電力變壓器容量損耗測(cè)試對(duì)于變壓器制造單位的出廠試驗(yàn),以及電力部門(mén)有效降低線損、防止高耗變壓器進(jìn)入電網(wǎng)有著重要的意義。為此, 設(shè)計(jì)了一種用于電力變壓器的空載及負(fù)載試驗(yàn)的容量損耗測(cè)試儀。該儀器所測(cè)的直接參數(shù)是三相電壓、三相電流、三相功率及試驗(yàn)電源的頻率。空載試驗(yàn)時(shí)根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(fù)載試驗(yàn)時(shí)根據(jù)測(cè)量值計(jì)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(shí)的短路損耗;基于軟件查表功能的設(shè)計(jì),按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行被測(cè)變壓器的容量判別[1-2] 。該儀器集多種試驗(yàn)方式于一體,提供了二表法和三表法試驗(yàn)。為適合直接測(cè)量和通過(guò)互感器測(cè)量,儀器的電壓測(cè)量范圍為0～500 V(125 V 與500 V 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換);電流測(cè)量范圍為0 ～60 A(6 A與60 A 兩個(gè)量程)。在設(shè)計(jì)中結(jié)合*芯片技術(shù)和軟件智能同步采樣測(cè)量策略,使儀器的電壓電流和功率的測(cè)量精度大為提高。

變壓器容量及損耗測(cè)試儀具有以下特點(diǎn):儀器對(duì)三相電壓電流同時(shí)采樣;基于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器和液晶顯示屏的人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔而;可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA“捕獲”信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)用于雙向過(guò)零平均鑒相,得到準(zhǔn)確的相位差和周期;基于實(shí)時(shí)參數(shù)自尋優(yōu)的軟件同步采樣,有效地減小了周期截?cái)嗾`差,提高了測(cè)量準(zhǔn)確度;數(shù)字化功率測(cè)量引入了傳統(tǒng)的二表法和三表法,擴(kuò)展了儀器的使用范圍;實(shí)際容量根據(jù)負(fù)載損耗用軟件查表的方法來(lái)判別;測(cè)量值已從試驗(yàn)溫度折算到了參考溫度(75 ℃)時(shí)的值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

    　　就測(cè)試儀的基本功能而言,實(shí)際上是一種對(duì)低功率因數(shù)的空載損耗和負(fù)載損耗進(jìn)行采樣計(jì)算式測(cè)量的數(shù)字儀器。系統(tǒng)由三相電壓電流傳感器單元、信號(hào)調(diào)理單元、A/ D 轉(zhuǎn)換單元、微處理器、人機(jī)交互顯示單元、上位機(jī)通信單元、擴(kuò)展存儲(chǔ)器單元和微型打印機(jī)驅(qū)動(dòng)單元等幾部分構(gòu)成,如圖1 所示。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器隔離變換后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理單元,進(jìn)行濾波和放大。調(diào)理后的信號(hào)送A/ D 轉(zhuǎn)換器MAX125 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。取三相電壓電流信號(hào)的六路過(guò)零點(diǎn)送微處理器作為相位捕獲。人機(jī)交互接口由液晶顯示屏和高速旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)形成的指令輸入器構(gòu)成。微型熱敏打印機(jī)用于試驗(yàn)結(jié)果的打印。另外,通過(guò)串口芯片MAX202 構(gòu)成簡(jiǎn)易R(shí)S232 接口,可以將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

    　　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(qiáng)型單片微計(jì)算機(jī),片內(nèi)具有5 模塊可編程計(jì)數(shù)陣列PCA 用于頻率和相位的精密測(cè)量;硬件看門(mén)狗計(jì)數(shù)器WDT,防止程序跑飛的自復(fù)位; 64 K 程序存儲(chǔ)器,滿足了大容量復(fù)雜程序和屏顯漢字編碼的存儲(chǔ);其增強(qiáng)型內(nèi)核、引腳排列、指令系統(tǒng)都與增強(qiáng)型MCS-51 芯片保持100 % 兼容,加快了研發(fā)的進(jìn)度。

    　　1 .2 傳感器和信號(hào)的前置處理

    　　測(cè)試儀的三相電壓信號(hào)和三相電流信號(hào)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(hào)的前置處理單元,圖2 中VT1 是PT43DO01 型無(wú)源交流電壓隔離傳感器模塊,將被測(cè)交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成同頻同相的交流電流信號(hào)(隔離電壓達(dá)3 kV/ min),模塊是通過(guò)從輸入回路索取1 mA 電流來(lái)達(dá)到測(cè)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(hào)的定標(biāo)電阻,按1 000Ω/ V 配置, 加在定標(biāo)電阻上的信號(hào)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(biāo)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(yùn)放OP07,接成同相放大的形式,將被測(cè)信號(hào)尺度定標(biāo)后送A/ D 模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩個(gè)量程的放大反饋電阻是R3 和R4, U1 是3 二選一CMOS 模擬開(kāi)關(guān)CD4053,將U3 運(yùn)放同相放大電路的電流匯集點(diǎn)移至模擬開(kāi)關(guān)的輸入端,也就是說(shuō),將用于量程切換的模擬開(kāi)關(guān)接入同相放大運(yùn)放電路電流匯集點(diǎn)的內(nèi)側(cè),這樣,模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron 將被歸并入運(yùn)放的輸入電阻,運(yùn)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(hào)的過(guò)零時(shí)刻翻轉(zhuǎn),供單片機(jī)的PCA 捕獲,得到頻率和相位。

    　　B 相和C 相電壓信號(hào)的前置處理單元和圖2 所示是一樣的。三相電流信號(hào)的前置處理單元的原理也與此類似,只不過(guò)將其中的無(wú)源交流電壓隔離傳感器換成無(wú)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(biāo)稱輸入時(shí)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(duì)三相電壓、電流同時(shí)采樣,以消除由非同時(shí)采樣帶來(lái)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(shí)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(shí)間為3 μs,由于其本身集成了多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器,也使硬件電路得到了簡(jiǎn)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(jī)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(jì)一個(gè)擴(kuò)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(kuò)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(xiě)有效線WR以及轉(zhuǎn)換啟動(dòng)命令線CONVST 都并聯(lián)在一起, 對(duì)不同MAX125 的讀寫(xiě)操作可有其對(duì)應(yīng)的片選線ADCS1和ADCS2來(lái)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(shí),單片機(jī)向MAX125 寫(xiě)入初始化命令;DIR 為高電平時(shí),單片機(jī)從MAX125 讀入模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

    　　對(duì)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(shí)啟動(dòng)電壓和電流的A/ D 轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換完成信號(hào)ADINT 可由電壓通道MAX125 給出,單片機(jī)被ADINT由高變低中斷后,開(kāi)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(shí)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(guò)緩沖器74HC245 直接被讀入到P89C51RD 內(nèi)存中; 之后單片機(jī)進(jìn)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(gè)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(gè)芯片,以及LCD 顯示屏和微型打印機(jī)的選通操作,都由可編程邏輯器件U10(ATF16V8)對(duì)單片機(jī)地址總線的高4 位和讀寫(xiě)線的譯碼來(lái)完成。

    　　1 .4 人機(jī)界面中的指令輸入器

    變壓器容量及損耗測(cè)試儀采用大屏幕(320× 240 點(diǎn)陣)液晶顯示器和高速旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)構(gòu)成人機(jī)交互界面。菜單嚴(yán)格分級(jí),逐步引導(dǎo)操作,只需要開(kāi)機(jī),儀器提供的菜單就會(huì)引導(dǎo)完成所需要的試驗(yàn)。所謂旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo), 其實(shí)就是一種旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)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(xiàng)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(kāi)關(guān)的外形圖,其接口信號(hào)的編碼對(duì)應(yīng)著2 位循環(huán)碼(格雷碼),循環(huán)碼的特點(diǎn)是由一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)變到下一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)的過(guò)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(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。但循環(huán)碼不能用二進(jìn)制計(jì)算來(lái)判別大小和順序,所以要判別光電編碼開(kāi)關(guān)是“ 左旋”還是“右旋”時(shí),要引入接口信號(hào)現(xiàn)狀態(tài)和前狀態(tài)進(jìn)行分支邏輯判斷,軟件編程稍稍復(fù)雜一點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)的輸入邏輯與單片機(jī)的外中斷口相連,在軟件中精心設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序,無(wú)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(kāi)關(guān)很適合于在智能儀器中用來(lái)作為人機(jī)交互的指令輸入器 。