干式变压器智能温度控制系统的设计与实现.docx
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干式变压器智能温度控制系统的设计与实现
东北大学
硕士学位论文
干式变压器智能温度控制系统的设计与实现
姓名:
史君海
申请学位级别:
硕士
专业:
控制理论与控制工程
指导教师:
高大志
20040101
东北大学硕士学位论文摘要
干式变压器智能温度控制仪系统的
设计与实现
摘要
干式变压器在生产生活中,有着广泛的应用,但是干式变压器使用中出现绕组线圈低温过热的问题大大缩短变压器使用寿命。
针对这个问题,本文设计了一种新型智能温度控制仪,具有绕组温度测量、变压器温度控制和远程通信等基本功能。
首先,本文分析智能温度控制仪的功能和技术要求,对智能温度控制仪进行了总体分析和设计。
然后,设计智能温度控制仪的温度测量电路和软件,就温度测量中的温度漂移误差,传感器引线电阻误差和电磁干扰问题进行分析,提出具体的解决办法。
其次,设计智能温度控制仪的监控系统,分别设计了温度显示、变压器温度控制,工作参数设定和RS一485串口通信等功能单元,对由智能温度控制仪组成集散监控系统的问题进行讨论。
此外,对智能温度控制仪的电磁兼容问题进行分析和设计。
最后,对本文工作做出总结,展望了干式变压器智能温度控制仪的发展趋势。
关键字智能仪器温度测量变压器微处理器RS一485集散控制系统II
东北大学硕士学位论文
DesignandImplementationofIntelligentInstrumentfortheThermalControlofDry
Transformer
Abstract
Theindustrialandcivilianapplicationofdrytransformer
causesisbecomingincreasinglywidc.butthetemperatureoftransformerwindingsthe
lifetobedecreasedgreatly.Thus,anovelintelligentinstrumentfor
controlofdrytransformerthethermaltransformerisdescribedinthispaper.Itownsthreebasicfunctions:
temperaturemeasuremel]ltoftransformerwindings,temperaturecontrolofthetransformerandlongdistancecommunication.
Firstofall,basedontheanalysisofthefunctionsandtechnologicrequirements,thegeneraldesignoftheintelligentinstrumentis
temperaturemeasurementgiven.Moreover,amulti—channelsub-systemincludingcircuitandsotbovareisprescribed.Accordingtotherelativetheoreticalanalysisofambienttemperatureeffect,lead
concretemethodoferrorresistanceandelectromagneticinterference,the
compensationispresented.Furthermore,themonitoringsub-systemconsistingofdigitaldisplaying,thecontrollingof
operatingvariables
distributedcontroltransformertemperature,theadjustmentdesigned.nlestructureofandRS-485serialcommunicationisofintelligentinstrumentisalsostated.Nevertheless,theproblemofelectromagneticinterferenceinitsapplicationisdebatedsystemofindetails.
Intheupofthetemperatureend,thesummingpaperandthedevelopingprospectofthiskindofintelligentinstrumentisstated.
Keywordsintelligentinstrument,temperaturemeasurement,transformer,micro-controller,RS一485,distributedcontrolsystemIII
声明
本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含本人为获得其它学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示致谢。
本人签名:
日期:
蝇洚厶一叶・L・_『
东北太学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
l,1智能温度控制仪是一种智能仪器
智能仪器是计算机技术车u洳量仪器相绪合的产物,是台有微型计算机或微塑处理器的测量仪器,由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能,其有一定耪能的作用(表现为智能浆延神和由B强等),函而称之为智熊仪器
智能温度控制仪内部采用了美国Cygnal公司生产的C8051F206单片机实现多通道潺度信号采集和采集数据处理,根据测蠡到平斌变噩器实对温度控制降温风枫,保证于式变压器工作在设定滠度范围内,并具有一定的故障渗断功能和于武变压器工作温度纪录的功能。
智能温度控制仪是一种智能仪器,集中表现为以下三个特点:
1、实现对测量过程软件控制。
微处理器控制测量通道切换,铡量故障自动诊甑;2、具有数据处理功能。
对测量数据进行存储及运芽豹数掘置理功能是智能仪器最突出的特点,智能温度控制仪的微处理器对溅量数据的处理改善测量精度,补偿温度漂移的造成误差;并能储存设定羽工作参数;3、智能仪器具有多种功能。
智能温痉控制纹具有最机控带《功能、通倍葫能和报警功能。
1.2智能温度控制仪的课题背景
干式交援器在生产生活中有广泛的使甩。
僵燕,千式变压器绕组低温过热的|’试题,大大缩短了干式交压器的使用寿命,是运行和制造部门蟥待研究解决的重要问题之一”“。
电力变雉器在媾行过程中绝缘系统一直承受着化学性质的老化,该过程是积累性的,且能罨致绝缘系统失去绝缘性骞良蠢喾亳力设备的安全运行,缩短变雎器使用寿命,造成了巨大的浪费。
保诞千式变压器绕组始终工作在额定温度范围内,是提高变压器使用寿命,保证电力设备安全置作的重要措施。
针对这种情况和工业实际需要,人工智能与机器入研究所商沈阳菜公司的请求,开展了这方筒的研究工作,井设计了一种薪型智能溢度控制仪。
这种智能濑度控制仪采用了最新的微型处理器C8051F206,具有独特的温度信号采集系统,融合了电磁兼容技术,使得它能够具有高精度、高可靠性、高安全性。
使用智能温度控制仪能够控制变压器绕组工作在额定温度范围内,大大提高了干式变压嚣使用寿命,保证千式变压器安全工作,具有非常重要的社会意义和怠好的经济效益。
东北大学硕士学位论文第一章绪论1.3智能温度控制仪的功能要求
(1)温度测量和显示功能:
对干式变压器绕组的温度实时测量,根据需要显示绕组的最高温度或分别显示三个绕组温度;
(2)仪器故障诊断和显示功能:
传感器开路或出现故障时,智能温度控制仪能够诊断出故障,并发出卢、光信号报警,给出相应的开路指示信号;
(3)干式变压器智能保护功能:
干式变压器温度达到一定值时,智能温度控制仪开启风机,对变压器降温以保证于式变压器绕组运行在额定工作温度范围内;当变压器绕组温度持续升高超出额定温度范围时,智能温度控制仪发出报警;如果变压器绕组温度达到危险温度时,智能温度控制仪发出跳闸信号.切断电源、保护变压器:
(4)“黑匣子”功能:
智能温度控制仪可以记录变压器超过危险温度时刻的各相戈皇温度告,片能k期深存和查阅;
LjJ上作参数设定功能;智能温度控制仪的工作参数可重新设定,方便于根据实际情况调整干式变压器的工作温度;
(6)降温风机的手动控制功能:
用户可以手动控制风机的开关;智能温度控制仪在30分钟后,重新恢复风机的自动控制;
(7)远程通信的功能:
智能温度控制仪可以把干式变压器、降温风机和自身工作状态和参数传输给远处的监控计算机:
也可以接受监控计算机的命令。
1.4智能温度控制仪的技术要求
智能温度控制仪的技术要求以JB/T一763卜1994《变压器用电阻温度计》标准为依据,确定智能温度控制仪的主要技术要求如下:
(1)传感器:
Pt
(3)使用条件:
◆环境温度一20℃一+55℃
◆相对湿度<85%
◆100(2)测量范围:
0.O℃一200.012涮量精度:
0.5级分辨力:
0.122电源电压单相220VAC(+lo%、一15%)
◆电源频率50Hz一60Hz
(4)电磁兼容性能:
◆串模干扰和共模干扰:
智能温度控制仪对共模2207(AC,50Hz)或串模
200mY(AC,50Hz)干扰电压,显示和控制附加误差限的绝对值均满足标准要求;◆电快瞬变试验:
智能温度控制仪的电源线和输/k/输出端能承受频率为5KHz、
东北走学硕士学位论文第一章绪论
电压分别为IKV和0.5KV的电快瞬变试验,显示值和控制附加误差限绝对值均满足标准要求;
◆静电干扰:
智能温度控制仪能承受4KV的静电放电试验,显示值和控制附加
;争差限的绝对值均满足标准要求;
◆空问射频干扰:
智能温度控制仪能承受频率为27MHz--5000MHz,场强为3v/m
的辐射电磁场试验,其显示值和控制附加误差限的绝对值均满足要求。
1.5本文的工作
(1)完成的基本内容:
◆智能温度控制仪总体设计。
◆智能温度控制仪的温度信号测量系统设计。
◆智能温度控制仪的监控系统设计;
◆智能温度控制仪的电磁兼容性设计;
(2)特色内容:
提出了一种全新的静态多路数据采集系统的温度漂移误差的补偿方法。
该方法只要少量的元器件,配以适当的补偿算法,解决了环境温度变化造成的测量误差。
东北大学硕士学位论文g-章智能温度控制仪的总体设计
第二章智能温度控制仪的总体设计
2.1智能温度控制仪的基本工作原理
等智觜控P变需温甯干娥压器斧{一L』二二jI2.2智能温度控制仪的总体构想
智能温度控制仪基本功能是测量绕组的温度,按JB/T-7631—1994《变压器用电阻温度计》标准规定,确定传感器是Pt100(铂电阻)。
当环境温度变化时,Pt100的电阻阻值变化;采用激励源,把Pt100的这种阻抗变化转化成电信号;采用小信号放大技术把这个电信号放大、调理后输入A/D转换器变成数字量;微处理器对这个转换结果(采样值)进行处理,最后得至H温度。
这实际上是个数据采集过程,完成温度测量的功能。
可以把这部分结构定义为智能温度控制仪的一个子系统——温度测量子系统。
根据智能温度控制仪功能要求,它不仅能够完成温度的测量,它还能够实时显示变压器绕组温度,通过降温风机控制变压器的工作温度,并且可以根据需要设定温度控制仪的工作参数等其他功能,把完成这部分功能的部分称为智能温度——d——
东北大学硕士学位论文第二章智能温度控删仪的总体设计控制仪的一个子系统——监控子系统。
电源在智能仪器中具有特殊的地位,…方面它为系统提供正常工作所需要的电能,另一方面,它是各种电磁干扰传输的重要通道。
为了突出电源的重要性,把电源定义为智能温度控制仪的一个子系统——电源子系统。
综合上述,智能温度控制仪系统分解为相对独立的温度测量子系统、盐控r系统和电源予系统。
整个系统结构可以用图2.2表示。
占圭苗图2.2智能温度控制仅系统组成图
2.3智能温度控制仪的微处理器的选择和使用
2.3.1C8051F206单片机的特点【3】
(1)丰富的模拟外设
◆12位高精度模数转换器
C8051F206I内部集成12位32通道ADc,32个外部输入每个I/0口都可在运行中配置为AOC输入,可编程转换速率最大达lOOksps,转换无失码,参考电压可以取自外部引脚或VDD,含有可编程增益放大器。
◆两个电压比较器
具有可编程回差比较电压,可以用于产生中断或复位:
◆电源电压监视器和节电降压检测器
(2)方便的片内JTAG调试
片PqJTA6调试电路提供全速非侵入式的在系统调试,不需仿真器,支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点,堆栈指示器及单步执行,性能优于采用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统。
(3)高速增强的8051微控制器内核
◆流水线指令结构,70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期,速度可
达25MIPS;
东北大学硕士学位论文
◆第二章智能温度控制仪的总体设计——————————————————————————-——————————————————————————————_______—^____’_-__H——————————一—————————————————————__~增强的中断系统可有最多21个中断源。
(4)存储器
◆1280字节数据存储器,可满足复杂算法对内存的需要;
◆8K字节FLASH程序存储器,在系统编程扇区大小为512字节。
(5)丰富的数字外设
◆32个I/O口线所有口线均容许5V电压;
◆可同时使用的硬件SpI和UART串口;
◆
◆3个通用16位计数器/定时器;专用的看门狗定时器,双向复位。
(6)灵活的时钟源
◆
◆
◆内部可编程振荡器z一1㈨Hz;外部振荡器晶体RC、C或外部时钟:
可在运行中切换时钟源供节电模式时使用。
(7)使用温度范围大
工作的温度范围:
-40。
C-+85。
C,是工业级的芯片。
2.3.2采用C8051F206单片机的依据
(1)丰富的可编程I/O口资源,完全能满足智能温度控制仪的接口扩展的需甍{(2)具有大容量的RAM和高速增强的8051微控制器内核,为实现复杂的数据
算法提供了基础,满足系统实时性的要求;
(3)方便的片内JTAG调试,支持在线系统调试,提高工作效率;
(4)丰富的模拟外设,为系统进一步扩展提供了硬件基础
‘j)片内集成的SPI接口电路,方便系统外设扩展。
(6)片内的看门狗定时器,电源监视器和时钟源,减少了外部电路,提高了系
统可靠性;
2.3.3u一C8051F206单片机应用的几个问题
(1)5V外围接I=1芯片和3v微处理器的驱动问题啪
这里包括两个方面问题:
一个是5V输出驱动3V输入;另一个是3V输出驱动5v输入。
首先讨论第一个问题,将一个5V驱动器接到一个标准3V输入时,一6
东北大学硕士学位论文草二章智能温度控寺4挝的总钵设计由于有电流输入内部ESD保护器件,可能导致器件损坏或减少使用寿命。
C8051F206单片机使翔耐5V电鹾的输入结构,因此可以用5V输出驱动3V输入,对C8051F206单片机『E常使用无影响。
第二个问题足微处理器的3V输出驱动5V外围器件的输入。
显然C8051F206单片梳输出最麓电压不能超过它的电源电压(2.7V一3.6V),丽5V的外国器件的输入电压要求高于C8051F206t均片机的电源电压。
为了提供一个比微处理器电源电压高的输入电压,可以将C8051F206单片机的端口引脚的输出方式设鼹为漏极开路,并将输出端遥过~个上拉电阻接到5V电源。
这样,C8051F206单片桃的逻辑l输出将被提升到5V,而逻辑0为地电乎,如图2.3。
这里的上拉电阻阻怛必须大小合适,阻值过小,逻辑0状态的电流和功耗过大,降低逻辑0时的噪声容鞭:
阻值过大,对线路中的寄生电容充电对阉过程变长,不能满足数据传输的时謦要求。
在满足数据传输的时序要求和可靠性条馋下,选择较大鲍主拉电阻。
5v器件
}陟e_f罴’}!
端n驱动器为漏极开路配置}
圈2.3j。
.≯—1<GPIOl到≯。
C8051F206驱动5V器件辘入
(2)C8051F206单片机的时钟电路设计
C8051F206微处理器具有~个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路,内部振荡器的精度差,当选定内部振荡器的频率为2MHz,黠,?
实簿震荡频率从最小的1.6MHz到最大的2.4MHz。
考虑到系统中需要准确聪镑的功能部分很多,决定采用外部振荡器产生系统时钟。
振荡器电路既是一个重爨的干扰源,又是一个受干扰源,时钟的频率应该在满足系统要求的条件下,越低越好,这样能够提高系统的电磁兼容性能。
最层确定外部振荡器的频率是2MHz。
图2.4C8051F206单片机外部时钟配置电路
东北大学硕士学位论文第二章智能温度控制仪的总体设计这里采用外接晶体的方式构成外部振荡器,根据晶振频率为2MHz可以确定两个外接补偿电容的容值为30pF。
电路图如图2.4。
(3)从5V电源获得C8051F206单片机的工作电源
考虑到智能温度控制仪的数字电路中,只有C8051F206单片机的工作电压是33V,所以采用了一片DC.DC转换芯片S818获得微处理器的电源。
微处理的电源电路图如图2.5。
图2.5中的胆电容是对¥818输入电压滤波,一般取4.7uF或者更大,滤波电容是对¥818输出电压滤波,一般取2uF。
+5S818+3.3
圈2.5C¥05l更到垮单片机的电源电路
第三章温度测量子系统设计
第三章温度测量子系统设计
温度测量子系统在智能温度控制仪中处丁蛰础造&。
温度测量子系统完成智能温度控制仪最主要功能——绕组温度测量,温度测量子系统的精度决定蹩个系统的精度:
测量结果是智能温度控制仪完成控制、报警等其他功能的基本依掘,它琵惯止常上作对整个系统起翥决定性作用。
参照JB/T一7631—1994《变压器用电阻滠度计》标准,确定对温度测量子系统的性能指标有:
L1)渊堂范围:
0.O'C--200.O℃:
C2)测量精度:
ns鹳.仆枣悻力:
O.1"C-;
(3)测量系统的时间常数不大予5秒:
(4)工作环境温度变化:
正常工作环境温度为O.O℃—60.0℃,氆该范围内,
工佟环擦湿度以IO'C为一个交纯羹时,测量绝对误差不大于o-蔷℃。
(5)传感器引线电阻变p:
转璃器瓣戮线电阳从00Q.1000Q变化时,测量绝
对误差不大于0.5"C。
对误差不大于0.5℃。
对谯差不大于0.5"C。
’(6)共模电压干扰:
频率为50tlz、干扰电压为lOOmY/(0”360。
j时,测量绝一(7)串模电压干扰:
频率为50Hz、等扰电压为250V/(0。
--360。
)¨黔,测量绝
在零章中H蓠先设诗滠凌涌豢繁鬃统豹电鼹结构和参数,给出溅煎电路的静态特性方程。
在此基础上,分别讨论澈度浏量子系统对工频干扰豹撺制,温度漂移的产生和补偿方法,去除引线电阻误差和温度换算方法四个问题,一最薅进行微处理嚣接日设计和铡鬣子系统的系统软律设计,并且对温魔铡量子系统豹性能做出分折。
3.1温度测量子系统的电路结构参数设计
对测量任务的几点认识:
温度信号是缓慢变化的信号,可以认为湿度测量予系统是个静念测最系统;考虑到需要测嚣兰个绕组的温度,该测量系统是个多通道数据采集系统;并且这三个信号的信号类型和变亿范围相同,需要作相同的放大与调理,可以共用放大和调理电路。
根攥这几点分析,确定湿度蹦器予系统的
,叠一-
东北大学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计基本结构如图3.1所示:
图3.1温度测量子系统基本结构圈
测量基本过程可以描述为:
传感器的电信号传给多路模拟开关,在微型处理器的控制下,把其中的一路传给放大器,放大器放大该信号,调理电路把放大的信号做一定的处理后输入模/数转换器,微型计算机读入模/数转换器转换结果。
微型计算机对该信号做数据处理得到温度值。
从而完成温度的测量功能。
3.1.1A/D数模转换器的选定
在设计数据采集系统时,首先根据测量精度和输入信号的特性确定选用的A/D模数转换器。
干式变压器智能温度控制仪的分辨力是虢l℃,测量范围是O.0℃一200.0"C,可以确定^/D数模转换器的位数应大于11。
滠度是个缓慢变化的信号,可以选择转换速度慢的A/D数模转换器,并考虑到成本问题。
最后选定双积分A/D转换器ICL7135。
ICL7135的最大显示值为19999,最小分辨力为100ur,准确度达±1个字;采用BCD码扫描输出,设有六路输入\输出辅助信号,和微处理嚣连接方便。
采用±5V供电,工作电流为3mh。
只要求单一外接基准氡压。
能够自动校零,保证输入电压为0V时,读数为零。
有适用于自动转换量程瓣超量程和欠置程信号,能用闪烁显示方式表示超量程状态。
典型时钟频率为1251(Hz,转换速率为3次/秒。
并且选择恰当的工作频率,能对工频干扰具有很强的抑劁能力。
这里初步确定输入电压范围是一lV—斗lV。
3.1.2传感器和信号放大部分电路结构
根据设计要求,传感器是Ptl00温度传感器,传感器的连线采用三线制连接方式(在图3.2中给出了相应的表示)。
传感器能够把温度变化变换成电阻阻值变化。
为了便于信号的传输、放大、处理和转换,需要把电阻阻值变化变换成电压变化。
为了保证测量的高精度,这里选用电流源,把Ptl00温度传感器电阻阻值变换比例变换成电压变化。
恒流源选用DH906,它是浙江大学多项科研成果发展
东北丸学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计而成的产品。
它不仅延伸了电流范围、拓宽了应用的领域:
更重要的进展还在于高性能指标上取得了重要突破,解决了传统恒流器件温度稳定性不佳等难题。
从而使电子应用技术中许多原需采用复杂电路或需作复杂调试才能获得的恒流源提供了卜分简捷方便的解决途径。
恒流源nI-1906的工作电压范围大,使用方便,只.括要外接一个电流调节电阻就可以得到稳定的恒流源,并且改变外投电阻阻值就uJ以得到4i同的电流。
测量放大器的选择是设计采集系统的重要部分,这里选用仪表放大器INAl28,它是美国BURR—BROWN公司生产的低电压高精度通用仪表放大器。
具有{F常低的偏置电压,最大是50uV,非常低的偏置电压温漂(O.5uV/口12max)和低偏置电流(5nA“kLx):
I岛共模抑制比120dB,宽工作电压。
可以用于电桥放大器、热电偶放大器、限j『放人器年¨数据采集。
它的非线性误差在增益是10条件下,最大为±O.002%,小于双积分数模转换器ICL7135的量化误差±0.005%。
从传感器到测量放大器需要多路模拟开关器件,多路模拟开关的配置方式有两种,一种是单端方式,此种方式应用在所有的输入信号相对于公共地测量上.而且信号的电平显著大于出现在系统中的共模电压。
此时测量放大器共模抑制能力基本没发挥,但是系统可以得到最大通道数:
另外一种方式是差动配置,此种方式应用于各个输入信号有各自独立的参考电位,或者是应用在信号长线传输引起严苇的共模干扰时。
考虑到智能温度控制仪和传感器的距离比较远,并且传感器在变压器的安放位置不同,受到的电磁干扰不问,参考电位不同,这里选用差动配置方式,保持信号传输电路阻抗平衡,并且充分发挥测量放大器的高共模抑制力。
低频使用时,模拟开关的选择主要考虑影响信号传输精度的开关电阻和泄漏电流,在经济条件允许的条件下,尽可能的选择泄漏电流和开关电阻小的模拟开关。
根据通道数目摄后确定模拟开关的型号为8选1的模拟开关CD4051,两片模拟开关CD4051联用,构成差动配置方式。
这里采用一个谯流源分时驱动不同传感器的方法,为了消除模拟开关导通电阻的影响,也需要一片模拟开关CD4051。
为了消除高频噪声的干扰,在测量放大器的输入端加入电阻和电容组成的一阶滤波器。
根据上面的分析给出传感器和信号放大部分电路原理图如图3.2。
由于采用三线制的传感器接法,测量电阻包括传感器电阻和导线电阻,用晨表
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- 变压器 智能 温度 控制系统 设计 实现