【正文】 biyesheji 1 百手起駕 整理 為您 1 引言 1． 1 研究基于單片機(jī)的變壓器變比測(cè)試儀的意義 電力變壓器已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，它的安全性 、 經(jīng)濟(jì)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(guān)系到以后這些設(shè)備在電力系統(tǒng)中能否安全運(yùn)行的問題。 電力技術(shù)的快速發(fā)展能夠帶動(dòng)測(cè)量自動(dòng)化、智能化、精度、易用性的提高。變壓器能否并列運(yùn)行，變壓比起著至關(guān)重要的作用。兩臺(tái)變壓器并聯(lián)時(shí)，如果它們的的變壓比相差 1％時(shí)，在繞組內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生循環(huán)電流，當(dāng)它的值達(dá)到額定電流的 10％時(shí)，變壓器的損耗就會(huì)增大，輸出容量也會(huì)減小 [1]。因此在變壓器出廠、交接、繞組大修后都應(yīng)對(duì)變比進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并把它們的差值限制在一定范圍內(nèi)。 變壓比是變壓器的一個(gè)重要參數(shù)，它的變化與變壓器繞組的變化有密切的關(guān)系。變壓器繞組是變壓器傳輸、變換電能的核心設(shè)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(jié)錯(cuò)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(yùn)行的基本要素。 變比參數(shù)的惡化有可能反映變壓器的一些故障 [2][3][4]。例如：測(cè)量變比可以檢查線圈匝數(shù)是否正確檢；查分接頭焊接質(zhì)量；查明線圈短路、斷路；接線以后分接開關(guān)的故障和錯(cuò)誤；也可以查明分接開關(guān)手柄位置與箱內(nèi)分接開關(guān)對(duì)應(yīng)情況；查出分接引線裝配問題。 目前常用的測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確。但對(duì)構(gòu)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(zhuǎn)換開關(guān)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(dòng)觸點(diǎn)也大大降低了儀器的可靠性。同時(shí)這種方法在實(shí)際使用時(shí)由于需 要調(diào)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(cè)試儀為半自動(dòng)測(cè)量方式：在測(cè)量不同相別的參數(shù)時(shí)，需要手工切換琴鍵開關(guān)，比較麻煩；其顯示輸出為 LED數(shù)碼管顯示器；沒有自帶微型打印機(jī)。該型號(hào)產(chǎn)品biyesheji 2 百手起駕 整理 為您 已逐漸喪失競(jìng)爭(zhēng)力，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能變壓器變比測(cè)試儀的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列要求： (1)進(jìn)一步提高測(cè)量精度，針對(duì)性地解決原產(chǎn)品中的溫漂問題。 (2)測(cè)量中三相相別的切換改為單片機(jī)自動(dòng)控制，取消琴鍵開關(guān)。使用者操作時(shí)只需要按照說明書接好線，然后設(shè)置好接線方式等參數(shù)，就可以自動(dòng)完成整個(gè)測(cè)試過程，在 測(cè)量中無需人工干預(yù)。 (3)顯示方式改為大屏幕液晶點(diǎn)陣顯示器，操作界面采用中文菜單。 (4)自動(dòng)保存最近 20次測(cè)試數(shù)據(jù)。 (5)可以選擇打印本次測(cè)試結(jié)果或歷史測(cè)試結(jié)果。 (6)自動(dòng)識(shí)別分接開關(guān)的位置。 新變比測(cè)試儀的設(shè)計(jì)要求具有一定的前瞻性，采用了當(dāng)前主流技術(shù)，加上國內(nèi)比較低的成本價(jià)格，一定會(huì)有非常廣闊的市場(chǎng)前景。 1． 2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國內(nèi)外變比測(cè)試儀不斷地發(fā)展一般經(jīng)過以下三個(gè)階段： (1)手工測(cè)試階段：測(cè)量過程完全手工化。這種變比測(cè)試儀操作比較繁瑣，計(jì)算量大，效率低下，現(xiàn)在一般不采用了。 (2)半自 動(dòng)化測(cè)試階段：采用單片機(jī)技術(shù)，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(yīng)用比較廣泛。 (3)全自動(dòng)測(cè)試階段：采用單片機(jī)及先進(jìn)的控制技術(shù)，測(cè)試過程高度自動(dòng)化，測(cè)試中無需人工干預(yù)，速度快，測(cè)量結(jié)果精度高，人機(jī)界面好，通過點(diǎn)陣式 LCD顯示菜單和數(shù)據(jù)，可選擇打印測(cè)試結(jié)果或歷史數(shù)據(jù)。這是目前最先進(jìn)的變比測(cè)試儀，是電力行業(yè)更新?lián)Q代變比測(cè)試儀器的方向。 新式變比速測(cè)儀還采用了以下先進(jìn)的的測(cè)量技術(shù)： (1)儀器自動(dòng)調(diào)零：儀器上電時(shí)會(huì)執(zhí)行初始化程序，測(cè)出并記住零漂值，在后面的測(cè)試計(jì)算中自動(dòng)補(bǔ)償，從而減小其 影響。 (2)高智能化：自動(dòng)判斷變壓器分接開關(guān)的位置自動(dòng)判斷系統(tǒng)接線錯(cuò)誤。 采用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、 EDA技術(shù)、自動(dòng)控制理論提出智能型變比測(cè)試方法，可用于測(cè)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(cè)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(fù)載空載運(yùn)行時(shí)，初級(jí)線圈的電壓 U1 和次級(jí)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(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)比，它可表示為 2/12/1 NNUUK ?? （ 22） 三相變壓器的變比就復(fù)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(shù)比之間可分為以下幾種情況 （ 1）初級(jí)和次級(jí)繞組的接線方式相同時(shí)，變壓器的變比可表示為 2/1 NNK ? （ 23） （ 2）初級(jí)和次級(jí)的繞組的接線 方式為 Y/△時(shí)，變壓器的變比可表示為 2/13 NNK ? （ 24） （ 3）初級(jí)和次級(jí)的繞組的接線方式為△ /Y 時(shí)，變壓器的變比可表示為? ? 2/13/1 NNK ? （ 25） 2． 2 變壓比的測(cè)量方法及結(jié)構(gòu)圖 變壓器變比常用的測(cè)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(cè)量，既可以用三相電源，也可以用單相電源。用三相電源測(cè)量相對(duì)簡單，而 用單相電源測(cè)量時(shí)容易發(fā)現(xiàn)故障相。因?yàn)楫?dāng)用單相電源測(cè)量 Y/△或△ /Y連接的變壓器變比時(shí)，三角形繞組的非被測(cè)試相應(yīng)該被短路，這樣可以使非被測(cè)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(cè)量時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)控制將單相電源連接到被測(cè)試相電路，同時(shí)對(duì)初級(jí)和次級(jí)信號(hào)進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，單片機(jī)同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于測(cè)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(jié)構(gòu)，降低成本。 biyesheji 4 百手起駕 整理 為您 這個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件主要由前向測(cè)量通道、單片機(jī)系統(tǒng)和后向測(cè)量通道組成。其中前向測(cè)量通道設(shè)計(jì)成一塊電路板，單片機(jī)系統(tǒng)電 路和后向測(cè)量通道設(shè)計(jì)成一塊電路板。前向測(cè)量通道負(fù)責(zé)將外界的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的方式，是單片機(jī)的信息輸入通道；單片機(jī)系統(tǒng)是核心，負(fù)責(zé)采集來自兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算和分析，控制液晶顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果；接收鍵盤的輸入；控制繼電器動(dòng)作使測(cè)量自動(dòng)進(jìn)行。后向測(cè)量通道是單片機(jī)的輸出通道，負(fù)責(zé)輸出單片機(jī)對(duì)信息加工、處理的結(jié)果。 前向測(cè)量通道主要由變壓器的初級(jí)、次級(jí)電壓信號(hào)的檢測(cè)、放大、 V/F 轉(zhuǎn)換等部分構(gòu)成。變壓器的初級(jí)電壓由原邊通道處理，次級(jí)電壓由副邊通道處理。 隔離變壓器負(fù)責(zé)將 220V 市電隔離變壓成 180V 和 6V 兩組測(cè)試電源，可以使測(cè)試工作更安全。其中 180V 接到被測(cè)變壓器的加壓端子，被測(cè)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(hào)乘以 30 就代表 180V 的加壓電壓值，可用于變比計(jì)算。 原邊、副邊通道信號(hào)經(jīng)過程控交流放大器放大或衰減到合適的幅度，再經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后經(jīng)過 V/F 轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)頻率的脈沖，再經(jīng)過高速光藕隔離接到單片機(jī)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器輸入端，這樣單片機(jī)就可以檢測(cè)到原邊、副邊通道信號(hào)的大小，根據(jù)公式計(jì)算出變壓器的變壓比。 變比計(jì)算公式為： ? ?FXFZLKBB /?? （ 26） 其中 BB為變壓器變比， K為補(bǔ)償系數(shù)， L為接線方式系數(shù)， FZ 為原邊信號(hào)（ 6V）經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換和 V/F 轉(zhuǎn)換變?yōu)橐欢l率的信號(hào)， FX 為副邊信號(hào)經(jīng)過自動(dòng)放大（衰減）后再經(jīng)過和原邊一樣的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的信號(hào)。 原邊、副邊通道的信號(hào)經(jīng)過程控交流放大或衰減到合適的幅度后，同時(shí)接到過零比較電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，再經(jīng)光藕隔離接到單片機(jī)上，測(cè)出原邊、副邊通道信號(hào)的相位差，從而測(cè)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(shù)和測(cè)量中變壓器的測(cè)量端子 的切換，控制測(cè)量工作的自動(dòng)進(jìn)行。 液晶顯示器用來顯示測(cè)量過程中輸入和輸出的信息。 鍵盤用來輸入信息，單片機(jī)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(yīng)的按鍵處理程序。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 隔離變壓器 繼電器切換 A B C 被側(cè)變壓器 a b c 次級(jí)切換 程控放大 真有效值轉(zhuǎn)換 V/F 轉(zhuǎn)換 高速光藕隔離 過零檢測(cè) 光藕隔離 真有效值轉(zhuǎn)換 V/F 轉(zhuǎn)換 高速光藕隔離 過零檢測(cè) 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(jī) T2 監(jiān)控存儲(chǔ)器 220V biyesheji 6 百手起駕 整理 為您 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)繞組的感應(yīng)電勢(shì)間的相對(duì)關(guān)系，引用“極性”的概念。如果兩繞組感應(yīng)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(yīng)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(jí)和次級(jí)間存在著極性關(guān)系，當(dāng)幾個(gè)繞組互相連接組合時(shí)，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)，都必須知道極性才能正確的進(jìn)行連接。 本文中通過檢測(cè)初級(jí)和次級(jí)信號(hào)的過零點(diǎn)的時(shí)間差 Tc來判斷兩者間的相位差 [9]。首先測(cè)出初級(jí)信號(hào)的兩次過零點(diǎn)的時(shí)間差 Tg，然后計(jì)算出初級(jí)信號(hào)的周期 T，顯然 T=2Tg；再測(cè)出初級(jí)和次級(jí)信號(hào)的過零點(diǎn)的時(shí)間差 Tc，則初級(jí)和次級(jí)信號(hào)的相位差為 (Tc/T)3600，當(dāng) 相位差接近 1800時(shí)，可認(rèn)為變壓器為“加極性”的，當(dāng)相位差接近 3600或 00時(shí)，可認(rèn)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(guān)系外，三組繞組的連線方式和引出端子標(biāo)號(hào)不同，其初級(jí)繞組和次級(jí)繞組對(duì)應(yīng)間的相位差也會(huì)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(biāo)志方式怎樣改變，但最終初級(jí)、次級(jí)間對(duì)應(yīng)的相位差卻只有 12 種不同情況，且都是 300的整數(shù)倍，這就像時(shí)鐘表面被 12 小時(shí)所等分，因此可以按時(shí)鐘系統(tǒng)來確定接線組別：相位差為 300的組別稱為 l 點(diǎn)鐘，相位差為 600的組別稱為 2點(diǎn)鐘 ......直至 3600稱為 12 點(diǎn)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(jìn)方法。 biyesheji 7 百手起駕 整理 為您 3 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，硬件部分主要由前向測(cè)量通道、單片機(jī)系統(tǒng)電路和后向通道構(gòu)成。其中前向測(cè)量通道設(shè)計(jì)成一塊電路板，單片機(jī)系統(tǒng)電路和后向通道設(shè)計(jì)成一塊電路板。 前向測(cè)量通道負(fù)責(zé)將外界的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的方式，是單片機(jī)的信息輸入通道。一般前向測(cè)量通道有模擬輸入、開關(guān)量輸入、脈沖輸入三種形式。本系統(tǒng)中鍵盤和電路保護(hù)信號(hào)為開關(guān) 量輸入。初級(jí)、次級(jí)的電壓為模擬信號(hào)，經(jīng)過放大、 V/F 轉(zhuǎn)變成脈沖輸入，單片機(jī)通過 T0、 Tl 同時(shí)計(jì)數(shù)。初級(jí)、次級(jí)的電壓的處理電路要求低漂移、低噪聲、高線性，在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)要特別注意，否則儀器的精度不能保證，甚至導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)失敗。 后向通道是單片機(jī)的輸出通道，負(fù)責(zé)輸出單片機(jī)對(duì)信息加工、處理的結(jié)果。 3． 1 前向測(cè)量通道框圖 前向測(cè)量通道主要由變壓器的初級(jí)、次級(jí)電壓信號(hào)的檢測(cè)、放大、 V/F 轉(zhuǎn)換等部分構(gòu)成。變壓器的初級(jí)電壓由原邊通道處理，變壓器的次級(jí)電壓副邊通道處理。其結(jié)構(gòu)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(cè)試電源，這樣可以使測(cè)試工作更安全。其中 180V 接到被測(cè)變壓器的加壓端子，被測(cè)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(hào)乘以 30就代表 180V 的加壓電壓值，可用于變比計(jì)算。 原邊、副邊通道信號(hào)經(jīng)過程控交流放大器放大或衰減到合適的幅度，再經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后經(jīng)過 V/F 轉(zhuǎn)換變成相應(yīng)頻率的脈沖，再經(jīng)過高速光藕隔離接到單片機(jī)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器輸入端，這樣單片機(jī)就可以檢測(cè)到原邊、副邊通道信號(hào)的大小，根據(jù)公式計(jì)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(hào)經(jīng)過程控交流放大器放大或衰減到合適的幅度后，同時(shí)接到過0 比較電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，再經(jīng)光藕隔離接到單片機(jī)，這樣單片機(jī)可以測(cè)出原邊、副邊通道信號(hào)的相位差，從而測(cè)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(shù)和測(cè)量中變壓