冶金部邯郸五- - k 自动化电器厂等直流电 源生产厂家进行了考察，但它们均采用了固定式设备( 如固定式调压器、负载箱) ， 示意图如下： 市 电 = 被 + a一a 相测 b 调 b 充 i 标准标准标准电阻 c 压 电 i 电压表电流表示波表负载柜 c i 一 器机 争+ 图1 - 4 充电机检测原理图 a 三相调压器为手动调压器，就是匝比连续可调的自耦变压器，电刷借助于手轮 滑动，以达到调压。其重量约为每千伏安1 5 公斤，那么，1 5 k v a 的调压器重 达2 2 5 公斤，现场不易搬动，不适宜便携作业。 b 电阻负载柜。为手动操作分合闸，调节总负载大小。每次调整需要多次分合阐， 极为不便。 1 2 3 科技查靳 我们考虑采用微型计算机控制技术，通过对被测设备的交流输入电压、被测 设备的输出负载按标准规定的设定值进行调节，同时检测装置自动进行采样计算， 组成一个可移动的自动化检测系统，实现了直流电源设备的技术指标的现场全点 测试。 按照这一设想，我们首先进行了科技情报检索，以了解国内有关技术动态。 按照微机控制对被测设备的交流输入电压以及输出负载，按标准规定自动进 行调整，全自动测试被检测直流设备的技术性能，以及可移动适应于现场设备技 术性能检测的要求我们检索了国内有关文献和数据库，找到了与本课题接近和 有代表性的几篇文献： 3 垡j e 电左太坐兰拦琢堂缱j 金毫 1 ) 赵杰雄( 广州) ，微机控制不问断电源自动检测系统。 电子与金系列工程信息；1 9 9 8 ；3 46 5 6 9 介绍了采用8 3 9 7 单片机、数控电源、数控负载、点阵液晶显示器及电压电流 等多种检测传感器组成一个不间断电源自动化检测系统，该系统可为不间断电源 的研制和生产中的动态参数检测和动态老化试验提供完整的自动化手段； 2 ) 高东林( 北京) 。l b c 3 8 型蓄电池检测分析系统。 电源技术。2 0 0 1 ；( 2 ) 1 6 3 1 6 5 关于l b c 3 8 型蓄电池检测分析系统的论文，该设备采用三级计算机分布式 控制系统，适用于各类蓄电池及组合电池的性能测试。具有恒流分段、恒流恒压 充电、脉冲充放电等多种检测功能； 3 ) 付植桐( 天津) 。蓄电池恒流充放电及自动检测系统的研制。 电工技术杂志。2 0 0 l ：94 2 4 49 该系统采用8 0 3 1 单片机为核心，能够自动检测充放电过程中每块电池的电 压，并具有显示、打印、报警功能： 4 ) 费万民( 浙江) 。基于工作站的直流操作电源综合监控系统的研制。 电子技术应用。2 0 0 1 ；53 5 3 7 介绍了基于工作站的直流操作电源综合监控系统，可实现对电池( 分组) 进 行实时检测，故障自动报警。 5 ) 杨中书( 青岛) 。航空地面电源供电设备性能综合检测系统的设计。 计算机测量与控制。2 0 0 2 ：52 8 6 2 8 84 为海军航空工程学院杨中书关于航空地面电源供电设备性能综合检测系统的 论文，该系统以i p ci 业控制计算机为核心，配以各种传感器和信号放大调整电 路，可完成飞机地面供电系统的各种交直流输出状态，包括加载和卸载时的动态 指标和正常工作时的静态指标进行自动检测； 6 ) 曾维鲁( 武汉) 。可控非对称式直流充电系统绝缘检测。 华北电力技术。1 9 9 8 ；85 4 5 7 涉及直流电源系统的绝缘检测。 7 ) 张希峰( 中原油田供电处) 。阀控式蓄电池的使用与维护。 电源技术应用。2 0 0 3 36 3 指出影响阀控式蓄电池使用寿命的主要因素，充电机的指标稳压精度，稳流 精度，纹波系数三大参数至关重要。 4 坐北电左太堂兰程强土堂位猃塞 8 ) 李志华青岛科技大学。直流电源输出自动控制技术及应用 制造业自动化。2 0 0 2 1 0 4 8 5 0 主要讨论了电子设备、智能化产品直流稳压电源输出电压自动开关控制技术 的设计、改进及应用。 9 ) 程皓武汉洲际鸿电公司，4 3 0 0 3 5 ，武汉。g z d w 型智能电力直流电源系统维 护浅谈 通信电源技术。2 0 0 2 44 3 4 6 以g z d w 型智能电力直流电源系统为例，介绍了智能高频开关直流电源系统 维护中几个常见故障的排除，对其它型号智能直流电源系统维护工作亦有参考价 值。 l o ) 阮绵晖南海电力工业局。广东，南海，5 2 8 2 0 0 。开关电源在直流系统中的应 用 云南电力技术。2 0 0 2 2 5 0 5 l 高频开头直流电源具有结构模块化，高性能指标，高效率和高功率的特点，将逐 步取代传统的相控电源，在电力系统应用前景广阔。 从检索情况可看出，广州、北京等地研制了直流电源及蓄电池自动检测系统， 如暨南大学电力电子研究所研制了不间断电源自动化检测系统，采用了单片机、 数控电源、数控负载、点阵液晶显示器及电压、电流等多种检测传感器可用于 不间断电源的动态参数检测： 本课题计划研制的移动式直流电源微机检测系统，对现场大型直流电源的主 要技术性能实施全自动检测，对被测设备的交流输入电压以及输出负载，按标准 规定自动进行调整等内容在国内文献中未见报道，但其用于不问断电源以及蓄电 池容量测试方面的一些技术特点值得借鉴。 经研究，我们正式确定将移动式直流检测系统做为工程硕士科研课题。 1 3 存在主要技术问题 1 3 1 对电压、电流信号的有效采集 电压、电流信号的有效采集是本系统一切控制、测量及计算的基础，特别是对于 充电机直流电压输出波形的采集，是该系统能否研制成功的关键。目前相控型充电机 的纹波系数最小可达0 2 - - 0 3 ，而高频型充电机的纹波系数最小可达0 0 5 ，需要 对充电机输出壹流电压波形进行高速采集，并且波形不能失真。 5 一一一 一生拙电左太堂王攫亟堂也j 金塞 1 3 2 系统的体积及重量满足可移动的要求： 降低检测系统的体积及重量使之方便运输、搬运，这是该系统能否现场实用化的 关键这主要涉及两个部分：三相交流电压调整器和直流翰出负载调整装置。 因本系统功率大，额定为1 5 k w 常规的功率器件在体积及重量两方面均难以直 接满足现场方便移动的要求。 1 3 3 抗干扰 由于该监控系统工作于强环境，很容易受到各种干扰的影响。干扰一旦串入 系统，轻则会引起误报，严重时就会导致整个系统瘫痪，甚至造成重大事故。 1 4 本文的主要工作 1 - 4 - 1 选用合适的传感器并结合有效的软件算法实现对电压、电流信号的有效采 集； 1 4 2 降低装置( 系统) 的体积及重量，方便移动使用； 1 - 4 - 3 实现交流电压的自动调整及直流输出负载的自动调整，并自动检测充电机 的稳流、稳压及纹波系数； 1 4 4 抗干扰，保证在强电场环境正常工作。 6 垡e 电左_ 厶堂；! ：摧亟堂位i 金塞 一 第二章系统的分析与设计 2 1 检测要求 2 1 1 检测标准 d l t4 5 9 2 0 0 0 电力系统直流电源柜订货技术条件【2 1 第5 1 4 2 条规定： 相控型、高频开关电源型充电、浮充电装置主要技术参数应达到下表的规定 充电装置的精度及纹波系统允许值( 表5 ) 一 相控型高频开关电源型 ii i 项目名称、 稳压精度 0 5 1 0 5 稳流精度 1 2 1 纹波系数 l 1 0 5 注：i 、i i 表示浮充电装置的精度分类 充电( 稳流) 电压的调节范围 蓄电池种类调节范围 充电电压浮充电电压 镉镍碱性蓄电池 1 - 2 ( 9 0 一1 4 5 ) u( 9 0 一1 3 0 ) u 阀控式密封铅酸蓄电 2 ( 9 0 - 1 2 5 ) u( 9 0 一1 2 5 ) u 池 6 、1 2( 9 0 一1 3 0 ) u f 9 0 - 1 3 0 ) u 注：u - 一一直流标称电压 稳流精度试验：充电浮充电装置在充电( 稳流) 状态下交流输入电压在其 额定值的1 0 的范围内变化，输出电压在充电电压调节范围内变化，输出电流 在其额定值2 0 一1 0 0 范围内的任一数值上保持稳定，其稳流精度应符合5 1 4 2 中表5 的规定。 稳压精度试验：充电浮充电装置在浮充电( 稳压) 状态下，交流输入电压在 其额定值的1 0 的范围内变化，输出电流在其额定值的o 一1 0 0 范围内变化， 输出电压在其浮充电电压调节范围内的任一数值上保持稳定，其稳压精度均应符 合5 1 4 2 中表5 的规定。 7 垡韭虫出厶堂互提亟堂位盈塞 纹波系数试验：充电浮充电装置在浮充电( 稳压) 状态下，交流输入电压在 其额定值的1 0 的范围内变化，输出电流在其额定值的0 一1 0 0 范围内变化， 输出电压在浮充电电压调节范围内任一数值上，测得电阻性负载两端的纹波系数 均应符合5 1 4 2 中表5 的规定。 2 1 2 检测标准的具体实施： 稳流试验： 调整输入交流电压在3 4 2 v 、3 8 0 v 、4 1 8 v ( 3 8 0 v 1 0 、3 8 0 v 、3 8 0 vh o ) 三点变动，直流输出电流整定值取2 0 in 、5 0 in 、1 0 0 in ( 注2 ) 三个 值，调整负载使直流输出电压在1 9 8 4 v 、2 2 0 v 、u w m ( 注1 ) 三点变动。以 上组合共2 7 种，在每种情况下测量一组稳流精度，选其中最大值作为被测充电 机的稳流精度。 注l ：u w m 所配蓄电池组所要求的充电机直流输出电压最大值 注2 ：i n 一充电机额定直流输出电流 稳流精度由下式计算 im iz 6i = iz 式中：6i 稳流精度 i m 输出电流波动极限值 iz 输出电流整定值 稳压试验： 调整输入交流电压在3 4 2 v 、3 8 0 v 、4 1 8 v 3 8 0 v 1 0 ) 三点变动，直流输 出电压整定值取1 9 8 4 v 、2 2 0 v 、u w m ( 注1 ) 三个值，调整负载使直流输出电 流在0 、5 0 i n 、1 0 0 i n ( 注2 ) 三点变动。以上组合共2 7 种，在每种情况 下测量一组稳压精度和纹波系数，选其中最大值作为被测充电机的稳压精度和纹 波系数。 注l ：u w m 所配蓄电池组所要求的充电机直流输出电压最大 值 注2 ：i n 一 充电机额定直流输出电流 稳压精度由下式计算： u m u z 8 垡j e 生左太堂；：型亟鲎位i 金塞 6u= 式中：6u u m u z u z 稳压精度 输出电压波动极限值 输出电压整定值 纹波试验：在稳压试验状态下同步进行，纹波系数由下式计算： u f u g 6 = 2 u p 式中： 6 一纹波系数 u f 输出电压的脉动峰值 u g 输出电压的脉动谷值 u p 输出电压的平均值 按照上述试验内容，生成充电机测量记录表( 详见附录1 ) 2 2 容量要求： 能够实现5 0 a 及以下容量充电机的检测。 对于应该达到的充电机检测容量，理论上是趣大越好，但过大的检测容量会 造成交流调压装置和负载调整装置的体积、重量过大，不利于移动检测，此外还 有造价等因素限制。因此，设定合理的检测容量，是该系统能否现场实用化的关 键问题。我们进行了充分的论证，最终确定为被试充电机容量为5 0 a 及以下，理 由为： 2 2 1 该系统的应用范围 该套系统主要面向的是各省、市供电公司，各供电公司所辖变电站主要是 2 2 0 k v 及以下，少数供电公司辖5 0 0 k v 变电站。 2 2 22 2 3 k 、f 以下变电站的奁流系统情况 2 2 0 k v 变电站一般为2 0 0 - - 3 0 0 a h 蓄电池，配4 0 - - 5 0 a 充电机；1 1 0 k v 变电 站一般为2 0 0 a h 及以下，配3 0 a 及以下充电机。所以5 0 a 充电机检测容量完全 9 堡韭生左太堂王狸殛堂僮谂襄 可以满足2 2 0 k v 及以下变电站充电机全部测试点检测的要求； 2 2 35 0 0 k v 变电站的直流系统情况 对于5 0 0 k v 变电站，一般蓄电池采用双组5 0 0 a h 蓄电池，充电机一般为8 0 1 0 0 a ，但在直流维护工作中，充电机最大输出电流在对蓄电池充电时，按规定 不能大于1 0 c l o ，即5 0 a ，故5 0 a 的检测容量能够对其实际工作范围进行检测， 能够满足现场使用要求。 2 3 现场可移动要求： 为便于搬运及现场移动，整个系统分主控检测单元、交流输入调压单元、输 出负载调节单元三部分，采用集中控制分体作业的方式，同时交流输入调压单元、 输出负载调节单元也按双人能搬动的要求设计成分体式、单件重量不超过5 0 公 斤，每件均装备有四个万向轮以便于在平地上推移；为便于设备的车辆运输，根 据一般汽车车间宽度、后备箱开启尺寸等，要求设备每单件的尺寸长、宽、高不 大于5 0 c m x 5 0c m x1 0 0c m ：为便于现场连线，尽量采用航空插头等插件式联接 方式。 2 4 系统组成 整个系统由以下三部分构成：见图2 - i 图2 1 移动式直流电源检测系统结构图 1 0 些j e 生左右堂：捏硒堂焦：l 金塞 2 4 1 交流电压调整装置： 为减少重量，采用补偿式调压原理，并以辅助单片机为控制核心，控制输出 三相交流电压在3 8 0 v 1 0 范围内变动。 2 4 2 直流输出负载调整装置： 采用无触点切换阻性负载的原理，以辅助单片机为控制核心，控制负载变动 以调整充电机输出电压或电流的大小： 2 ，4 3 检测装置( 系统主机) ： 该部分是整体设备的测量控制中心，其主要功能如下： a ) 主机电路板采用8 9 c 5 2 单片机作为智能控制的核心，辅以a d 转换、键 盘电路、通讯电路、报警电路等外围电路，使整机实现智能化。由传感器采集到 的电压信号和电流信号同时也通过a d 转换成数字信号后进入单片机，通过单片 机处理后，显示输出。 b ) 采用液晶显示器、微型打印机、触摸屏作为人机界面，汉化方式； c ) 向交流调压装置以及负载调整装置发出指令，使外部条件达到测试充电机 所需的状态； d ) 测量被测充电机的有关输出量并对结果实旄分析计算最终得出稳压精度、 稳流精度、纹波系数三大参数。 2 5 系统功能： 2 5 1 人机界面 彩色液晶显示，触摸屏菜单操作，微型打印机打印，具有上位机通信接口。 2 5 2 基本功能 具备自动、手动检测功能，能够测试直流电源设备的稳压、稳流精度，纹波 系数及效率。 2 5 3 交流输入自动调整功能 被测设备的交流输入电压可按标准设定值自动调整。 垡j 出左厶堂：e 攫亟土堂位j 金室 2 5 4 输出负载自动调整功能 被测设备的输出负载可按标准设定值自动调整。 2 5 5 自动分析功能 自动分析计算检测数据并显示及打印测量结果。数据检测误差o 5 。 2 5 6 技术指标： a ) 被测充电机输出电流：0 - 5 0 a b ) 被测充电机输出电压：d c l 8 0 3 0 0 v c ) 交流电压调整范围：三相交流3 8 0 v 1 0 d ) 单个组件最大重量：5 0 k g e ) 频率： 5 0 h z f ) 纹波： 测量峰值范围为1 5 5 5 v g ) 澳t j 量精度：垒0 5 2 6 主要技术问题的解决方案： 2 6 1 电压、电流信号的有效采集 a ) 电流、电压采样元件选用高质量霍尔互感器，具有高波形保真率、快速响 应，良好的电气隔离等特点。 b ) 输出电压、电流、纹波的处理 由于输出直流的平均电压、平均电流与电压纹波性质上的不同，分别予以处理。 采用双积分1 2 位a d 转换器i c l 7 1 0 9 来对平均电压、电流实行a d 转换，将 其积分周期确定为2 0 m s 的整倍数，能有效的抑制工频干扰。 来自传感器的电压，电流信号经同相放大，有源低通滤波，经模拟开关( 4 0 5 1 ) 选择后，分时送至双积分型高精度1 2 位a d 转换器ad 7 1 0 9 ，转换后的数字量 由数据总线送入中央处理器。 纹波电压信号经2 0 - , 4 0 k h z 带通滤波，峰值保持等处理后到高速a d 转换器进 行模数转换，转换后的数字量由数据总线送入中央处理器： 垡i e 虫左厶堂王攫殛坐位论塞 c ) 采样处理 微机控制a d 转换器对一个量进行连续多次采样，采样结果经抗干扰去极 值处理后，最终得到稳定的采样结果。 2 6 2 降低重量及体积 系统的体积及重量应满足可移动的要求： 降低检测系统的体积及重量使之便于搬运，这是该系统能否现场实用化的关 键。这主要涉及两个部分：三相交流电压调整器和直流翰出负载调整装置。 因本系统功率大，额定为1 5 k w ，常规的功率器件在体积及重量两方面均难 以满足要求。 为降低装置( 系统) 的体积及重量，我们对三相交流电压调整器及直流输出 负载调整装置进行了分析论证： a ) 调压器 三相交流电压调整器。从技术实现上有两个常规途径，一是采用常规自耦变 压器，一是采用a c a c 转换装置。 普通的a c a c 调压装置采用的是次级线圈可调的方式进行调压控制，这种方 式首先调压器的容量要满足负荷需要，经分析论证，能够提供5 0 a 充电机 直流输出的a c a c 转换装置的功率不低于1 5 k w ，其重量约为每千伏安 1 5 公斤，那么，1 5 k v a 的调压器重达2 2 5 公斤，现场不易搬动，不适宜便携作业， 故不能被本设计采用。 为降低体积与重量，从设计角度考虑充分利用调整电压范围不大( 1 0 ) 这 个特点进行专门设计，采用补偿式调压方式： b ) 负载调整装置 直流输出负载调整装置。在实现上考虑了三种途径： ( 1 ) 采用逆变器将功率返回电网。优点是体积小、重量轻，缺点是波形畸变， 会造成测量误差，因此决定放弃此方案； ( 2 ) 采用p t c 发热陶瓷元件。 由若干单片p t c 陶瓷发热元件并联组合后与波纹铝条经高温胶结组成，该类 型p t c 加热器有热阻小、换热效果高及长期使用功率衰减低的优点，它的一大突 出特点还在于安全性能上，即遇风机故障停转时，p t c 加热器因得不到充分散热， 其功率会自动急剧下降，此时加热器的表面温度维持在居里温度左右( 一般在 2 5 0 ( 21 - 下) ，从而不致产生如电热管类加热器的表面“发红”现象。另外，p t c 1 3 垡b 虫盘太堂猩强堂篷控交 加热器的整体外形轻巧，在整机内装配极为便捷。p t c 元件应用于本系统还具有 升温迅速、安全无明火、遇风机故障时能自控温度和使用寿命长的显著特点。 图2 - 2p t c 图片 i 卜t 电阻一温度特性 图2 3p t c 发热陶瓷元件特性 图中： t c 居里温度：它是p t c 半导瓷相变的开始点，一般为p t c 元件r m i n 二倍 阻值时所对应的温度点； t m a x 最大温度：元件可达到的最高温度； t p最大工作温度：工作范围内的上限温度； t m i n 最小温度：元件( 正常) 呈现最小电阻时的温度； t 2 5 标准室温2 5 ； r c 开关电阻：即居里点温度时对应的电阻： r m a x 最大电阻：元件达到最高温度时的电阻； r p最大工作电阻：上限工作温度所对应的电阻： r m i n 最小电阻：元件( 正常) 可呈现的最小电阻； r 2 5 室温电阻：标准室温时，元件所对应的电阻。 由以上曲线图可以看出，p t c 元件作为负载，其缺点是电阻特性非线性化，随 温度变化大，针对我们作稳压检测时需要纯阻性负载，而p t c 元件在此时不利于 准确调整，因此最终放弃该方案。 ( 3 ) 采用常规电阻元件，优点是电阻特性线性化好，易准确调整，但体积大， 重量大。最终，我们选择了用8 4 2 1 码的方式来调整常规电阻元件的方案，这种方 法可在满足调整范围的前提下。将电阻元件的数量及重量降至最低。 1 4 些j b 电左塞堂：程亟堂拉监毫 c ) 模块化设计 为方便运输与搬运，交流调压装置及负载调整装置均设计为模块化组装结构。 2 7 抗干扰 图2 - 4 设备结构图： 从硬件和软件两方面采取了抗干扰措施，保证系统的可靠运行。 2 7 1 硬件抗干扰措施 a ) 电隔离。在输入和输出通道上采用光耦合器件进行信息传输，在电气上将 单片机与各种传感器、开关、执行机构隔离开来，可以较好的防止串模干扰。 b ) 去耦电路。在电源进线端加去耦电路，削减各类高频干扰。 c ) 合理布置地线。系统中的数字地与模拟地分开，最后在一点相连。避免了 数字信号对模拟信号的干扰。 d ) 数字信号采用负逻辑传输，千扰源作用于高阻线路时易形成较大干扰，而 在数字信号系统中，输出低电平时内阻要小些，因此，定义低电平为有效( 使能) 信号，高电平为无效信号，可减少干扰引起的误动作。 2 7 2 软件抗干扰措施 a ) 利用可编程硬逻辑看门狗将单片机从死循环和跑飞状态中拉出，使单片机 复位。而r n a x s l 3 提供了内部可编程硬逻辑看门狗，不须外加电路，就能够实现可 靠的超时复位。同时，m a x 8 1 3 还为一些重要的看门狗控制位提供了访问保护，防 】5 坐韭生左塞堂! ：摆亟堂焦j 金塞 止单片机失控后对这些重要的控制位进行非法操作，进一部保证了程序的安全性。 b ) 对于数字信号采集，利用干扰信号多呈毛刺状且作用时间短这一特点，多 次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致才认为有效。数字信号 输出时，重复输出同一数据，其重复周期尽可能短，使外部设备对干扰信号来不 及作出有效反应。 c ) 对模拟量的采样和处理，采用数字滤波技术。采用指令冗余和软件陷阱， 防止程序跑飞。 2 8 硬件设计及实验 2 8 1 主回路的设计及实验 为解决便于现场直流电源设备的技术指标、技术性能测试，减小检测设备体 积及重量，便于检测设备的携带问题。进行了反复多次硬件电路的设计及试验， 交流输入电压调整采用补偿式，经伺服电机由微机检测装置控制自动调整。输出 负载经过计算排列组合，经伺服电机由微机检测装置控制自动调整。 2 8 2 控制回路的设计及实验 整个系统的控制部分也分主控检测单元、交流输入调压单元、输出负载调节 单元三部分。而输出负载调节单元叉分控制部分和负载调节部分两部分。主控检 测单元与交流输入调压单元、输出负载调节单元分别以2 3 2 通讯口连接。 直流电源微机检测装置主机电路板采用8 9 c 5 5 单片机作为智能控制的核心， 辅以a d 转换器及键盘电路、通讯电路、报警电路等外围电路，由传感器反馈回 的电压信号和电流信号经过放大，有源低通滤波后再经过a d 转换器转换成数字 信号后进入单片机，通过单片机调整后，显示输出。其电压信号经带通滤波后输 入，再经峰值保持电路采集到纹波信号的幅值信号，通过a d 转换器t l 2 5 4 3 转换 为数字信号送给a t 8 9 c 5 2 来采集纹波系数。本主机采用触摸液晶显示屏作为人机 对话接口，并配以微型打印机输出数据结果。由于触摸屏信号采用2 3 2 口与主机 通讯，所以其通讯电路须扩展如下： 1 6 望i e 生左太堂= 狸亟堂僮论塞 “ *l i 圈2 5 逋讯矿展电龉 直流电源微机检测装置交流输入调压电路板采用8 9 c 5 2 单片机作为智能控制 的核心，辅以a d 转换7 1 0 9 及通讯电路，电压采样电路。由传感器反馈回的电压 信号通过7 1 0 9 转换成数字信号后进入单片机，并且单片机检测限位开关状态后进 行调整，输出启动，正转，反转，正接，反接等开关信号。 髓j 面曼受；毒曼萎垦_ ；e 雷一 _ 一t _ ，l z - - | l 一一 图2 - 6 交流输入调压电路 交流调压串行通讯数据处理如下： 本机接收检测主机的命令：e b9 0e b9 0e b9 0x x 睡 生些曳由太堂；e 程亟主堂位抡玄 三个e b 9 0 为同步头； x x 为命令字：# 0 a l h 调整电压3 8 0 9 0 ： # 0 a 2 h 调整电压3 8 0 x1 0 0 ； 加a 3 h 调整电压3 8 0 1 1 0 。 粕b b h 主机要数 本机发送数据给检测主机：e b9 0e b9 0e b9 0 b b r h r l 三个e b 9 0 为同步头： b b 为命令字：调整电压结束： r hr l 为交流电压输出值高低位字节： 直流电源微机检测装置输出负载调节单元电路板采用8 9 c 5 2 单片机作为智能 控制的核心，辅以a d 转换7 1 0 9 及通讯电路等外围电路，通过调节i g b t 的通断 来投切负载，并通过可逆电机来对负载进行微调，其主回路图如下： 图2 7 负载调节电路 本机接收检测主机的命令： e b9 0e b9 0e b9 0 x x3 0 h3 1 h 3 2 h 3 3 h 三个e b 9 0 为同步头： x x 为命令字：# 0 a a h 调整电压精度 1 8 正转捌 晨斡彝 正 厦 生j e 生左盘堂互程亟堂位j 金塞 # 0 c c h 调整电流精度； # 0 b b h 主机要数 3 0 3 1 h 一预置电压 3 2 3 3 h - - 预置电流 本机发送数据给检测主机：e b9 0e b9 0b b b b b b 三个e b 9 0 为同步头； b b 为命令字：调整结束： 2 9 小结 通过系统的分析与设计，确定了移动式直流电源检测系统的检测标准、设计 容量、现场可移动的具体要求，明确了系统的组成、功能及技术指标，研究解决 了电眶、电流信号的有效采集、降低重量及体积、抗干扰等技术难题，并对主要 电路进行了设计及试验。为整套检测系统的研制成功奠定了基础。 1 9 坐j s 电左厶堂王残亟堂焦垃窑 3 1 概述： 第三章三相电压调整装置 按d i 汀4 5 9 2 0 0 0 电力系统直流电源柜定货技术条件规定，在检测充电机 精度时，要求三相供电输入变化1 0 ，即调压输出三个点：3 4 2 v 、3 8 0 v 、4 1 2 v 。 同时由于是移动式测试设备，要求体积重量尽可能减小。所以设计原理采用补偿 式调压，无瞬间断电，无附加波形失真。 逻辑拧! 制 图3 - 1 控制回路原理框图 以微型单片计算机为控制核心，采集三相线电压，根据电压大小驱动可逆电机 调整调压器输出，再经补偿变压器输出， h 偿三相电压输出使交流电压可调：三 相3 8 0 v 1 0 。 3 2 三相线电压采集 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，进行精密整流，把稳定的交流 电压信号变成脉动直流信号，经过滤波后变换为稳定的直流信号，输入到模拟开 关，经单片机选通后输入a d 转换器进行模数转换，转换后的数字信号经总线被 单片机采集处理。 3 2 。1 电压互感器的选择： 选用了t v a l 4 2 1 0 1 型电压互感器，特性如下： a ) 既可作电压互感器，又可作电流互感器使用； b ) 立式穿芯，印刷线路扳直接焊接安装； 2 0 垡t 堡i 左厶堂王攫亟堂盈论塞 c ) 精度高，采样范围宽，应用灵活； d ) 全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，外形美观。 图3 2t v a l 4 2 1 一o l 型电压互感器 e ) 使用环境条件： 环境温度：- 5 5 、2 、+ 8 5 c ； 相对湿度：温度为4 0 时不大于9 0 大气压力：8 6 0 、1 0 6 0 m b a r ( 约为6 5 0 、8 0 0 m m h g ) 。 f ) 工作频率范围：2 0 h z 2 0 k h z 。 g ) 绝缘耐热等级：b 级( 1 3 0 1 2 ) 。 h ) 安全特性： 绝缘电阻：常态时大于1 0 0 0 mq ： 抗电强度：3 0 0 0 v 1 分钟( 作电压互感器用时) 6 0 0 0 r 1 分钟( 作电流互感器用时) 阻燃性：符合u l 9 4 一v o 级。 i ) 外形图、安装尺寸和线圈图 图3 - 3 外形图 图。3 4 安装尺寸 图3 - 5 线圈图 2 1 一坐韭虫左叁堂王毽硒坐位逾塞 j ) 作电压互感器使用 t v a l 4 2 1 一o l 作为电压互感器作用时是一种电流型电压互感器，典型应用如图 3 6t v a l 4 2 1 一o l 典型应用接线图中的图一和图二： c o t i1 1 1 72 强f 吁虢 r l v 1 z l 围一 r l v i i -c , = 3 0 0p l or f ( uf ) 圈= 圈三 囝四 v 2 = i2rl r 庠q o o q 圈五 k ) 作电流互感器使用 圉六 图3 - 6t v a l 4 2 1 - o i 典型应用接线图 t v a l 4 2 1 一o l 作电流互感器应用时，用户只要在中心孔穿l 匝母线作为输入线 圈，其次级有四种应用方法，分别如图3 - 6t v a l 4 2 1 一o l 典型应用接线图审图三、 四、五、六。 3 2 2a d 转换器选择 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，固须对其进行模拟信号到数字信号的转换， 因此不得不采用模拟信号的a d 转换接口电路。 选择了icl 7 1 0 9 ，原因如下 垡韭电力左堂互程亟堂僮论奎 a 、icl7 1 0 9 a d 转换器的分辨率为12 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。 b 、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 交流电压信号，都可视为非快速信号，因此icl7 1 0 9 的转换速度满足设计要求。 c 、icl7 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进制码，在单片机应用系统中应用很广 价格低，资源广。 采用的a d 转换器为icl7 1 0 9 ，其数据输出为12 位二进制数，并配有较 强的接口功能，能方便地与各种微处理器接口相连。 7 1 0 9 主要特性参数如下： a ) 1 2 位二进制数输出，并带有一位极性位和一位溢出位。 b ) b 、与ttl 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。 c ) 低噪声，典型值为1 5 i v p p 。 d ) 典型输入电流1 p a e ) 最大转换速度为每秒3 0 次。 f ) 片内有振荡器，只须外接晶体或rc 器件。 图3 7i 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 管脚接她，选择直接输出方式， r u n h o l d 接正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。icl7 1 0 9 每完成一次转换所需的 2 3 垡韭虫左厶堂王攫亟雯擅淦塞 转换时间为8 1 9 2 个时钟周期，当采用6 m h z 晶振时转换时问为8 1 9 2 x5 8 6 m h z = 7 9 1 2 m s ，即转换速成率为1 2 6 3 次秒。 一个完整的a d 转换时序如下图所示： 图3 8 一个完整的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 s t a t u s 变为低电平i c l 7 1 0 9 s 可以输出结果数据。 3 2 ，3 串行通讯控制回路 。姗“鼬。 越媾竺坠 图3 - 9 串行通讯控制回路 采用m a x 2 3 2 作为与上位机的通讯接口，它采用全工异步串行通讯方式，波特 率为9 6 0 0 ( 可以调整) ，每帧数据由1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位构成。 接i z l 电路简单。 3 2 3 1 串行接口工作方式 串行接口有四种工作方式，受串行控制寄存器s c o n 控制，本设计采用工作方 式l ，8 位数据的u a r t 工作方式，因此，s l i o s m i = o i ：同时，软件置串行接收控制 位r e n = i ，允许串行接收数据： 垡j 出左太堂羔程殛堂僮j 金塞 3 2 3 2 波特率计算方法： 本机采用定时器1 作为波特率发生器，t 1 工作在自动再装入时间常数的定时 方式2 ，( 即定时器的方式控制寄存器t m o d 的高四位为0 0 1 0 b 状态，定时器的控 制寄存器t c o n 的t c o n 6 ( t r l ) = l 启动t 1 开始工作。) 。此时溢出率取决于 t h l 中的自动重新再装入值。 波特率= 2 “”3 2 ) ( 定时器l 的溢出率) 定时器1 的溢出率可由下式算出： 溢出率= 振荡频率f o s c 1 2 2 5 6 - ( t h l ) 将代入可求得 串行口的波特率= 2 “”3 2 ( f o s c 1 2 x 2 5 6 - ( t h l ) 3 2 3 3 串行通讯数据处理 本机接收检测主机的命令：朗9 0e b9 0e b9 0x x 三个e b g o 为同步头； x x 为命令字：# o a l h 调整电压3 8 0 9 0 ： # o a 2 h 调整电压3 8 0 1 0 0 ： # o a 3 h 调整电压3 8 0 x1 1 0 。 本机发送数据给检测主机：e b9 0e b9 0e b9 0b br hr l 三个e b 9 0 为同步头； b b 为命令字：调整电压结束； r hr l 为交流电压输出值高低位字节： 3 3 主回路原理 望j t 生左叁坐= 程殛堂拉控塞 a b 网一正接反转到废反播正转到底一 匿圈一反藉反转到底正接一正转到底 一 图3 1 0 调压装置主回路原理图 图3 - 1 0 中a 、b 、c 端为3 8 0 v 交流输入端，a 7 、b 7 、c 为交流调压后的输 出端，范围为3 8 0 v 1 0 ，此电压作为充电机检测的交流输入端。因为利用了交 流电压的叠加原理，一方面控制简单容易调节，另一方面减小了调压器本身的体 积和容量，适合现场检测的需要。当需要进行调压时，相应接触器闭合，可逆电 机受控制器控制转动，在叠加变压器上输出一电压，当此电压方向与输入的三相 电压方向相同时，电压便进行叠加，使输出电压升高。反之方向相反时，电压进 行相减，输出电压降低，因为是闭环控制，所以输出电压能达到需要的调整精度。 a b c n 坐a e 电出叁堂f i 提亟堂焦盐窑 第四章直流输出负载调整装置 4 1 直流输出负载调整装置原理 将负载分为粗调负载与细调负载两部分。 4 1 1 粗调负载分为四个部分按8 4 2 1 码进行组合 0 0 0 0 一1 1 1 1 共1 6 种组合 4 1 2 细调负载采用电动式滑线变阻器配合粗调负载将总负载调整至所需大小。 4 2 粗调负载切换原理 粗调负载切换由电力电子开关器件i g b t 完成， i g b t 的保护及驱动器件采用了专用的厚膜驱动器h i a 0 3 b ，将降栅压逻辑模 式和软关断两种短路保护功能有机地结合在一起，构成了完善的短路保护功能， 降栅压延迟时间，降栅压时间，软关断斜率均可通过外接电容进行调整，具有驱动 脉冲封锁端，在短路时能及时封锁脉冲输出，避免高频时长时间短路造成i g b t 损 坏，有效地保护了i g b t 。 4 2 1 绝缘栅双极晶体管i g b t 4 2 1 1l g b t 的工作原理 i g b t 的等效电路如图1 所示。由图l 可知，若在i g b t 的栅极和发射极之间加 上驱动正电压，则m o s f e t 导通，这样p n p 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态 而使得晶体管导通；若i g b t 的栅极和发射极之间电压为o v ，则m o s f e t 截止，切 断p n p 晶体管