（电力系统及其自动化专业论文）特殊接线方式变压器变压比测试的研究.pdfVIP

嚣毫交逶大学焱圭霹 突生学经论炎繁ll 更 a b s - l r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tt h et r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n t s i nt r a c t i o n s u b s t a t i o na n di t so p e r a t i o nc o n d i t i o n g r e a t l yi n f l u e n c e st h es a f e t yo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 。 t h e r e f o r ei ti sv e r ye f f e c t i v et og e tt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s o ft r a n s f o r m e rb yk i n d so ft e s t i n gm e t h o d sa n dr e d u c et h ed i s ko f e x p e n s i v ef a i l u r e sc a u s e db yt r a n s f o r m e r i nc h i n at h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma d o p t ss i n g l e - p h a s e a c i na tp o w e rs u p p l y s y s t e ms o m e t r a n s f o r m e r sw it h s p e c i a l c o n n e c t i o nm o d e ，s u c ha ss c o t tt r a n s f o r m e r ，a n t 卜s c o t tt r a n s f o r m e r b a l a n c et r a n s f o r m e ra n ds oo n ，a r eu s u a lu s e d t h ev o l t a g er a t i oi so n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft r a n s f o r m e r i tr e l a t e st ot h es t a t u so ft r a n s f o r m e rw i n d i n g t h ev a r i e t yo f v o l t a g e r a t i or e a c t st on o t o n l y t h ei n s u l a t i o ns t a t u so f t r a n s f o r m e rw i n d i n gb u ta l s ot h ef a u l to fw i n d i n gs h o r t t h e d e t e r i e r a t i e n o f v o l t e 嚏er a t i o 删r e s u l t i n d a r a a g e o f t r a n s f o r m e r ， w h i c hm a ya l s ol e a dt ot h ef a i l u r e so fp o w e rs u p p l y s y s t e m t h e r e f o r ei t i sv a l u a b l et os t u d yo nt h em e t h o df o r m e a s u r i n g v o l t a g er a t i oo fs p e c i a l t r a n s f o r m e r s i n c et h e s et r a n s f o r m e r s h a v e s p e c i a l c o n n e c t i o n m o d e ，t h ea p p a r a t u s u s e df o rc o m m o n t r a n s f o r m e rc a n n o td i r e c t l ym e a s u r et h ev o l t a g er a t i o i ti sv e r y n e c e s s a r yt od e v e l o pan o v e la p p a r a t u se s p e c i a ll yu s e df o rt h e s e s p e c i a lt r a n s f o r m e r s 。 i nt h i st h e s i s ，an o v e l v o l t a g er a t i 0m e a s u r i n gs y s t e m f o r s p e c i a l t r a n s f o r m e ri si n t r o d u c e d t h e p r i n c i p l e a n d d e s i g n r e a l i z a t i o no ft h es y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e w h o l es t r u c t u r e ，t h ep r i n c i p l e so fm a i nm o d u l e s 。a n dt h ed e s i g n o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ee n d ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h e w h o l ed e v i c ea r et e s t e da n dt h ee r r o r sa r e a n a l y z e d t h e m i c r o p r o c e s s o ra t m e la t 8 9 c 5 5i sa d o p t e d a st h ec e n t e ro ft h es y s t e m ， a n dt h es y s t e mi sb a s e do nt h ed e s i g ni d e ao fs y s t e r a - o n - a - c h i p k e yw o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ： t r a n s f o r m e r ：v o l t a g e s c o t tt r a n s f o r m e r ：b a l a n c e r a t i o ：m i c r o p r o c e s s o r 嚣毒交逶大学磁士聚究生学位论文繁 茭 第1 章绪论 电力牵弓| 运输方式利用电能 乍为牵引动力，将电能转换为机械能，驱动 锾薅裂车、魄貔车缝帮鞍泰迄动车辆等鸯辘运竣工具运行。鬓上毽纪5 0 年 代戳来，铁路牵弓l 动力电气傀已成为氆赛范围杰铁路技术荤命的方向君b 铁路 现代化的标志。我国电气化铁道的发展，是从1 9 6 1 年开始的。到目前为止，电 气化铡酋已发艘超过了1 2 0 0 0 公里。 电力牵引作为种新型有轨运输牵引动力形式，按其牵引网供电电流制 式不同，分兔工频单掇交瀛剿、低频单相交0 臻4 和矗流剃”】。我国电气纯铁 逶孛一般罴麓z 频萃稳交滚嗣。交浚牵弓| 交宅酝是工獗繁稳交流鞠电力牵 供变电系统的黧要组成部分，它究成变压、变相和向牵引网供电等功能，著 实现三相交流一次供电系统与单相牵引系统的接口与系统变换。 牵引变服器是牵引供变电系统中的核心设备之一，承担着电压转换、电 能分配和传输的重要任务。因此，露弓i 变压器豹正常运彳亍怒电气化铁道安全、 可靠、臻凄、经济运行夔重要儇谖。 1 1 牵引供电系统的特点及采用特殊接线方式变压器的意义 我国电气似陕遭署乏并3 单相、交流、2 7 5 k v 供电制式将电力供给电力机车， 势经援车整流器，由壹漉电撬撼动搬车运铲n j 。 电力税攀跫单柜受蔫，露大部分电纯医葭乃采蘑礴联结戆三耱圭交嚣 器( 简称主糍) ，导致一次侧负序分摄大。当两臂负犄稠等时，一次侧负序 电流与正序电流比为5 0 9 6 ，对处于牵引变电所较近的小容量发电机组和地区 性动力负荷十分不利。 由于牵弓| 供邀方式自身的特煮，邀力系统、牵引供魄系统坟及电力机车 等方瑟在效零童均槲铸改遴乏魏。牵弓l 交基器豹逡辩楚久嚣】长裁关心魏 闯题之一。缀攒交流牵弓 瓣的不弼供电方式和牵弓l 变态所为捧制单相牵 l 受 荷造成电力系统的不对称影响，可采用不同接线方式与结构的主变压器。由 此可将牵引变电所区分为三相牵引变电所( 一般采用y 一1 1 接线主变压 器) 、单相牵碍l 变电所( 含v v 形接线方式主变压器) ，三相一二相牵引变 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电所( 采用特种接线方式变压器) 1 7 1 “。 近3 0 年来，铁道相关部门对三相、单相、三相变二相等多种牵引变电 所进行了比较，积累了不少经验，但至今尚未取得满意的结论。近年来，电 力系统对电铁供电标准日趋严格，负序、谐波始终是避不开的焦点问题。供 电协议签订难之又难，再加上自1 9 9 4 年对电铁实行两部电价制之后，牵引 电费支出成倍增加，大大加重了企业负担。 归纳电气化铁道供电特点，选用的主变压器应满足以下几方面的要求： a 从电力系统看，要求三相负荷尽可能对称，使负序分量减至最小： b 从电力机车看，要求有良好的电压质量，波动小，有利于牵引力发挥 和辅助机组正常工作，减少故障： c 从牵引供电自身看，变电所主变压器应能满足供电特点的高可靠性， 特别是抗短路能力优越，具有安全、质量、寿命、经济( 包括运行费用) 最佳 的综合指标。 平衡变压器等特殊接线方式变压器正是为适应上述各方面需求而研制 生产。 1 2 特殊接线方式变压器简介 本论文讨论的特殊接线方式变压器主要指斯科特变压器、逆斯科特变压 器和平衡变压器。 1 2 1 斯科特变压器和逆斯科特变压器 在牵引变电所中，可采用斯科特接线变压器( 三相一二相式) 作为主变 压器，自用电变压器则采用逆斯科特接线变压器( 二相一三相式) 。斯科特 变压器和逆斯科特变压器的三相侧均无有效接地的中性点存在。主变压器用 以完成降压和变相功能，减少单相不对称负荷对电力系统负序电流的影响， 并以2 2 7 5 k v 电压向a t 牵引网供电，是改善和提高电能质量的重要方法 之一【1 扣m 。 斯科特接线变压器和逆斯科特接线变压器，一般统称为t 型变压器，两 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 者原理完全相同，设计也基本相同。图1 1 和图1 - 2 分别为斯科特( s c o t t ) 变压器的原理图和输出电压矢量关系图”。 此种变压器具有变压和换相的双重功能。斯科特变压器一次侧的底绕组 b c 和高绕组a o 联结成倒t 型，其三个出线端a 、b 、c 分别接入电力系统 的三相电压，二次绕组则联成相位相差9 0 。的v 型。二次绕组的公共端和 轨道相连，两个开口端分别用馈电线联入两个相邻的接触网区段。如图i 一1 所示，斯科特变压器的二次绕组匝数均为，其一次侧绕组中底绕组b c 的 总匝数为所，则变压比为k = w i 。由图1 2 可知，二次侧绕组端电压u 。 和是两相对称9 0 。电压，即= 一虬。 a b c 图1 1 斯科特变压器原理图图1 2 输出电压矢量关系图 这种三相一二相接线式变压器的绕组联线突出的优点，是当两个供电臂 上的馈线电流相等时，一次侧的三相电流对称。从而大为刚氐了三相系统的 不对称状态。在实际使用中，应尽量使两相侧的负载均衡分配，即使两个供 电臂负载不同，二相侧允许负载不平衡度也较大( 允许在7 8 ) 。 采用s c a 兀接线式主变压器的牵引变电所，其自用电系统为获得三相 电源，一般采用反变换的s c o t t 接线自用电变压器连接在主变压器的二次 侧，这种变压器通常称为逆斯科特接线变压器。将斯科特变压器二次侧两单 相电源对应接至逆斯科特变压器一次侧两单相电源，即可将牵引变电所内斯 科特变压器二次输出的2 7 5 k v 两个单相电源变为站内自用三相电源，原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 如图1 - 3 ( a ) 和嘞所示。 电一 5 x y 母战 t f2 75 1 0 t 母垃 p ( a ) 斯科特接线图嘞逆斯科特接线图 t l 一斯科特主变压器1 2 一逆斯科特变压器t 一接触导线 f 一正馈线a ，b ，c 一输出三相电源2 7 5 k v 母线一供a t 供电自耦变压器用 图1 - 3 三相一二相牵引变电所接线图 由于斯科特变压器和逆斯科特变压器无国家标准，其性能参数一般参照 相同容量及电压等级的三相电力变压器的相关参数。 1 2 2 - n t q 变压器 平衡变压器作为电铁使用的特种变压器，能有效抑制负序电流，减少有 功损耗和电压损失，提高牵引机车的过载能力1 6 , 1 9 - - 2 4 1 。尽管平衡变压器投入 运行时间短，产品设计与配套尚未完全标准化、系列化，但它作为一种新型 变压器，因原理和结构上所固有的基本优点，已在牵引供变电系统中得到了 应用f 2 研。 平衡变压器的基本性质： a 由一次侧电压1 1 0 k v 转换为二次侧电压2 7 5 k v ，前后相电压相角差为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 9 0 。的二相供电系统，无零序电流； b 当2 7 5 k v 侧两供电臂单相负荷相等时，1 l o k v 侧三相电流对称，无负 序分量： c 变压器的一次侧三相功率完全转换为二相功率，容量利用率为1 0 0 。 一台3 1 5 m v a 平衡变压器，供电能力相当于一台4 0 m v ay d 联结三相变压器， 且每年少支出基本电费百万元； d 两臂供电负荷对相互的电压损失影响小，2 7 5 k v 母线电压波动小，供 电电压质量较y d 联结变压器优越。 近年来，机械、铁道两部一些单位联合研制生产出两种类别的平衡变压 器，先后在天兰段两个牵引变电所安装使用。同等容量，馈线输出电流提高， 滞后相网压明显改善，负序分量减小，较原来的y d 联结变压器有着较好的 经济效益和社会效益。 平衡变压器在结构和性能上与y 一ll 三相电力变压器有很大不同， 变压器低压侧两相电流相位差为9 0 。，高压侧电流与低压侧电流相位差随列 车运行方式的变化在0 。9 0 。之间变化。y d 延边型平衡变压器的绕组接线 如图1 - 4 所示。 a c a ) 一次侧b ) 二次侧 图1 4 平衡变压器的绕组接线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 特殊接线方式变压器变比测试的意义及研究现状 变压器出厂试验是制造厂家和国家计量部门对变压器所做的一项全面 的性能指标测试，其目的是为了确保变压器的电气和机械性能达到国家规定 的技术标准和设计要求。每种类型的变压器只有通过出厂试验才能投产或继 续生产。变压器的变压比是变压器若干技术指标中的一种，也是变压器出厂 试验时必不可少的一环。每台变压器经过此项试验，能确保绕组匝数比、分 接位置和绕组联接的正确无误。 变压比是变压器的一个重要参数，变压比的变化与变压器绕组的变化有 密切的关系。变压器绕组是变压器传输、变换电能的核心设备，它构成了变 压器输入、输出电能的电气回路。变压器绕组的故障类型较多，如绕组三相 直流电阻不平衡、绕组短路和断路、绕组击穿和烧毁、绕组接反和联结错误 等故障。变压器绕组的可靠程度是决定变压器能否长期、安全运行的基本要 素。 变比参数的恶化有可能反映变压器的一些故障p i o - 2 8 。例如，测量变比可 以检查线圈匝数是否正确，检查分接头焊接质量，查明线圈短路、断路、接 线以后分接开关的故障和错误，也可查明箱盖分接开关手柄位置与箱内分接 开关对应情况，查出分接引线装配问题。 目前，针对普通变压器变压比的测量已有多种方法。比较常见的有双电 压表法和电桥洌荔嘲。采用双电压表原理的变比测试仪，从九十年代起己逐 步有带微处理器的智能化产品上市。电桥法是最常用的方法，它安全，测量 准确。但对构成变压比电桥的零部件要求较高，并需一些特殊加工工艺。另 外，由于使用了多只转换开关和滑线电阻，这不仅增加了仪器的体积和重量， 而且存在的活动触点也大大刚氐了仪器的可靠性。同时，这种方法在实际使 用时，由于需要凋节平衡，还停留在人工平衡的电工型仪器的水平，操作稍 嫌麻烦。 更重要的是，由于本文研究的特殊接线方式变压器不同于普通三相变压 器，原有的变比测试仪不能方便、准确的完成此类变压器的变比测试。所以， 研究此类变压器变比测试方法具有一定的现实意义。 嚣南交遴必学硕圭霹窕您学位论文第7 燹 1 4 本论文的主要工作 零文魏磅突楚结合e s t - c l 燮宅菇毫气试验车矮基逶纾戆。囊季萼蒋交压 器、平衡变压嚣等特殊接线方式变压器在电气化铁路牵引供变电系统中具有 广阔的应用前景，但目前尚无专用的变比测试仪器，所以本论文主要工作是 设计一种使用麓绽、性能可靠的特殊接线方式变压器变压b e 测试仪。 在本 叁文审，详缨讨论了蠢乏类接线方式突压器变压 滚l 鼙仪静设计穷法 和具体设计实现方案。论文菇分五章。第二磁分析了特殊接线方式变压器畿 聪比及误差的测避原理，对各种可行方案进行了比较，并绘出了系统原理框 灏；第三章奔缨了整个变压毖测试系统的硬转竣诗，详尽撼遮了襄 辱选娶以 及备部分电路黯实现；第西章介绍了寝l 试系统静软俘设 卡，给出了软俘设计 的总体程序框图以及各子程序的流程，并介绷了用浮点运算产生正弦波形的 原理与实现：第溢章对此类特殊接线方式变压比测量系统的蹩体性能进行了 努辑，莠定性分掇了溺试孛瓣误差来源窝予捷糖毒l 携蓬。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章变压器变压比及误差的测试原理 本章首先介绍了变压器变压比测试中常用的测试方法，随后提出了 针对特殊接线方式变压器变压比测试的方法及总体设计方案。 2 1 变压器变压比常用测试方法 常见变压器的类型有单相变压器和三相变压器，对于这些普通变压 器的变压比测试，通常采用的是电桥法和双电压表法。下面简要介绍这 两种测试变压比方法的原理。 2 1 1 电桥法 电桥法测试电压比的准确度等级较高，通常为0 1 ，这一准确度等 级可以满足电压比偏差和规定值相比不超过o 5 的测试要求。 电压比电桥有两种工作原理。一种是依据电阻线路，使被测变压器t 的一次侧和二次侧电压以及两个电阻组成电桥，如图2 1 ( a ) 所示。当 指零仪表g 指示中没有电流通过时，电桥达到平衡，一次侧电压和二次 侧电压之比等于电阻旦主；誓型旦之比。使用时调节电阻使指零仪器 指示为零，使电桥平衡，得到电阻比鱼型 ；：；二墨，由此电阻比即 可得到变压器的电压比。电阻式电压比电桥工作在交流5 0 h z ，所以其电 阻元件均要求是无感电阻。此外，对电桥的各个旋钮的质量要求比较高， 其接触电阻的阻值在各种工作条件下应稳定不变。 另一种方法是采用感应式电压比电桥原理。如图2 1 ( b ) 所示，电 桥内有标准电压互感器p t 。调节标准互感器的电压比，使电桥平衡时， 由互感器p t 的电压比就可以得到变压器的电压比。感应式电压法比电桥 法对电桥的各个电阻元件的要求相对较低，因为感应式电压比电桥的检 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 测对象是电压，而非电阻，对其绕组电阻和接触电阻的要求不像对电阻 式电压比电桥那样高。但对其内装的标准互感器要求准确度等级高，而 且要有多个抽头。 ( a ) 电阻电桥 r 2 r 3 ( b ) 感应式电侨 p t w 2 图2 1 电压比电桥 由于感应式电压比电桥比较容易进行自动计算并给出电压比，现在 已有国内外的仪器制造厂提供自动的电压比电桥。使用这一类电桥，只 要按说明书，在试验前调节旋钮到一定位置，施加电压后电桥即自动给 出结果不需试验人员调节平衡就可以给出电压比数值，或相对规定电 压比的偏差。电桥除测试电压比外，还可以按试验线路测出绕组联结组 标号。因此这一类电桥已被很多试验站采用。 2 1 2 双电压表法 双电压表法通常是向被测变压器电压较高的绕组输入一路适当幅值 的单相电压，用一块电压表测试输入电压，用另一块电压表测试低压侧 同名端的感应电压，同时读出两表读数，读数之比即为变压器的变比。 在被测变压器具有中性点可以分相测试时，应优先采用分相测试的 方法。如其中的一个绕组无中性点时，可采用测线间电压比即两相绕组 的匝数比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 图2 2 和图2 3 分别为单相变压器变压比测试试验接线图和三相变压 器单相变压比测试试验接线图。由图2 2 和图2 3 可看出，不论是单相变 压器还是三相变压器单相进行变压比测试试验，都是从高压侧输入一低 电压，在低压侧感应出另一电压，同时测定两侧的电压，计算出其变压 比。 a 躅口， 图2 2 单相变压器变压比测试试验接线图 儿 a 口，。 b - ，、hy1 cp 一，n 、- _ z l 图2 3 三相变压器单相变压比测试试验接线图 对于单相变压器，其额定变压比k 。= 竽，实测变压比k = ；等。 变压比误差厂= ( 足一k , v ) k , v 】+ 1 0 0 。当厂为正时，表示高压绕组多 匝( 假定低压绕组匝数正确) 或低压线组少匝( 假定高压绕组匝数正确) 。当 f 为负时，则相反。但由于高、低压侧匝数相差几倍或1 0 倍以上，因此 可从误差厂值的大小来判断是高压还是低压绕组错匝，并可用辅助试验来 作最终判定。 对于三相变压器，其单相额定变压比k 。= = 罟u ：。( y n ，d 接法) ， 实测电压比k ：v a ，l ，( 2 , 3 ) ，误差厂的计算同单相蓼泣器。在绝缘装配之后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 必须采取这样单相试验的方法，如果被试一对绕组中有- n 是y n 接线 而另一侧是d 接法时，成品变压器亦可采用单相变压比试验。 2 2 特殊接线方式变压器变压比测试原理及总体设计 2 2 1 测试原理 本文研究的特殊接线方式变压器中，斯科特变压器和平衡变压器原 边输入为三相电压，副边输出为二相电压，逆斯科特变压器则恰好相反， 原边输入为相位相差9 0 度的电压，而副边输出为三相交流电压。特殊接 线变压器因其结构上与普通变压器间的不同，所以特殊变压器变压比的 测量不能采用对单相电压的测量得到，必须输入变压器原边各相的电压 才能测出特殊变压器的变压比。然而，常见变压比测试仪是采用单相电 压测量法得到变压器变压比的，所以通常所用的变压比测试仪一般不能 满足这种变压器变比测试的要求，不能方便、准确的完成变压器的变比 测试。 本论文依据双电压表祛的基本原理，选用a t m e l 公司的 a t 8 9 c 5 5 w d 单片机作为测试系统的控制核心，设计了一种针对特殊接线 方式变压器变压比的测试系统。该系统采用间接方法测试被测变压器原 边电压和副边电压，在单片机中实现测试过程的控制、测试数据的计算 及显示等功能。 测得变压器的变比之后，即可计算变压比的误差。 变压比误差按下述定义：变压器的变压比的铭牌值与实际测得的变 压比值的差值( 即绝对误差) 与铭牌变压比的比值，即： 变压器变压比的误差= ( 铭牌变压魄值一实灏变医比氲f 铭游变医睨 f f x l 0 0 对于单相变压器，其额定变压比： k 。= u l 。u 2 。 实测变压比：k = u 出u 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 所以变压器变压比的误差为： f - 懈一k m ) k m 】+ 1 0 0 ( 2 - - 3 ) 上式中k 表示实测电压比值，k m 表示铭牌电压比值。 当厂为正时，表示高压绕组多匝( 假定低压绕组匝数正确) 或低压绕 组少匝。当厂为负时，则相反。但由于高、低压侧匝数相差几倍或l o 倍 以上，因此可从误差厂值的大小来判断是高压还是低压绕组错匝。 一般，电压比小于3 的变压器，允许偏差为1 ：其他变压器( 在 额定分接位置) 为0 5 。 2 2 2 总体设计 本论文设计的变压比测试系统具有如下功能： 1 本测试系统主要测试对象为s c o t t 变压器、逆s c 0 t t 变压器和平 衡变压器三种特殊接线方式变压器。当然，本测试仪也可以对普 通单相、三相变压器进行变压比测试。被测变压器的种类可由按 键选择，系统软件根据按键的状态执行相应的测试程序。 2 该仪器可自动测量变压器变比、变比误差等参数，测量结果自动 保存，可查看以前数据。 3 该仪器具有p , $ 2 3 2 串行通讯接口，可在p c 机控制下进行远程的 测试：也可以通过相应的功能按键完成手动变比测试。 4 具有多个功能按键，可以进行标准变比的测试、变比测试的启动 和停止、系统复位等操作。 5 具有液晶显示功能，能方便的显示被测变压器类型、标准变比、 测量变比和变比误差等信息 测试系统框图如图2 4 所示。 图2 - 4 中，试验电源产生模块输出两路或三路3 0 0 w2 0 0 v 的正弦交 流电压量，提供给被测变压器的原边输入端。针对不同类别的被测变压 器，试验源产生模块输出的交流电压量也不完全相同，主要区别为电压 量间相位差的不同。相位差的设置由测试系统程序来实现。 数据采集及处理系统是整个测试系统设计的关键部分之一。系统从 被测变压器的副边采集其输出的正弦交流电压量，经过增益控制电路、 交直流变换电路和模数转换电路等一系列参数的处理后，将被测变压器 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 副边输出电压量反馈回微处理器。得到被测变压器副边输出交流电压的 数字量后，在测试系统程序中就可以实现有关参量的计算，同时还可以 通过液晶显示模块将相应的参数进行显示。 l 液晶显示b = 微 = = = 纠试验电源产生模块 i 按键控制 令 处 理 l 通信接口i g 。 器 ：= 刊数据采集及处理系统i l 通信接口g o 图2 4 测试系统整体框图 被 测 变 压 器 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 第3 章测试仪硬件设计 在本章详细叙述了特殊接线方式变压器变压比测试仪的硬件设计。首先 给出了硬件设计的总体框图，然后介绍了电路设计中主要模块电路的原理与 设计，包括试验电源、数据采集与处理及液晶显示等模块。 3 1 硬件总体设计及各模块功能简介 本论文提出测量变压器变压比的方法，是在被测变压器原边输入2 0 0 v 左右的电压，并采集副边输出电压，将原边和副边电压量均转化为数字量后， 即可计算得出待测变压器的变压比。特殊接线方式的变压器，主要有s c ( y r t 接线变压器、逆s c a 订接线变压器和平衡变压器。这些变压器原边是三相正 弦电压，或者是两相正弦电压。设计的测试仪应能用于上述类型变压器的变 压比的测试。 硬件总体结构如图3 1 所示。本装置选用a t m e l 公司的8 位单片机 a t 8 9 c 5 5 w d 作为系统的控制核心防御。a t 8 9 c 5 5 w d 内部带有2 0 k 字节的 闪速存储器，从而可以省掉外部扩展的程序存储器。整个电路结构设计紧凑， 在刚氐成本的同时也提高了可靠性。 本系统中主要包括如下功能模块： 1 试验电源产生模块 此模块主要用于产生变压比测试过程中一次侧电源，主要由波形产生电 路和功率放大电路组成。 2 数据采集及处理系统 该系统完成被测变压器副边输出交流电压的采集与处理，主要由增益控 制电路、a c d c 变换电路和电压频率转换电路组成。 3 键盘及显示模块 本系统具有良好的人机交互功能。在测试过程中，液晶显示模块主要显 示当前系统的工作状态。检钡4 结束时，显示本次测试得到结果。通过按键可 以实现被测试变压器种类的选择、测试开始或终止等功能。本系统主要有如 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 下功能按键：0 9 数字键、小数点、变压器类型选择键、测虽停止键、复 位键、确定键、清除键等。 4 通讯模块 系统中设计了测试仪与p c 实现信息交互的串行通信模块。用户可通过 p c 远程启动和中止变压比测试，也可要求测试仪上传试验数据。 5 看门狗保护电路 看门狗超时延迟复位电路( 以下简称看门狗电路) ，既能保证单片机系 统在上电时产生可靠的复位脉冲，又能在单片机死机时对其复位。 l 锹极显示 茁 l 看门狗保护k 二 片 机 控 困锢 制 电 路 图3 一l硬件总体结构框图 3 2 试验电源设计 被 测 变 压 器 由测试原理可知，得到待测变压器原边试验电源是整个测量系统设计的 重要内容。试验电源电路主要由波形产生电路和功率放大电路组成，下面将 详细介绍这两部分电路的设计。 3 2 1 波形产生电路 波形产生电路是变压器变压比测量系统试验电源设计中的关键部分之 一，它可为被测对象提供所需要的电压波形。该部分的输出信号是幅值为l o v 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 的正弦电压，在其后面连接3 0 0 w 的功率放大器，接一小型升压变压器，将 此部分输出信号的功率、电压幅值提高，以满足变压器变压比测试的要求。 波形产生电路主要由波形发生芯片m a x 0 3 8 构成i ”q 。考虑到测试的 实际需要，本电路最多可产生3 路正弦信号，各路波形相位差的控制是由单 片机a t 8 9 c 5 5 w d 的p 1 2 、p 1 3 、p 1 4 管脚产生同步相位控制信号。 波形产生电路图见附录1 所示。 1 高频精密函数发生器t g x 0 3 8 ( 1 ) m a x 0 3 8 的基本特性 m a x 0 3 8 是美国m a x i m 公司生产的一种高频精密函数发生器，它可以 使用最少的外部元件而产生三角波、锯齿波、正弦波、方波和脉冲波。输出 频率为0 1 k 一2 0 m h z ，输出频率可以由一个内部2 5 v 的参考电压、一个 外部电阻和一个电容来控制。占空比可以通过施加一个士2 3v 的控制信号 在一个宽范围内变化，并便于脉冲宽度的调节和锯齿波的产生。频率变换和 频率扫描可以用同样的方法来达到。占空比和频率控制是相互独立的。 通过在两个r r l 兼容的选择引脚上建立相应的编码信号，可在输出端 选择正弦波、方波或三角波输出。所有波形的输出信号相对于地是对称的， 其峰峰值为2 v ，低阻抗的输出使输出驱动电流可达士2 0 m a 。 由内部振荡器产生的与r r l 兼容的引脚s y n c 输出信号保持5 0 的占 空比，并可以使系统中的其它装置与之同步。内部振荡器也可以与连接引脚 p d i 的外部t r l 时钟同步。 m a x 0 3 8 具有下列主要特性： 工作频率范围为0 1 乜一2 0 m ；输出波形可以是三角波、正弦波、锯 齿波、方波和脉冲波；频率和占空比独立调节；3 5 0 到1 的频率扫描范围； 可变的占空比( 1 5 - 8 5 ) ：低阻抗( o 1q ) 输出缓冲器；低失真( 0 7 5 ) 正弦波；低温度系数( 2 0 0 p p m u ) 。 m a x 0 3 8 的主要应用有：精密函数发生器、电压控制的振荡器、频率调 制器、脉冲宽度调制器、频率合成器、锁相环和f s k 发生器。 ( 2 ) 姒x 0 3 8 的工作原理 m a x 0 3 8 芯片引脚如图3 2 所示。 m a x 0 3 8 内部主要由振荡器，参考电压源，恒流源发生电路，多路选择 开关，比较器，相位检测器，输出缓冲器等部分组成，如图3 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 2m a x 0 3 8 引脚 图3 3m a x 0 3 8 电路组成和基本开发电路 m a x 0 3 8 的工作原理： 波形的产生、频率及占空比的调整 m a x 0 3 8 是通过恒流源对电容c f 周期性的充放电，由此可以产生一个 三角波和一个矩形波。充放电电流大小主要由i i n 端输入电流控制，但受到 。呲眦愀啪 孵咖m舢邮洲川眦腊 疆嘉交通犬攀硕士酝究黧学位论文蘩1 8 页 f a d j 和d a d j 端电压影响。流入n 引脚的电流可以在2 u a 至7 5 0 t t a 之间 变化，壶毖雩l 越静频率交纯程2 。嵇志右，缀j l 穆为频率糕调霹翅。f a d , i 弓l 辩鼹电器嚣戳镬士2 4 茯之阕变动，鑫魏霹激产生猿移中心频率蔼发右 的变动，越至0 频率段调的作用。在d a d j 引脚加士2 3 伏的电压，这个电压 改变振荡器辩毫容c f 靛究羧速率，觚两蠢蓦够使占空魄谯1 9 粥之润的 变化e 内渺考电蘧源产生稳定豹2 5 伏电压，所叹媛嚣改变电阻r 廿， 瓢豹太枣，裁w 叛获褥繇嚣簇率霸占空魄静波形。 a ) 频率的调熬： 当f a d j 一0 时，输出频誉可由下式( 3 一1 ) 给出： 曩( 嬲) = z x n ( 脚) g ( p 砖( 3 - - i ) ( 其巾，u n = 冁珏探融 一旦中心频率由i i n ，c r 设定之后，精确的频率w 以通过调整f a d j 引 脚煞毫垂采实城，交i 翌3 - 3 糖躲砖d 商7 瓣一2 5 泓t 孙盛删攀l 怒黪 频率漂移瑶鞭糕雏遮按照式移一2 ) 卡葵： d x = 甜- 0 + 0 3 4 3( 3 2 ) ( 其中d x 为调整遗嚣努数，鞭嘲鹣单谴为扶) 霹占室比鹃淫整： d a d j 引脚的电压变化碍f 起对电容c f 充电和放电相对速率的改变，幽此 弓| 起方波蠢窆魄购敬变。当v m d r - - 0 扶射，占空毖为5 0 ，d a d j 引脚上逛 搓获一2 ，3 捩餮2 3 菝交往l l 雩，珂戳零i 筵占空魄麸豁籁至1 5 t 夔交往，应注 意不毙徽褥令电匿援蔽，翻乖 每会辱l 怒攘荡器静不稳定，占空眈豹调整 w 由式( 3 3 ) 誊卡箨。 = ( 5 0 一d c ) 0 0 5 7 5 ( 3 - - 3 ) 其中d c 楚占空比。 m a x 0 3 8 频率调整和占枣比调熬捆互独立，互不影嗣，这也是该器 譬 个比较显麓的优点。 弱步赣窭 嚣步输出怒m a x 0 3 8 拿重要静扩攫功能，它艚够馘啉电；莓舔持鼗 m a x 0 3 8 的同步a 同步输出端s y n c 是恒为个占空比为5 0 的方波。当 竣照淹垂魏波璇三角渡鞋，翊疹壤交彦波懿上势沿露浚蹬没魏上秀蓬零她缣 一 。 西南交通太攀硕童酝究袅学位论文 繁19 页 持一致；当输娃 为方波时，础步输出上升沿与输出方波为正电平持续时间的 中点缳持一致。 疼部辫陂捡潦l 器 m a x 0 3 8 内部的稽位捡澳器般是应用于锁相环，它自罄够使m a x 0 3 8 波形输赉犟拜争 都输入信号绦捺嚣步。它捡灏获p d i 零| 辫浚入鹣信号与漆帮强 荡器发生波形的稳位差，铁p d o 引瓣输出个电流型的矩形渡，其电滚在0 登5 0 ( h t a 篱尝之弱交往。当多 部竣入信号秘m a x 0 3 8 傈撩粥囊匏疆篷夔时， 北电流型矩形波的占空比为5 0 ，渴相位麓分别为0 度和1 8 0 度时，占譬比 分别为o 和1 0 0 。 渡嚣遗撵 m 越( 懿8 产熏静芷弦波，矮彩波，三露渡鼍l 三i 逶遵帮聪鼍c 瑚s 惫平 兼容浆璐糖输入( a 0 ，a 1 ) 涨选择，具张逡择方法翔袭疆一l 燎示。波形选 择可以在任何时候进行，进行波形选择之腊将会有0 5 u s 短暂的过渡过程。 褒3 一l 波形逑择 波形a 舀a l 正弦波xl 矩形波 0o _ - - g 目波 lo 2 变压比测试系统中波 | 蓼豁数的选择 ( ) 频率 基疆耄篷巍m a x 0 3 8 凌酃$ 黾鬟。在r e f 与 i n 臻之瓣接上邀阻r i n ， 井将i i n = v g r g r 血代入式 3 一1 ) 霹褥： e ( m x - l z ) = 删( 朋) g ( p f ) = ( 如x q ) 蠹黎赣渗黜邀匿v 瓣= 2 s v ，掰i ；乏毒瑟褥爹灏凌搽瞵f o 秀5 0 h z 懿波 形时，就裔关系斌；5 0 h z = 2 + 5 v ，聪吣迭) + c 弛f ) 。电路设计中，选取5c o s c 霉| 辩豹电容参数c j = l u f ，辫瓣出频率控裁瞧疆参数r i n = 5 0 k q 。 本测爨系统中不采用颡辩微调，因此8 融w 弓 脚接1 2 k 电阻后豢接接 缝。 ( 2 ) 占空磁 由式( 3 3 ) ：v d a t = ( 5 0 - - 1 2 ( 2 ) 0 0 5 7 5 德剿，占空比为5 0 时， 孬涛交遴大学磺士磷究垒学位论文 第2 0 癸 v d a o j = 0 v ，在测鼙系统设计时，要产生的试验源嫩占窳 e 为5 0 的波形， 历以电路设计中，w 以选择m a ) ( 0 3 8 芯片媳第7 脚d a d j 接地。 ( 3 ) 同步信号的产生 不周测爨慰象艨嚣要黪试骏源电瑾也不溜。被瀑螺圣象是逆s c o t t 接线。 变压器时，试验源电压是两相相位差为9 0 度的正弦波电压。当被测对象魑 s c o t t 接线交匿蒸或平筏变压箍辩，其试验源毫藤是3 耱标准歪弦波窀压。 鞠位差的控制出波形产生芯片m a x 0 3 8 的姐位同步信号完成，具体控制方 法在软件设计部分有详细的介绍。 ( 4 ) 波瓣的选择 被澳对象所需试验源电压怒正弦波电压，根据表( 3 - - 1 ) 所示，测量系 缓瞧路设诗串，m a x 0 3 8 豹波形选择控裁溃a 0 ，a 1 萼| 瓣缘接歪5 铰逛嚣。 3 2 2 功率放大电路 在本系统中，功率放大电路模块具有不可或缺的作用。其主要作用是将 波，铲嫩芯笄m a x 0 3 8 输出的i o v 范围内变纯的鹰流或蜂曝馕为一l o v l g v 豹交滚逮医信号放大至l 戆够驱凌效涮设蚕要发戆水乎。耄于输惑电疆 域输出电流水平的提高，必然要求放犬环节输出级的输出功率可以达到一定 承平，遮氇怒将该部分电游称笼“功放”的原因。 尽钤从广义上讲所有的放大器都可以称为功率放大器，其作用都是把电 源舷蠹按输入信号盼瓣酾潍传适 给负裂洲“。但在本论文t 肼的逆斯稗婚 变压嚣变压魄测量系统中功率敷大摸块孛只强调了憩愿放大熬令方鞭。严 格地说本文涉及的功率放大与原电予学中所提的低频功率放大器有下歹 j 区 舅及共弱熹： 。一般低频功率放火器追求的是功率放大傣数。为了获褥最大功率传 输，要求负载阻抗与功放电路输如阻抗匹配，此时放大器件同时工作于大电 浚_ 稻丈嘏蓬状态e 褥本系统牵麴动率敖大彀潞遥浓黪懋输出瞧压懿线性藏 圉，电鼹足工作予犬琏提；状态，并且没奏受载阻抗匹醮翔题。 。铷】的输出级都离大功率晶体管担任，对大功率管极限功耗参数瓣 诗雾方法是一羧瓣。 铷 均属予器件的大信号运用，必须考虑器件q # 线性特性的影响， 器鬻交透失攀娥壹鞭究生学僚论文黧2 页 都不能用微变等效电路的分析方法来分析电路，而艨采用图解法分丰斤。 ，髅管般功教要注激转换效率豹超鼷，甲、己类功放形式的概念谯 考虑本变聪器变压比测量系统的功率放大环节组成时仍然有效。 交流电鼹豹功率放大电路蠢变压器褪会、o t l 、o 泌等几种选择方案。 京零文浚诗熬特豫接线方式变悉器变压篦灏蘩坟系绞审翡率藏大毫爨模块 采麓了两管对稼静己类互亭 穗撬输蹬o c l 曦路。 该交设计的功率放大模块掰戳蓊作出三个部分缀溅，分溺是： 输入部分，由晶体管构成的高增益、小信号放大电路； 输爨帮癸( 功率级) ； 电源部分。 逮个魄鼹在缍褥主蓦英塑豹爨藏运薮类觳。它鑫整渤输入缀、关辩液大 缀和准蠹补功率输出级组成。电路设计中依据输啦功率舶与唐流供电电源 v c c 豹美誉 胁 窖，2 勘，没定辏出功搴是3 0 0 w 辩可以选定直流辏魄 电源c 为8 0 v 蠢右。功率放大电路的输出的后级嚣按一升魇变压器，得到 2 0 0 v 静埝融邀箍，接入被瀑4 变聪器原边。 溅爨佼系缓孛魏功率放大惫鼹缀理凌囊鬻3 4 掰示。 - 麴￥ 图3 4 劝攀放大电路原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 3 数据采集及处理系统 在特殊接线方式变压器变压比测量仪中，将被测变压器原边和副边交流 毫缝戆采襻篷存键予数据采集及处理系绞孛，经过诗冀得到德测变压嚣变压 比。 数据采集及处瑗系统包撼增益梭捌电路、a c 理) c 转换电路粒v f c 转换 电路等部分，其结构框图如图3 5 所示。 矿缸 + 警“p 一銮霎，直篓l 兰 转换匕二书t l 单 璐 | 转换电路i!电路 | 片 l p i 机 圈3 5 数据采集及处理系统结构框图 3 3 1 增益控制电路 由于有较多试晶变压器的变比值超过了1 0 0 ，甚至超过1 0 0 0 ，因而，本 装萋孛交魄豹测量菠疆设 必1 9 9 9 9 。菇了楚纯装爨黪设诗，测量电愿弱 ( 施加到被测变压器原边的电压) 采用由波形产生电路得到的固定电联。由 予被测电鼷范围较宽，不便于壹接测璧，因此觥譬分成捉玲期l 量段。变 比较小时，电压较高，此对暾梅信母衰减；巍变t e 较大时，电难信号较小， 此对应将供号放大。信号的袭减和放大是利用单片机对信号的蠛值范围进行 识掰，荐由禚序控制褒藏敲穴电路戬褥至0 合适的衰减系数和放大倍数，将初、 次级交流呶驻信号掇制在一定的范围。 由予信号溅范围较大，所苏在模块审设计了壤益放丈嚣，增藏大，j 、 受单片机拄哺0 。当被测电压信号超过设定量稷时，单片机输出羹黼4 信号去改 变鬻编摇放犬器静增益，麸鬻实瑰鸯渤转获爨程。辔懿控隶潴弩鸯摹筹视