電力變壓器容量損耗測試對于變壓器制造單位的出廠試驗,以及電力部門有效降低線損、防止高耗變壓器進入電網(wǎng)有著重要的意義。為此, 設(shè)計了一種用于電力變壓器的空載及負載試驗的容量損耗測試儀。該儀器所測的直接參數(shù)是三相電壓、三相電流、三相功率及試驗電源的頻率?？蛰d試驗時根據(jù)所測數(shù)據(jù)計算出平均電壓、平均電流、總功率、空載電流和校正后的空載損耗;負載試驗時根據(jù)測量值計算出短路阻抗、短路損耗以及在額定電流下折算到75 ℃參考溫度時的短路損耗;基于軟件查表功能的設(shè)計,按照有關(guān)標準進行被測變壓器的容量判別[1-2] 。該儀器集多種試驗方式于一體,提供了二表法和三表法試驗。為適合直接測量和通過互感器測量,儀器的電壓測量范圍為0～500 V(125 V 與500 V 量程自動轉(zhuǎn)換);電流測量范圍為0 ～60 A(6 A與60 A 兩個量程)。在設(shè)計中結(jié)合*芯片技術(shù)和軟件智能同步采樣測量策略,使儀器的電壓電流和功率的測量精度大為提高。

變壓器容量及損耗測試儀具有以下特點:儀器對三相電壓電流同時采樣;基于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器和液晶顯示屏的人機交互界面簡潔而;可編程計數(shù)器陣列PCA“捕獲”信號的過零點用于雙向過零平均鑒相,得到準確的相位差和周期;基于實時參數(shù)自尋優(yōu)的軟件同步采樣,有效地減小了周期截斷誤差,提高了測量準確度;數(shù)字化功率測量引入了傳統(tǒng)的二表法和三表法,擴展了儀器的使用范圍;實際容量根據(jù)負載損耗用軟件查表的方法來判別;測量值已從試驗溫度折算到了參考溫度(75 ℃)時的值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

    　　就測試儀的基本功能而言,實際上是一種對低功率因數(shù)的空載損耗和負載損耗進行采樣計算式測量的數(shù)字儀器。系統(tǒng)由三相電壓電流傳感器單元、信號調(diào)理單元、A/ D 轉(zhuǎn)換單元、微處理器、人機交互顯示單元、上位機通信單元、擴展存儲器單元和微型打印機驅(qū)動單元等幾部分構(gòu)成,如圖1 所示。模擬信號經(jīng)過傳感器隔離變換后進入信號調(diào)理單元,進行濾波和放大。調(diào)理后的信號送A/ D 轉(zhuǎn)換器MAX125 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。取三相電壓電流信號的六路過零點送微處理器作為相位捕獲。人機交互接口由液晶顯示屏和高速旋轉(zhuǎn)鼠標形成的指令輸入器構(gòu)成。微型熱敏打印機用于試驗結(jié)果的打印。另外,通過串口芯片MAX202 構(gòu)成簡易RS232 接口,可以將測量數(shù)據(jù)傳送給上位機。

    　　1 .1 微處理器選擇

    　　微處理器的選擇要使片內(nèi)資源能適合系統(tǒng)的需求。選擇philips 公司的P89C51RD2 增強型單片微計算機,片內(nèi)具有5 模塊可編程計數(shù)陣列PCA 用于頻率和相位的精密測量;硬件看門狗計數(shù)器WDT,防止程序跑飛的自復(fù)位; 64 K 程序存儲器,滿足了大容量復(fù)雜程序和屏顯漢字編碼的存儲;其增強型內(nèi)核、引腳排列、指令系統(tǒng)都與增強型MCS-51 芯片保持100 % 兼容,加快了研發(fā)的進度。

    　　1 .2 傳感器和信號的前置處理

    　　測試儀的三相電壓信號和三相電流信號由微型精密電壓傳感器和電流互感器引入。圖2 所示的是截于工程原理圖的A 相電壓信號的前置處理單元,圖2 中VT1 是PT43DO01 型無源交流電壓隔離傳感器模塊,將被測交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的交流電流信號(隔離電壓達3 kV/ min),模塊是通過從輸入回路索取1 mA 電流來達到測量目的的, 具有0 .08 % 的線性度。圖中375 kΩ 的R120 和125kΩ 的R101 是模塊輸入信號的定標電阻,按1 000Ω/ V 配置, 加在定標電阻上的信號由微型繼電器K1 在125 V 和500 V 量程間切換; 模塊的輸出為跟蹤電流源輸出,滿度標稱輸出為1 mA, R9 是其采樣電阻, 滿度值為1 .5 V。圖2 中U3 是集成運放OP07,接成同相放大的形式,將被測信號尺度定標后送A/ D 模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩個量程的放大反饋電阻是R3 和R4, U1 是3 二選一CMOS 模擬開關(guān)CD4053,將U3 運放同相放大電路的電流匯集點移至模擬開關(guān)的輸入端,也就是說,將用于量程切換的模擬開關(guān)接入同相放大運放電路電流匯集點的內(nèi)側(cè),這樣,模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron 將被歸并入運放的輸入電阻,運放本身的高輸入阻抗使Ron 得以忽略。U6 是比較器LM311,在交流信號的過零時刻翻轉(zhuǎn),供單片機的PCA 捕獲,得到頻率和相位。

    　　B 相和C 相電壓信號的前置處理單元和圖2 所示是一樣的。三相電流信號的前置處理單元的原理也與此類似,只不過將其中的無源交流電壓隔離傳感器換成無源交流電流隔離傳感器, 50 A 和5 A的電流隔離傳感器CT53C101 和CT53C902, 均能在10 % ～120 % 的標稱輸入時保持0 .08 % 的線性度,滿度輸出分別為25 mA 和5 mA。

    　　1 .3 A/ D 轉(zhuǎn)換器MAX125 的操作

    　　為了保證對三相電壓、電流同時采樣,以消除由非同時采樣帶來的電壓和電流的角度差,選用2 片MAX 公司的MAX125 作為A/ D 轉(zhuǎn)換器件。MAX125 是內(nèi)部帶有同時采樣保持器的高速2×4通道14 bit 位數(shù)據(jù)采集芯片,其每通道的轉(zhuǎn)換時間為3 μs,由于其本身集成了多路開關(guān)和采樣保持器,也使硬件電路得到了簡化, 提高了可靠性。但MAX125 是14 位并行數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu), 單片機P89C51RD2 則是8 位數(shù)據(jù)總線接口, 它們不能直接相連, 所以要設(shè)計一個擴展電路, 如圖3 所示(圖3 是截于工程原理圖的A/ D 轉(zhuǎn)換器接口電路)。擴展接口由數(shù)據(jù)鎖存器U5 (74HC573)、數(shù)據(jù)緩沖器U4 ( 74HC245 )、可編程邏輯器件U10(ATF16V8) 等構(gòu)成。將2 片MAX125 的14 根數(shù)據(jù)線D0～D13、讀有效線RD、寫有效線WR以及轉(zhuǎn)換啟動命令線CONVST 都并聯(lián)在一起, 對不同MAX125 的讀寫操作可有其對應(yīng)的片選線ADCS1和ADCS2來區(qū)分。數(shù)據(jù)緩沖器74HC245 是雙向器件,數(shù)據(jù)傳送方向由引腳1 DIR 控制,DIR 為低電平時,單片機向MAX125 寫入初始化命令;DIR 為高電平時,單片機從MAX125 讀入模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

    　　對采樣三相電壓三相電流的2 片MAX125 是這樣操作的: 拉低CONVST,同時啟動電壓和電流的A/ D 轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換完成信號ADINT 可由電壓通道MAX125 給出,單片機被ADINT由高變低中斷后,開始讀取電壓數(shù)據(jù)。首先譯碼輸出ADCS1為低,選通電壓通道MAX125 , 同時RD為低, 這樣14 位數(shù)據(jù)并行輸出, 其中D8 ～D13 高6 位數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器74HC573 中,而低8 位數(shù)據(jù)通過緩沖器74HC245 直接被讀入到P89C51RD 內(nèi)存中; 之后單片機進入第二次讀操作, 此次不選通MAX125即ADCS1保持為高電平, 而選通74HC573 (其OC腳和C 腳均為低),這樣將高6 位數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中, 完成一個采樣結(jié)果的讀取工作。后面的數(shù)據(jù)同此操作也可讀入到內(nèi)存中。當(dāng)3 路電壓數(shù)據(jù)( A、B、C 三相) 都讀入內(nèi)存后, P89C51RD 再譯碼輸出ADCS2為低,選通電流通道的MAX125,接下去的操作同電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。如圖3 所示, 以上各個芯片,以及LCD 顯示屏和微型打印機的選通操作,都由可編程邏輯器件U10(ATF16V8)對單片機地址總線的高4 位和讀寫線的譯碼來完成。

    　　1 .4 人機界面中的指令輸入器

    變壓器容量及損耗測試儀采用大屏幕(320× 240 點陣)液晶顯示器和高速旋轉(zhuǎn)鼠標構(gòu)成人機交互界面。菜單嚴格分級,逐步引導(dǎo)操作,只需要開機,儀器提供的菜單就會引導(dǎo)完成所需要的試驗。所謂旋轉(zhuǎn)鼠標, 其實就是一種旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān),作為指令輸入器,它有“左旋”、“ 右旋”和“ 按下選定”3 種操作,可用于菜單選項的選擇和選定,以及數(shù)字的設(shè)定和輸入。圖4是一種光電編碼開關(guān)的外形圖,其接口信號的編碼對應(yīng)著2 位循環(huán)碼(格雷碼),循環(huán)碼的特點是由一個計數(shù)狀態(tài)變到下一個計數(shù)狀態(tài)的過程中, 只有一位數(shù)碼變化,因此在循環(huán)碼的譯碼器中,不會產(chǎn)生競爭冒險現(xiàn)象。但循環(huán)碼不能用二進制計算來判別大小和順序,所以要判別光電編碼開關(guān)是“ 左旋”還是“右旋”時,要引入接口信號現(xiàn)狀態(tài)和前狀態(tài)進行分支邏輯判斷,軟件編程稍稍復(fù)雜一點。旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的輸入邏輯與單片機的外中斷口相連,在軟件中精心設(shè)計中斷服務(wù)程序,無論指令輸入還是數(shù)字設(shè)定,均可高速操作,且手感也好。這種旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)很適合于在智能儀器中用來作為人機交互的指令輸入器 。