【導(dǎo)讀】取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任。何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢。獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的。法律后果由本人承擔。論文被查閱和借閱。同時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文

　　

【正文】 相關(guān)系數(shù) 通過查表 ，便可知變壓器是否變形以及變形程度。 表 相關(guān)系數(shù)的參考數(shù)據(jù) 繞組變形程度 相關(guān)系數(shù) R 嚴重變形 ? 明顯變形 ??或 ? 輕度變形 ??或 ?? 正常繞組 ? 和 ? 和 ? 注 ： LFR 為曲線在低頻段 (1kHz～ 100kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù) ； MFR 為曲線在中頻段 (100kHz～ 600kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù) ； HFR 為曲線在高頻段 (600kHz～ 1000kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了國內(nèi)外測試繞組變形的幾種方法，并對這幾種方法進行了比較，確定了測試變壓器繞組變形的最佳方案，并對這種方案進行了較為詳細的分析。本章最后還介紹了一種輔佐性判斷繞組變形的方法。 變壓器繞組變形檢測裝置研究與設(shè)計 12 第 3 章 變壓器繞組變形檢測裝置 硬件設(shè)計 引言 本章 基于 CY7C68013設(shè)計了變壓器繞組變形檢測裝置，并詳細介紹了該系統(tǒng)的具體硬件實現(xiàn)方案以及關(guān)鍵部分的設(shè)計方法 ，并 通過模擬 實驗驗證 變壓器繞組變形檢測裝置 中的各個模塊 是否 達到 測試指標 [19]。 研究內(nèi)容 測試指標 根據(jù) DL/T911－ 20xx《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》行業(yè)標準 ，結(jié)合技術(shù)條件，確定本課題實現(xiàn)的 繞組變形 測試儀的參數(shù)如下： （ 1） 測量頻率范圍： 1kHz～ 2MHz； （ 2） 掃頻檢測方式 ： 采用線性分布的掃頻檢測 方式 ； （ 3） 掃描頻率精確度 ： 信號源輸出正弦波信號的頻率精確度應(yīng)不大于 %；（ 4） 掃描頻率間隔 ： 掃描頻率的間隔應(yīng)小于 2kHz； （ 5） 阻抗匹配方式 ： 檢測儀器應(yīng)具備一個正弦波激勵信號輸出端和兩個獨立的信號檢測端。其中，正弦波信號源 US的輸出阻抗 RS應(yīng)為 50Ω ，且輸出端應(yīng)通過同軸屏蔽電纜直接與被測變壓器繞組的激勵端連接 ； 兩個獨立信 號檢測端的輸入阻抗不應(yīng)低于 1MΩ ，且應(yīng)通過同軸屏蔽電纜分別連接到 被測變壓器繞組的激勵端和響應(yīng)端，并在被測繞組的響應(yīng)端連接 50Ω 的匹配電阻 R； （ 6） 所使用的同軸屏蔽電纜的 波阻抗應(yīng)為 50Ω ，電纜長度宜為 15m20m； （ 7） 檢測精確度 ： 檢測儀器應(yīng)具備 l00dB～ 20dB 的動態(tài)檢測范圍， 且在80dB～ 2OdB 范圍內(nèi)的檢測精確度應(yīng)小于 177。 1dB； （ 8） 選頻濾波特性 ： 檢測儀器應(yīng)具備選頻濾波功能，通頻帶的寬度應(yīng)小于選頻濾波器中心頻率的 5%； （ 9） 數(shù)據(jù)存儲格式 ： 應(yīng)采用純文本格式保存檢測數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)的傳遞和比較 ； （ 10） 輸出電壓： 10VPP（ 50Ω）； （ 11） 模擬輸出通道數(shù)： 1； （ 12） 模擬輸入通道數(shù)： 2； （ 13） 采樣頻率： 50MSPS。 系統(tǒng)設(shè)計 碩士學(xué)位論文 13 根據(jù)確定 的測量方法 和規(guī)定的指標 ，系統(tǒng)的組成及原理方框圖如圖 所示。 基 于 D D S技 術(shù) 的 掃頻 信 號調(diào) 理電 路試 品A / D( 1 )F I F O( 1 )基 于 D D S技 術(shù) 的A / D 控 制信 號調(diào) 理電 路A / D( 2 )F I F O( 2 )M C U( U S B )( 藍 牙 )P CC P L D調(diào) 理電 路 圖 系統(tǒng)的組成及原理方框圖 根據(jù)頻率響應(yīng)傳遞函數(shù) ： H(f)=20Log(Vo(f)/Vi(f))， 設(shè)計的硬件系統(tǒng)原理方框圖如圖 。 根據(jù)信號的流向， 先來介紹上路 ： 首先由系統(tǒng)中 基于 DDS技術(shù)的掃頻信號 電路產(chǎn)生正弦波掃頻信號， 此正弦波信號最大輸出電壓為 ，達不到測量指標的要求，且在 5V電源供電情況下的功率為 380mW。其 驅(qū)動能力 低，需要經(jīng)過功率放大器放大才能作為變壓器的輸入測 量信號，然后把此測量信號加到變壓器的任一繞組的一個端口，再分別測量 該繞組兩個端口的對地電壓 Vo(f)、Vi(f)。變壓器兩個端口的對地電壓數(shù)據(jù) 分別 用兩片 12位 A/D芯片采集 ，采集過程中把數(shù)據(jù)緩沖到 FIFO中，同時通過單片機 MCU（ USB芯片 ）把 A/D芯片采集的樣本數(shù)據(jù)從 FIFO中取出并通過 USB接口傳給 PC機 。 改變掃頻信號的頻率 并 依次把 掃頻信號 加在變壓器的一端 ,同時檢測該頻率 下繞組兩端的對地電壓信號 Vi(f)和Vo(f),對數(shù)據(jù)經(jīng)過運算將得到該頻率下的幅頻值 H(f)， 便可獲得試品的一系列幅頻值 。 再由 LabVIEW軟件來處理并顯示整條幅頻曲線。對比變壓器投入使用前的幅頻曲線和變壓器變形后的幅頻曲線便可判斷變壓器繞組變形情況 [4]。 對于下路 ， 由基于 DDS技術(shù)的 A/D控制信號 電路和 CPLD芯片組合產(chǎn)生 A/D芯片的時鐘 信號 。 FIFO工作開始信號也由 CPLD來控制 。于此 同時 CPLD還用來計數(shù)，并把計數(shù) 結(jié)束信號告知 MCU。 系統(tǒng)中采用 CY7C68013A128AXC，作為 USB芯片來實現(xiàn)對上位機的通訊，為了方便在現(xiàn)場測量 還采用藍牙模塊 作為輔助手段 實現(xiàn)無線通訊。 在實現(xiàn) USB芯片和LabVIEW軟件通訊前，需要編寫動態(tài)鏈接庫（ DLL）作為他們之間的接口程序。 最后 用 LabVIEW軟件對采集的數(shù)據(jù)處理， 實現(xiàn)直觀的圖形界面，便于對變壓器繞組是否變形進行判斷 。 以下是對各個模塊做出詳細的介紹。 DDS 掃頻信號發(fā)生電路 根據(jù) DL/T911－ 20xx《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》行業(yè)標準 ，變壓器繞組變形檢測裝置研究與設(shè)計 14 對掃頻信號發(fā)生器的設(shè)計如下： 掃頻信號是由 AD9850芯片產(chǎn)生。 AD9850采用有源晶振，頻率最高可達晶振頻率的二分之一，且 分辨率可達 1Hz，可以產(chǎn)生在 1kHz～ 2MHz頻率段中的 任一頻率的正弦波信號 [21]。 AD9850 芯片采用的是 DDS 技術(shù)。其原理圖如圖 。 DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過 DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種 DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速 DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。常見的 DDS系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、 D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步 DDS各組成部分的工作。 f0 =(Phase*fc)/232 （ ） 其中： f0 是輸出頻率 Phase 是頻率控制字 fc（ 40MHz）是參考頻率 相 位控 制 字頻 率控 制 字相 位寄 存 器∑ ∑正 弦查 詢 表D A C L F P微 控制 器時 鐘 f c輸 出 頻 率 f o 圖 AD9850 內(nèi)部原理圖 把正弦波信號接入內(nèi)部高速比較器， 可 產(chǎn)生方波信號。 AD9850有 40位控制字， 32位用于頻率控制， 5位用于相位控制， 1位用于電源休眠控制， 2位用于選擇工作方式。這 40位控制字可通過并行方式或串行方式加載到 AD9850。 圖 AD9850的并行接口電路 圖。 在并行方式下， MCU通過 PB口連接 AD9850的 8位總線 D0～ D7并將外部控制字輸入到寄存器，在 W_CLK的上升沿裝入第一個字節(jié)，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù) 5個 W_CLK的上升沿讀入 5個字節(jié)數(shù)據(jù)到輸入寄存器后， W_CLK的邊沿就不再起作用。然后在 FQ_UD上升沿到來時將這 40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率 /相位寄存器，這時 DDS輸出頻率和相位更新一次，同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器以等待下一次的頻率 /相位控制字輸入。輸入需要的頻率控制字，就對應(yīng)輸出相應(yīng)頻率的正弦波信號。改變頻率控制字便 可以產(chǎn) 生在 1kHz～ 2MHz頻率段中的任一頻率的正弦波信號 且步長碩士學(xué)位論文 15 可為 1Hz。實驗說明，完全滿足測量指標。 圖 AD9850 的并行接口電路圖 A/D 芯片的時鐘：根據(jù)采樣定理， A/D 芯片的時鐘頻率會幾倍 甚至千倍于掃頻信號的頻率。然而，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當芯片 AD9850 輸出的信號頻率到達10MHz 時，波形會有毛刺出現(xiàn)，還會有寄生波形，自行設(shè)計的低通濾波器截止頻率又難以達到兆級，所以只用 AD9850 芯片很難達到要求，然而利用 CPLD 芯片采用倍頻技術(shù)能避開低通濾波器的 設(shè)計且能很好的解決此問題 ，在 節(jié)中將具體介紹 CPLD 的應(yīng)用 。 調(diào)理電路的設(shè)計 對于圖 中試品前級的 兩個 調(diào)理電路設(shè)計過程如下： 圖 電壓放大電路 變壓器繞組變形檢測裝置研究與設(shè)計 16 根據(jù)測試指標， 要求掃頻信號 輸出電壓： 10VPP（ 輸出阻抗 50Ω） 。 而 本文中，AD9850芯片輸出的正弦波 信號 最大輸出電壓為 ，最大輸出電流為 30mA。 所以掃頻信號 發(fā)生電路需要 有電壓 放大 電路模塊 ， AD9850芯片輸出的正弦波 信號在高頻段有毛刺出現(xiàn)，且波形不平滑，需要濾波后 才能送 A/D轉(zhuǎn)換器 ，才能保證測量精度，因此需要設(shè)計一個濾波電路模塊 。 而 系統(tǒng)要求的掃頻信號頻率范圍為1kHz～ 2MHz， 因此需要設(shè)計一個寬頻帶放大器 模塊 。 掃頻信號要驅(qū)動負載，因此要設(shè)計一個功率放大模塊。 圖 ， 前兩個 二極管 組成的 電路 是 二級 直接耦 合 放大 器電路 ，其帶寬為 20MHz，第二級采用 PNP型晶體管，這種電路適合提高電源電壓的利用率。各級開環(huán)增益為 20dB，兩級帶寬放大器構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋電路。 正弦波信號經(jīng)過電壓放大便可送入濾波電 路模塊進行濾波。 圖 濾波電路 圖 為本課題設(shè)計的無源低通濾波器，其截至頻率是 10MHz。此濾波器可有效的濾除高次諧波。 圖 帶寬放大器模塊 AD9850 芯片輸出的正弦波信號電壓隨著輸出頻率的變化而變化，而圖 是一個具有固定增益的放大電路，而且濾波電路的 增益也隨著頻率的變化而變化。 因此 采用可變增益放大器 AD6O3 集成芯片 設(shè)計的帶寬放大器 ， 通過用單片機控制 便 可以輸出 帶寬為 20MHz、 10VPP 的穩(wěn)定電壓 。 如圖 所示。 碩士學(xué)位論文 17 圖 功率放大模塊 功率放大模塊核心器件是 電流反饋型運放 THS3091，如圖 所示。 THS3O91具有高達 7300V/us 的擺率，帶寬不小于 2OMHz，采用士 18V 供電。其最大輸出電流為 25OmA。 測試指標 要求的 輸出 為 10VPP 的電壓 ，本系統(tǒng)中功率放大模塊 采用兩片 THS3091 并聯(lián)，每片 THS3091 為負載提供一半電流 ，使之輸出符合測試指標的穩(wěn)定電壓。此功率放大模塊的 輸出阻抗為 50Ω。 對于圖 中試品 后級 的調(diào)理電路設(shè)計過程如下： 后級的 調(diào)理電路中與前級的調(diào)理電路設(shè)計情況 基本 相同，只是沒有功率 放大模塊。其他電路在 原有電路基礎(chǔ)上修改參數(shù) 使得 ADC 能夠識別 二次側(cè)的 輸出電壓信號即可。 高速 A/D 轉(zhuǎn)換 電路的設(shè)計 本課題要求高精度測量掃頻信號，設(shè)計中對不同頻率對應(yīng)的輸入電壓和輸出電壓采用 12 位高速 A/D 采樣。輸入掃頻信號是一個頻率可改變的正弦波信號，根據(jù) DL/T911－ 20xx《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》 ，系統(tǒng)要求的掃頻信號頻率范圍為 1kHz～ 2MHz。設(shè)計中需要采樣速度也隨掃頻信號頻率的改變而相應(yīng)的改變，且在不同頻率段選擇合適的采樣樣本數(shù)，使系統(tǒng)整個測量結(jié)果更加精確。本課題采用 CPLD 芯片控制兩片 A/D 芯片的采樣速度，不但能控制 A/D芯片的采樣速度，而且能使兩片 A/D 芯片同步采樣。 在模擬信號的時間離散化過程中，采樣定理占有十分重要的地位，因為它回答了在什么情況下原信號與采樣信號才具有一一對應(yīng)的關(guān)系。 時域采樣定理：采樣頻率大于活等于采樣信號的最高頻率 fm 的兩倍時，一個頻譜受限信號可以用采樣信號唯一的表示出來。 通常把最低的允許采樣頻率（ fs=2fm）稱為奈奎斯特頻率，而把最大的允許采樣時間間隔（ Ts=1/2fm）稱為奈奎斯特時間常數(shù)。 當采樣頻率 fs2fm 時，會發(fā)生頻譜“混疊效 應(yīng)”。這是因為，從頻域上看，變壓器繞組變形檢測裝置研究與設(shè)計 18 假定組成信號的最高頻率成分為 fm，則由于有限一長采樣造成的能量泄漏，會使本該單一譜線的頻率成分分散開來，形成連續(xù)譜。該連續(xù)譜以 fs 為周期。在本系統(tǒng)中，由于采用了 CPLD 技術(shù)，使得 fs=2fm，保證了整個采樣的精度。 系統(tǒng)中確定對不同頻率點的采樣樣本數(shù)。中頻段，對變壓器的輸入輸出需要采集較多的數(shù)據(jù)，而高頻和低頻可相應(yīng)減少。在高頻段，考慮到 A/D 的速度和采集的數(shù)據(jù)量，輸入 2MHz 正弦波的時每個周期采集 4 個點左右，則需要 8MSPS 的A/D，考慮余量后選取 50MSPS 的 12 位的 A/D。 由于變壓器的故障大多出現(xiàn)在中頻段，所以可以適當?shù)脑黾硬蓸狱c數(shù)，使中頻段測量更加準確，而低頻段， A/D速度完全滿足可以適當選則采樣速度和樣本數(shù)量。 結(jié)合系統(tǒng)對 A/D 轉(zhuǎn)換電路的要求，選用 AD9226 作為本設(shè)計的 A