电力变压器容量损耗测试仪的设计研究
电力变压器容量损耗测试对于变压器制造单位的出厂试验,以及电力部门有效降低线损、防止高耗变压器进入电网有着重要的意义。为此, 设计了一种用于电力变压器的空载及负载试验的容量损耗测试仪。该仪器所测的直接参数是三相电压、三相电流、三相功率及试验电源的频率。空载试验时根据所测数据计算出平均电压、平均电流、总功率、空载电流和校正后的空载损耗;负载试验时根据测量值计算出短路阻抗、短路损耗以及在额定电流下折算到75 ℃参考温度时的短路损耗;基于软件查表功能的设计,按照有关标准进行被测变压器的容量判别[1-2] 。该仪器集多种试验方式于一体,提供了二表法和三表法试验。为适合直接测量和通过互感器测量,仪器的电压测量范围为0～500 V(125 V 与500 V 量程自动转换);电流测量范围为0 ～60 A(6 A与60 A 两个量程)。在设计中结合先进芯片技术和软件智能同步采样测量策略,使仪器的电压电流和功率的测量精度大为提高。
变压器容量及损耗测试仪具有以下特点:仪器对三相电压电流同时采样;基于旋转式光电编码器和液晶显示屏的人机交互界面简洁而;可编程计数器阵列PCA“捕获”信号的过零点用于双向过零平均鉴相,得到准确的相位差和周期;基于实时参数自寻优的软件同步采样,有效地减小了周期截断误差,提高了测量准确度;数字化功率测量引入了传统的二表法和三表法,扩展了仪器的使用范围;实际容量根据负载损耗用软件查表的方法来判别;测量值已从试验温度折算到了参考温度(75 ℃)时的值。
1 系统结构与工作原理
就测试仪的基本功能而言,实际上是一种对低功率因数的空载损耗和负载损耗进行采样计算式测量的数字仪器。系统由三相电压电流传感器单元、信号调理单元、A/ D 转换单元、微处理器、人机交互显示单元、上位机通信单元、扩展存储器单元和微型打印机驱动单元等几部分构成,如图1 所示。模拟信号经过传感器隔离变换后进入信号调理单元,进行滤波和放大。调理后的信号送A/ D 转换器MAX125 进行模数转换。取三相电压电流信号的六路过零点送微处理器作为相位捕获。人机交互接口由液晶显示屏和高速旋转鼠标形成的指令输入器构成。微型热敏打印机用于试验结果的打印。另外,通过串口芯片MAX202 构成简易RS232 接口,可以将测量数据传送给上位机。
1 .1 微处理器选择
微处理器的选择要使片内资源能适合系统的需求。选择philips 公司的P89C51RD2 增强型单片微计算机,片内具有5 模块可编程计数阵列PCA 用于频率和相位的精密测量;硬件看门狗计数器WDT,防止程序跑飞的自复位; 64 K 程序存储器,满足了大容量复杂程序和屏显汉字编码的存储;其增强型内核、引脚排列、指令系统都与增强型MCS-51 芯片保持100 % 兼容,加快了研发的进度。
1 .2 传感器和信号的前置处理
测试仪的三相电压信号和三相电流信号由微型精密电压传感器和电流互感器引入。图2 所示的是截于工程原理图的A 相电压信号的前置处理单元,图2 中VT1 是PT43DO01 型无源交流电压隔离传感器模块,将被测交流电压隔离转换成同频同相的交流电流信号(隔离电压达3 kV/ min),模块是通过从输入回路索取1 mA 电流来达到测量目的的, 具有0 .08 % 的线性度。图中375 kΩ 的R120 和125kΩ 的R101 是模块输入信号的定标电阻,按1 000Ω/ V 配置, 加在定标电阻上的信号由微型继电器K1 在125 V 和500 V 量程间切换; 模块的输出为跟踪电流源输出,满度标称输出为1 mA, R9 是其采样电阻, 满度值为1 .5 V。图2 中U3 是集成运放OP07,接成同相放大的形式,将被测信号尺度定标后送A/ D 模数转换。两个量程的放大反馈电阻是R3 和R4, U1 是3 二选一CMOS 模拟开关CD4053,将U3 运放同相放大电路的电流汇集点移至模拟开关的输入端,也就是说,将用于量程切换的模拟开关接入同相放大运放电路电流汇集点的内侧,这样,模拟开关的导通电阻Ron 将被归并入运放的输入电阻,运放本身的高输入阻抗使Ron 得以忽略。U6 是比较器LM311,在交流信号的过零时刻翻转,供单片机的PCA 捕获,得到频率和相位。
B 相和C 相电压信号的前置处理单元和图2 所示是一样的。三相电流信号的前置处理单元的原理也与此类似,只不过将其中的无源交流电压隔离传感器换成无源交流电流隔离传感器, 50 A 和5 A的电流隔离传感器CT53C101 和CT53C902, 均能在10 % ～120 % 的标称输入时保持0 .08 % 的线性度,满度输出分别为25 mA 和5 mA。
1 .3 A/ D 转换器MAX125 的操作
为了保证对三相电压、电流同时采样,以消除由非同时采样带来的电压和电流的角度差,选用2 片MAX 公司的MAX125 作为A/ D 转换器件。MAX125 是内部带有同时采样保持器的高速2×4通道14 bit 位数据采集芯片,其每通道的转换时间为3 μs,由于其本身集成了多路开关和采样保持器,也使硬件电路得到了简化, 提高了可靠性。但MAX125 是14 位并行数据总线结构, 单片机P89C51RD2 则是8 位数据总线接口, 它们不能直接相连, 所以要设计一个扩展电路, 如图3 所示(图3 是截于工程原理图的A/ D 转换器接口电路)。扩展接口由数据锁存器U5 (74HC573)、数据缓冲器U4 ( 74HC245 )、可编程逻辑器件U10(ATF16V8) 等构成。将2 片MAX125 的14 根数据线D0～D13、读有效线RD、写有效线WR以及转换启动命令线CONVST 都并联在一起, 对不同MAX125 的读写操作可有其对应的片选线ADCS1和ADCS2来区分。数据缓冲器74HC245 是双向器件,数据传送方向由引脚1 DIR 控制,DIR 为低电平时,单片机向MAX125 写入初始化命令;DIR 为高电平时,单片机从MAX125 读入模数转换的结果。
对采样三相电压三相电流的2 片MAX125 是这样操作的: 拉低CONVST,同时启动电压和电流的A/ D 转换;转换完成信号ADINT 可由电压通道MAX125 给出,单片机被ADINT由高变低中断后,开始读取电压数据。首先译码输出ADCS1为低,选通电压通道MAX125 , 同时RD为低, 这样14 位数据并行输出, 其中D8 ～D13 高6 位数据被锁存到数据锁存器74HC573 中,而低8 位数据通过缓冲器74HC245 直接被读入到P89C51RD 内存中; 之后单片机进入第二次读操作, 此次不选通MAX125即ADCS1保持为高电平, 而选通74HC573 (其OC脚和C 脚均为低),这样将高6 位数据读入到内存中, 完成一个采样结果的读取工作。后面的数据同此操作也可读入到内存中。当3 路电压数据( A、B、C 三相) 都读入内存后, P89C51RD 再译码输出ADCS2为低,选通电流通道的MAX125,接下去的操作同电压转换数据的读取。如图3 所示, 以上各个芯片,以及LCD 显示屏和微型打印机的选通操作,都由可编程逻辑器件U10(ATF16V8)对单片机地址总线的高4 位和读写线的译码来完成。
1 .4 人机界面中的指令输入器
变压器容量及损耗测试仪采用大屏幕(320× 240 点阵)液晶显示器和高速旋转鼠标构成人机交互界面。菜单严格分级,逐步引导操作,只需要开机,仪器提供的菜单就会引导完成所需要的试验。所谓旋转鼠标, 其实就是一种旋转式光电编码开关,作为指令输入器,它有“左旋”、“ 右旋”和“ 按下选定”3 种操作,可用于菜单选项的选择和选定,以及数字的设定和输入。图4是一种光电编码开关的外形图,其接口信号的编码对应着2 位循环码(格雷码),循环码的特点是由一个计数状态变到下一个计数状态的过程中, 只有一位数码变化,因此在循环码的译码器中,不会产生竞争冒险现象。但循环码不能用二进制计算来判別大小和顺序,所以要判別光电编码开关是“ 左旋”还是“右旋”时,要引入接口信号现状态和前状态进行分支逻辑判断,软件编程稍稍复杂一点。旋转式光电编码开关的输入逻辑与单片机的外中断口相连,在软件中精心设计中断服务程序,无论指令输入还是数字设定,均可高速操作,且手感也好。这种旋转式光电编码开关很适合于在智能仪器中用来作为人机交互的指令输入器 。
