【正文】 biyesheji 1 百手起駕 整理 為您 1 引言 1． 1 研究基于單片機的變壓器變比測試儀的意義 電力變壓器已經成為電力系統(tǒng)中的主要設備之一，它的安全性 、 經濟性和可靠性在電力系統(tǒng)中所起的作用也越來越突出 。 隨著我國能源 、 電力事業(yè)的快速發(fā)展，電力變壓器的需求量快速增長 。 因此，選擇匹配的變壓器關系到以后這些設備在電力系統(tǒng)中能否安全運行的問題。 電力技術的快速發(fā)展能夠帶動測量自動化、智能化、精度、易用性的提高。變壓器能否并列運行，變壓比起著至關重要的作用。兩臺變壓器并聯(lián)時，如果它們的的變壓比相差 1％時，在繞組內就會產生循環(huán)電流，當它的值達到額定電流的 10％時，變壓器的損耗就會增大，輸出容量也會減小 [1]。因此在變壓器出廠、交接、繞組大修后都應對變比進行準確測量，并把它們的差值限制在一定范圍內。 變壓比是變壓器的一個重要參數，它的變化與變壓器繞組的變化有密切的關系。變壓器繞組是變壓器傳輸、變換電能的核心設備，它組成了變壓器輸入、輸出電能的電氣回路。變壓器繞組的故障類型較多：如繞組三相直流電阻不平衡、繞組短路和斷路、繞組擊穿和燒毀，繞組接反和聯(lián)結錯誤等故障。變壓器的可靠程度是決定變壓器能否長期安全運行的基本要素。 變比參數的惡化有可能反映變壓器的一些故障 [2][3][4]。例如：測量變比可以檢查線圈匝數是否正確檢；查分接頭焊接質量；查明線圈短路、斷路；接線以后分接開關的故障和錯誤；也可以查明分接開關手柄位置與箱內分接開關對應情況；查出分接引線裝配問題。 目前常用的測量變比的方法有雙電壓表法和電橋法 [5][6][7][8]。電橋法是最常用的方法，它安全，測量準確。但對構成變壓比電橋的零部件要求較高，并需一些特殊加工工藝。另外由于使用了多只轉換開關和滑線電阻，這不僅增加了儀器的體積和重量，而且存在的活動觸點也大大降低了儀器的可靠性。同時這種方法在實際使用時由于需 要調節(jié)平衡，還停留在人工平衡的電工型儀器的水平，操作稍嫌麻煩。 舊式變比測試儀為半自動測量方式：在測量不同相別的參數時，需要手工切換琴鍵開關，比較麻煩；其顯示輸出為 LED數碼管顯示器；沒有自帶微型打印機。該型號產品biyesheji 2 百手起駕 整理 為您 已逐漸喪失競爭力，以單片機為基礎的智能變壓器變比測試儀的設計應符合下列要求： (1)進一步提高測量精度，針對性地解決原產品中的溫漂問題。 (2)測量中三相相別的切換改為單片機自動控制，取消琴鍵開關。使用者操作時只需要按照說明書接好線，然后設置好接線方式等參數，就可以自動完成整個測試過程，在 測量中無需人工干預。 (3)顯示方式改為大屏幕液晶點陣顯示器，操作界面采用中文菜單。 (4)自動保存最近 20次測試數據。 (5)可以選擇打印本次測試結果或歷史測試結果。 (6)自動識別分接開關的位置。 新變比測試儀的設計要求具有一定的前瞻性，采用了當前主流技術，加上國內比較低的成本價格，一定會有非常廣闊的市場前景。 1． 2 國內外發(fā)展狀況 國內外變比測試儀不斷地發(fā)展一般經過以下三個階段： (1)手工測試階段：測量過程完全手工化。這種變比測試儀操作比較繁瑣，計算量大，效率低下，現(xiàn)在一般不采用了。 (2)半自 動化測試階段：采用單片機技術，但仍需一定的人工操作，通過 LED顯示。這種方式成本較低，目前應用比較廣泛。 (3)全自動測試階段：采用單片機及先進的控制技術，測試過程高度自動化，測試中無需人工干預，速度快，測量結果精度高，人機界面好，通過點陣式 LCD顯示菜單和數據，可選擇打印測試結果或歷史數據。這是目前最先進的變比測試儀，是電力行業(yè)更新?lián)Q代變比測試儀器的方向。 新式變比速測儀還采用了以下先進的的測量技術： (1)儀器自動調零：儀器上電時會執(zhí)行初始化程序，測出并記住零漂值，在后面的測試計算中自動補償，從而減小其 影響。 (2)高智能化：自動判斷變壓器分接開關的位置自動判斷系統(tǒng)接線錯誤。 采用單片機技術、傳感器技術、 EDA技術、自動控制理論提出智能型變比測試方法，可用于測量各類單、三相變壓器及互感器的組別 (極性 )、變比值及變比誤差，并且一次性完成三相變壓器的三相測量。 biyesheji 3 百手起駕 整理 為您 2 方法和原理 2． 1 變壓比的定義 變壓器的變壓比就是指變壓器不接負載空載運行時，初級線圈的電壓 U1 和次級線圈的電壓 U2的比值，稱為變壓器的變比，即為 2/1 UUK ? （ 21） 單相變壓器的變比是最簡單的變比，等于初級和次級線圈的匝數比，它可表示為 2/12/1 NNUUK ?? （ 22） 三相變壓器的變比就復雜多了，它指的是不同的繞組上的電壓比，由于變壓器的接線方式有所不同，它的變比和線圈的匝數比之間可分為以下幾種情況 （ 1）初級和次級繞組的接線方式相同時，變壓器的變比可表示為 2/1 NNK ? （ 23） （ 2）初級和次級的繞組的接線 方式為 Y/△時，變壓器的變比可表示為 2/13 NNK ? （ 24） （ 3）初級和次級的繞組的接線方式為△ /Y 時，變壓器的變比可表示為? ? 2/13/1 NNK ? （ 25） 2． 2 變壓比的測量方法及結構圖 變壓器變比常用的測量方法有雙電壓表法和變比電橋法。本文采用的是單相電源雙電壓表法。 三相變壓器變比的測量，既可以用三相電源，也可以用單相電源。用三相電源測量相對簡單，而 用單相電源測量時容易發(fā)現(xiàn)故障相。因為當用單相電源測量 Y/△或△ /Y連接的變壓器變比時，三角形繞組的非被測試相應該被短路，這樣可以使非被測試相中沒有磁道，從而使加壓相磁路均勻。 采用單相電源雙電壓表法測量時，單片機自動控制將單相電源連接到被測試相電路，同時對初級和次級信號進行采樣、轉換，單片機同時對兩路信號進行計數，由于測量的同步性好，能夠降低電源電壓穩(wěn)定性的要求，簡化系統(tǒng)結構，降低成本。 biyesheji 4 百手起駕 整理 為您 這個單片機應用系統(tǒng)的硬件主要由前向測量通道、單片機系統(tǒng)和后向測量通道組成。其中前向測量通道設計成一塊電路板，單片機系統(tǒng)電 路和后向測量通道設計成一塊電路板。前向測量通道負責將外界的信號轉換成單片機能夠識別的方式，是單片機的信息輸入通道；單片機系統(tǒng)是核心，負責采集來自兩個通道的數據，進行運算和分析，控制液晶顯示屏顯示測量結果；接收鍵盤的輸入；控制繼電器動作使測量自動進行。后向測量通道是單片機的輸出通道，負責輸出單片機對信息加工、處理的結果。 前向測量通道主要由變壓器的初級、次級電壓信號的檢測、放大、 V/F 轉換等部分構成。變壓器的初級電壓由原邊通道處理，次級電壓由副邊通道處理。 隔離變壓器負責將 220V 市電隔離變壓成 180V 和 6V 兩組測試電源，可以使測試工作更安全。其中 180V 接到被測變壓器的加壓端子，被測變壓器的輸出端接到儀器的副邊通道； 6V接到儀器的原邊通道，該信號乘以 30 就代表 180V 的加壓電壓值，可用于變比計算。 原邊、副邊通道信號經過程控交流放大器放大或衰減到合適的幅度，再經過真有效值轉換器轉換成直流電壓，然后經過 V/F 轉換變成相應頻率的脈沖，再經過高速光藕隔離接到單片機的兩個計數器輸入端，這樣單片機就可以檢測到原邊、副邊通道信號的大小，根據公式計算出變壓器的變壓比。 變比計算公式為： ? ?FXFZLKBB /?? （ 26） 其中 BB為變壓器變比， K為補償系數， L為接線方式系數， FZ 為原邊信號（ 6V）經過真有效值轉換和 V/F 轉換變?yōu)橐欢l率的信號， FX 為副邊信號經過自動放大（衰減）后再經過和原邊一樣的轉換轉變?yōu)橐欢l率的信號。 原邊、副邊通道的信號經過程控交流放大或衰減到合適的幅度后，同時接到過零比較電路，將交流信號轉換成方波，再經光藕隔離接到單片機上，測出原邊、副邊通道信號的相位差，從而測量出變壓器的極性和組別。 繼電器組用于改變放大器的放大倍數和測量中變壓器的測量端子 的切換，控制測量工作的自動進行。 液晶顯示器用來顯示測量過程中輸入和輸出的信息。 鍵盤用來輸入信息，單片機通過 8255 的 I/O 口來掃描鍵盤的按鍵狀態(tài)，從而判斷biyesheji 5 百手起駕 整理 為您 是否有鍵按下，然后執(zhí)行相應的按鍵處理程序。 系統(tǒng)結構如圖 21 隔離變壓器 繼電器切換 A B C 被側變壓器 a b c 次級切換 程控放大 真有效值轉換 V/F 轉換 高速光藕隔離 過零檢測 光藕隔離 真有效值轉換 V/F 轉換 高速光藕隔離 過零檢測 光藕隔離 8255 繼電器組 8255 鍵盤 液晶顯示器 原邊通道 副邊通道 6V 180V T1 單片機 T2 監(jiān)控存儲器 220V biyesheji 6 百手起駕 整理 為您 圖 21 系統(tǒng)結構圖 2． 3 極性和接線組別的判定 1)極性的判定 在單相變壓器中，為了說明繞在同一鐵心上的兩個繞組的感應電勢間的相對關系，引用“極性”的概念。如果兩繞組感應電壓相位相同，則連接 X 和 x 后， UAa=UAX— Uax，則變壓器稱為“減極性”；如果兩繞組感應電壓相位相差 1800，則連接 X和 x后， UAa=UAX+Uax，則變壓器成為“加極性”的。 由于變壓器的繞組在初級和次級間存在著極性關系，當幾個繞組互相連接組合時，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)，都必須知道極性才能正確的進行連接。 本文中通過檢測初級和次級信號的過零點的時間差 Tc來判斷兩者間的相位差 [9]。首先測出初級信號的兩次過零點的時間差 Tg，然后計算出初級信號的周期 T，顯然 T=2Tg；再測出初級和次級信號的過零點的時間差 Tc，則初級和次級信號的相位差為 (Tc/T)3600，當 相位差接近 1800時，可認為變壓器為“加極性”的，當相位差接近 3600或 00時，可認為變壓器為“減極性”的。 2)組別的判定 [10] 三相變壓器除了繞組間有極性關系外，三組繞組的連線方式和引出端子標號不同，其初級繞組和次級繞組對應間的相位差也會改變，不同的相位差代表著不同的接線組別。不管繞組的連線方式和引出端子標志方式怎樣改變，但最終初級、次級間對應的相位差卻只有 12 種不同情況，且都是 300的整數倍，這就像時鐘表面被 12 小時所等分，因此可以按時鐘系統(tǒng)來確定接線組別：相位差為 300的組別稱為 l 點鐘，相位差為 600的組別稱為 2點鐘 ......直至 3600稱為 12 點鐘。 確定變壓器繞組接線組別的方法有直流法、雙電壓表法和相位表法。本文采用的是直流法的改進方法。 biyesheji 7 百手起駕 整理 為您 3 硬件設計 本系統(tǒng)是典型的單片機應用系統(tǒng)，硬件部分主要由前向測量通道、單片機系統(tǒng)電路和后向通道構成。其中前向測量通道設計成一塊電路板，單片機系統(tǒng)電路和后向通道設計成一塊電路板。 前向測量通道負責將外界的信號轉換成單片機能識別的方式，是單片機的信息輸入通道。一般前向測量通道有模擬輸入、開關量輸入、脈沖輸入三種形式。本系統(tǒng)中鍵盤和電路保護信號為開關 量輸入。初級、次級的電壓為模擬信號，經過放大、 V/F 轉變成脈沖輸入，單片機通過 T0、 Tl 同時計數。初級、次級的電壓的處理電路要求低漂移、低噪聲、高線性，在設計印制電路板時要特別注意，否則儀器的精度不能保證，甚至導致整個設計失敗。 后向通道是單片機的輸出通道，負責輸出單片機對信息加工、處理的結果。 3． 1 前向測量通道框圖 前向測量通道主要由變壓器的初級、次級電壓信號的檢測、放大、 V/F 轉換等部分構成。變壓器的初級電壓由原邊通道處理，變壓器的次級電壓副邊通道處理。其結構框圖如圖 31所示 [11]。 隔離變壓 器是將輸入的 220V 市電隔離變壓成 180V 和 6V 兩組測試電源，這樣可以使測試工作更安全。其中 180V 接到被測變壓器的加壓端子，被測變壓器的輸出端子接到儀器的副邊通道； 6V 連接到儀器的原邊通道，該信號乘以 30就代表 180V 的加壓電壓值，可用于變比計算。 原邊、副邊通道信號經過程控交流放大器放大或衰減到合適的幅度，再經過真有效值轉換器轉換成直流電壓，然后經過 V/F 轉換變成相應頻率的脈沖，再經過高速光藕隔離接到單片機的兩個計數器輸入端，這樣單片機就可以檢測到原邊、副邊通道信號的大小，根據公式計算出變壓器的變壓比。 biyesheji 8 百手起駕 整理 為您 原邊、副邊通道信號經過程控交流放大器放大或衰減到合適的幅度后，同時接到過0 比較電路，將交流信號轉換成方波，再經光藕隔離接到單片機，這樣單片機可以測出原邊、副邊通道信號的相位差，從而測量變壓器的極性或組別。 繼電器組用于改變放大器的放大倍數和測量中變壓