感性负载直流电阻测试仪 说明书

1、摘要在现实生活中直流电阻的测试具有很重要,例如,电力变压器绕组直流电阻测量是变压器出厂及预防性试验的主要项目之一,电力变压器绕组具有大电感、小电阻的特点,其固有的时间常数较大,测量所需时间很长,因此研究缩短电力变压器直流电阻测量时间具有重要意义。本设计结合目前较常用的各种快速测量方法,根据现场的实用性,针对绕组直流电阻测量工作中存在的问题,介绍一种利用恒流源实现感性绕组直流电阻快速测量的方法。利用恒压源对绕组进行充电,解决因电感而影响测量时间,充电结束利用恒流源进行供电,保证被测绕组电流恒定,利用A/D转换器将被测绕组的电压值输送到单片机中,由单片机进行数据处理,将电压值转换成电阻的实际值,由

2、LED出来。实现直流电阻的快速、智能化测量。关键词:恒流源感性绕组单片机 A/D转换器AbstractAccordance with the existing problems in measuring the DC Resistances of windings,the author introduces a method by means of constant voltage source to achieve fast measurement for the DC resistances of inductive coils. It is fast,reading stabilit y

3、,strong resistance to interference and acts well in practical application.The test of dc resistance is of great significance for the pra ctical work.For instance,Transformers DC resistance measurement is one of the primary prevent test before transformer leaving factory and precautionary,and the DC

4、resist ance must be measured in the course of manufacture,heavy repair ,connective test, testing average temperature rise and fault diagnoses,SO it is quite vital to measure DC resistance of windings nicel y.Because power transformers usuall y have big inductance but small resistance,they have big i

5、nherent time.The time of measuring DC resistance is very long.As time gose by,the temperature rise ,which causes the mistakes in the measure.So it is very important to study to shorten measuring time.In this dissertation.A new rapid measuring method is founded combining the constant voltage source a

6、nd constant-current source,make the control of microcontrolle,in order to fast measure transformerS DC resistance.Key words: constant current source; inductive coils; microcontroller; A/ Dconverter;目录第1章设计任务.1.1设计的技术背景和设计依据 .1.2设计的主要内容、功能及技术指标 .1.3设计任务 .1.4研究内容及主要工作.1.5章节安排. 第2章设计说明.2.1研究本设计的意义.2.2直

7、流电阻测量现状 .2.3设计要求及关键技术问题 .2.4设计方案确定 .2.3设计内容阐述 . 第3章硬件设计.3.1系统的整体框图.3.2 恒流源的设计.3.2.1恒流源的实现 .3.2.2扩流模块的设计.3.2.3继电器开关模块的设计及标准电阻的选择.3.3测温模块的设计 .3.4低通滤波环节的设计 .3.5单片机智能测试系统的设计. 错误!未定义书签。3.5.1 A/D转换 .3.5.2键盘设计 .3.5.3显示模块 .3.5.4通讯模块 .3.6电压采集电路的设计 . 第4章系统软件设计 .4.1 主程序设计.4.2键盘程序设计 .4.3显示程序的设计 .4.4 A/D转换程序设计 .

8、 第5章总结与体会 .5.1 总结.5.2 体会. 参考文献 . 外文资料 .原文.译文.附录一:硬件接线图.附录二:程序清单.附录三:器件清单.致谢. .第1章任务在电力系统中, 快速、高准确地测量感性负载的直流电阻将有利于对电力设备进行现场检测、故障诊断和实时维护。例如测量变压器绕组的直流电阻, 就是变压器实验中既简便又重要的试验项目之一。通过对绕组直流电阻的测量, 可以检查出绕组内部导线的焊接质量, 电压分接开关、引线与套管等载流部分的接触是否良好, 三相绕组的电阻是否平衡, 绕组所采用的导线是否符合设计要求等等, 因此意义重大, 在这方面的研究与探讨是值得的。测量方法不外乎以下三种:其

9、一是:平衡电桥测量法;其二是:不平衡电桥测量法; 其三是:电阻一电压变换测量法。若采用电桥测量法, 其输出电压U会随被测电阻R 、的变化而变化。该方法具有使用简便、可直接读数、准确度高、反映灵敏等优点; 但也有一些缺点:由于变压器绕组具有较大的电感和较小的电阻, 有的变压器的电感可高达数百亨, 并且其电阻仅为0.0001一100数量级, 如用平衡电桥测量直流电阻, 其电路相当复杂, 并且耗时效率低; 若用不平衡电桥法测量, U与R成非线性关系。为便于实现智能化测量、显示, 最简单的方法也就是采用的电阻一电压变换方法.1.2设计的主要内容、功能及技术指标本任务中,要求完成感性负载的直流电阻的自动

10、和准确测量,实现测量过程的全自动化。具体指标如下:(1恒流源电流的稳定度:dB140,输人电压U in的波动对放大器输出影响很小 ,因而恒流源稳定、可靠。R2为VTR的限流电阻。3、恒流源的分析被测感性负载的直流电阻为:RX =UX/IX= UXRN/Uin(7对式(7进行全微分,则被测感性负载的直流电阻RX,的误差可以表达为:RX = (RX/RNRN+ (RX/ UXUX- RX* RX/ (UXRNUin(8式(8表明:对于一定的被测感性负载的直流电阻RX ,当RN固定不变时UX 越大,RX的误差越小;RX越大,RX的误差也越大。由式(8可得系统测量的相对误差为=RX / RX=RN/R

11、N+UX/ UX-Uin/Uin(9由于加法器N1A 的共模信号不为零,故存在共模误差。N1A的共模电压为Uin,共模抑制比可引起的误差,由于选用了 ICL7650集成运算放大器,由共模抑制比引起的误差是可以忽略的。(1恒流源特性分析可以将整个恒流源简化为图3-7所示的闭环系统控制框图(图中U02为放大器 VT1、VT2的基极电压。 图3-7恒流源闭环系统原理框图图中:K1= Ad /(Ad+2K2= Ad K3=/RbeK4= RN + RXK5= RX 闭环系统的传递函数为:T(s= IX (s/ Uin(s=K1K2K3/(K1K2K3K5+K3K4+1式中为功放驱动电路的放大倍数,10

12、00;Ad为3个运算放大器的开环电压放大倍数Ad140Db; Rbe为放大器 VT1、VT2 的b-e结电阻。假设放大器VT的基极电流为I0,由于运算放大器 N2A和功率管 VT1、VT2构成了电流的深度负反馈,同时运算放大器 N1A 和 N3A为电压的深度负反馈,即:In /U2=1/( RN+ RX则输出电流的近似表达式可简化为:In = IX= AdUin/(AdRN+ RX经反复测试,恒流源性能指标如下:a、12h内稳定度为0.01%(10A ;0.03%(5A ;0.05%(0.05A; 0.07%(0.005A;温漂0.05%/b、预热时间3minc、环境温度 0-60。用集成运算

13、放大器构成的恒流源电路中,基准电压是外设的,常用的有标准电池、锌汞电池或温度补偿型稳压管等,基准电压值的高低也可根据要求独立的选择。但是,对于集成稳压器构成的恒流源,它的基准电压内含于稳压器之中,大部分是固定的,并不设外引线端。因此选择了集成稳压器,它的基准电压值被同时确定了。常用的W317型三端可调式稳压器的基准电压最低,只有1.25V,W7805型三端固定式稳压器构成的恒流源为UR =U器WA724、WB724型的基准电压约为34V;而W2、YZ03-06型为6V:W723型为7v,但因其接有引出端,因而容易通过外接电阻分压器使基准电压值连续可调。用集成稳压器构成的恒流源时,其内部基准电压

14、高低的选择应该一分为二来分析。从提高调整率指标出发,基准电压值越高越好。但基准电压值越高,取得同样恒流源输出而采用的采样电阻值就大,因而增加了内部功耗,对于小电流恒流源问题不大,但对于安培级的恒流源,这样大的功耗就很难保证采样电阻的稳定性。据此考虑,基准点压低一些有利。但若基准电压太低,它和采样电压的差值就小,这对集成稳压器中放大器的增益、漂移和噪声提出了更高的要求。总之,在选择基准电压时要兼顾上述两个方面。一般原则是,对小电流恒流源,基准电压值可适当高一些。而对大电流恒流源,在满足调整率指标条件下,基准电压值低一些好。经综合分析考虑恒流源的基准电压用本设计的芯片供电电压源。对于输入基准电压U

15、in,特选用 PMI公司生产的REF02 芯片(由它产生基准电压Uin,它是+5V精密电压基准/温度传感器,在-55-125范围内,输出电压最大纹波系数的典型值为 0.05%。可以有效改善恒流源的稳定性、可靠性、漂移和噪声等指标。在测量大型电力设备的直流电阻时,为提高测量的准确性和快速性,要求测试仪表具有较大的恒流输出能力(0.1-10A,很小的纹波和很高的稳定度,才能用于如 110KV级以上的大型变压器绕组等感性负载直流电阻的准确、可靠测量。本文研究的恒流源能够稳定输出的最大电流为 10A,用于测量m级感性负载的直流电阻。由于一般的集成运算放大器的输出电流比较小,不能直接驱动较大的功率管,因

16、此,要获得10A恒流源,就必须采取扩流技术。本文采用了前级驱动后级的办法,以达到扩流目的。 图3-8扩流电路原理图图 3-8表示恒流源的功率放大器环节,代替图3-5中的电流驱动电路VT1、VT2。其中RX和LX为被测感性负载的直流电阻和电感,RN为标准电阻。VTR1 选用DB237( NPN型 100V,2A,VTR2选用BD238( PNP 型 100V,2A作为前级驱动功率管。VTR3-VTR6选用MJ11032( NPN 型 120V,50A作为功率放大管。下面简单介绍恒流源功率放大器的工作原理。当来自N2A的输入电压为正时,图3-8就是一个输出正电压的功率放大器,此时。调整管 VTR1

17、、VTR3、VTR4 导通,VTR2,VTR5,VTR6截止;当来自 N2A的输入电压为负时,图 3-8就是一个输出负电压的功率放大器,此时调整管VTR2,VTR5,VTR6 导通,VTR1,VTR3,VTR4截止。由于功率管的耗散功率和输出电流较大,一个功率管往往不够用,为此采取了将参数相近的功率管并联的方法。如果只是将它们各自的3个极简单地并联,将导致各个功率管流过电流的差别很大,从而造成其中某个功率管负担过重而损坏。为避免因功率管的特性不完全相同所造成的电流分配不均,需采取均流措施,即在各个功率管的发射极上接入一个平衡电阻 R5-R8,其上的电压降与流过的电流成正比,构成电流负反馈,从而

18、使并联的几个功率管的电流比较接近。当平衡电阻增大时,其电流负反馈的作用愈强,均流的效果也就愈好;但平衡电阻上消耗的功率也就愈大。因此在设计时必须兼顾这两个方面。实践表明,取平衡电阻上的电压降在0.1-1.0 V之间比较合理。均衡电阻选用10K电阻。调整管,尤其是达林顿管 MJ11032是恒流源电路中承受功率损耗最大的功率管。晶体管的结温随着耗散功率的增大而升高,而晶体管的使用寿命随着结温的升高而呈指数下降。因此,调整管的散热问题是决定恒流源可靠性、稳定性的一个重要因素。3.2.4 标准电阻的选择及继电器开关模块的设计1、标准电阻的选择用集成稳压器构成恒流源时,由于采样电阻串联在主回路内,因而采

19、样电阻自阻值的精度、功率容量、温度系数、时效变化等,对恒流性能有至关重要的影响。因此,通常的碳膜电阻不宜采用,而应选择精密金属膜电阻或精密线绕电阻。大电流输出时,最好采用温度系数更小的锰铜丝线绕电阻。由于此时的采样电阻值很小,只有零点几欧到几欧,因此必须用电流接头和电压接头分开的标准电阻。另外,连接线的长短粗细、焊接的质量、调节机构的接触电阻和稳定性也将直接影响采样值,应予以充分注意。为了避免采样电阻发热造成的不稳定,电阻功率要有一定的富裕量,必要时还应采取散热和恒温措施。连续可调问题:根据恒流源输出电流的一般表达式IH =UR/RS,可见,为得到输出电流可调的恒流源,或改变基准电压UR ,或

20、改变采样电阻RS。然而大多数集成稳压器的基准电压都是固定的,因此只有改变采样电阻。对于电流可调范围不大的恒流源,输出微调可采用精密多圈电位器。调节范围大时,则用多个电阻经转换开关改变量程。需要注意的是,开关的接触电阻必须很小,最好采用同一批号的电阻。顺便指出,上述通过改变采样电阻调节输出电流的方法有许多问题:(1电阻串联在主回路内,而采样调节机构不可能十分稳定,因而直接影响到输出电流的稳定性;(2为了减少功耗,RS足值取小一些好,所以调节范围不可能很宽;(3除非设置负电源,否则不可能从零起调;(4对于高精度恒流源,几乎不可能改变作为标准的采样电阻。因此,对于大电流精密恒流源,最好采用基准电压的

21、采样电阻。阻止的确定由公式(6IX = U in/ RN(6可知RN = U in/ IX(7 2、继电器开关电路的设计由于恒流源输出的电流值要有六个不同的值,通过改变标准电阻的值去改变恒流源的输出电流的值,因此要有六个不同的标准电阻作为恒流源的标准电阻,六个电阻间需要切换,所以需要有控制开关来实现电阻间的切换,本设计利用电磁继电器来实现它们之间的切换。继电器是电气控制中常用的控制器件,它实际上是用较小的电流去控制较大的电流的一种“全自动开关”,因此在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器(EMR一般有通电线圈和触点(常开或常闭构成。当线圈通电时,由于磁场的作用,使常开触点闭

22、合以及常闭触点断开,而触点输出部分可以直接与高电压连接,控制执行机动作。电路接线如图3-9。图3-9是电磁继电器的常用的接口电路,适用于继电器线圈工作电流小于300mA的场合继电器由晶体管9013驱动,继电器的动作由8051单片机控制。当有低电平输出时继电器J吸合;高电平时释放;采用这种控制逻辑可以使单片机在复位时,继电器不吸合。 注:R1、R2为1K,VD为二极管;VT为晶体管图3-9继电器开关原理图二极管VD的作用是保护晶体管VT。当继电器K吸合时,二极管VD 截止,不影响电路工作。继电器K释放时,由于继电器线圈存在电感,这时晶体管VT已经截止,所以会在线圈的两端产生较高的感应电压,这个感

23、应电压的极性是上负下正,正端接在VT的集电极上,当感应电压大于晶体管的集电结反向耐压时,晶体管VT就有可能损坏。加入二极管VD 后,继电器线圈产生的感应电流由二极管VD流过,因此不会产生很高的感应电压,晶体管VT得到保护。继电器的选型: 图3-10继电器型号说明继电器是重要的电子基础元件,它有自己的性能和工艺特点,在使用中,这些性能和特点都能影响到控制系统的质量和技术经济指标,因此对用户来讲首先是根据整机线路要求正确选用合适的型号,其次是正确使用继电器,否则,一是不能充分发挥继电器性能的作用和维持固有的稳定性,甚至造成浪费。二是不能保证控制系统正常工作,从而危机到设备、系统的可靠性。型号说明如

24、图3-10正确选用继电器的原则:a、继电器的技术性能:如触点负荷,动作时间及电气参数,机械和电气寿命等,应完全满足整机系统所提出的要求。b、继电器的结构形式(包括安装方式外形尺寸应符合使用条件的要求。c、根据工作条件合理选用继电器,如环境温度,使用湿度,振动与冲击,辐照及电磁干扰等,应不影响继电器的使用要求。本设计采用JQX-21F-2Z电磁继电器,其各项指标可以达到要求,技术参数如下表 继电器与单片机的连接:继电器的闭合、断开由单片机进行控制,由单片机的三个引脚通过控制3-8译码器74LS138选择接通继电器,由于继电器电路是在有低电平时动作,而74LS138输出信号也是低电平有效,所以不在

25、需要中间环节有取反电路。74LS138简介:74LS138 为 3 线-8 线译码器,共有 54/74S138和54/74LS138 两种线路结构型式,其工作原理如下:当一个选通端(E1为高电平,另两个选通端(/(E2和/(E3为低电平时,可将地址端(A、B、C的二进制编码在一个对应的输出端低电平译出。真值表如表 3.3,引脚图如图3-11。表 3.3: 图3-11 74LS138引脚图温度过高将直接影响到测量的准确性,甚至会是测量结果错误,因此系统必须对温度进行监测,为防止机箱温度过高,特采用温度传感器进行温度监测。因此特选用REF02P芯片。它是+5V精密电压基准/温度传感器 ,准确度是士

26、0.02% ,温度输出电压10mv/。温度稳定性250ppm/,它的原理是将温度转换成电压的输出。输出电压值随着温度的升高而升高。温度监测模块的工作原理是将温度传感器的输出电压通过A/D 转换器ADS7825的AIN2通道输入到单片机中,由单片机进行判断,当温度过高时,传感器的输出电压就会高于一定的值,单片机就发出命令,中断测量过程。由于REF02是精密电压基准/温度传感器,输出的电压比较稳定,所以将REF02的输出5V电压作为恒流源的基准电压。电路接线如图3-12所示 图3-12 RE F02温度传感器接线原理图放电回路的电路原理图如图3-13所示测量结束时,将继电器断开,电源回路断电,因变

27、压器绕组具有大电*(di/dt,因感,电流不能立即降为零,这样就会产生很大的电势e=LX此必须加有放电回路,否则会危及到测量人员和设备的安全,在本放电回路中,当继电器断开后,二极管Dl导通,绕组中电流通过放电电阻R 和二极管形成回路,完成放电过程。放电电阻的选择要适当,放电电阻越大。电阻上消耗的功率越大,放电时间越短,放电回路两端的电压越高。因此放电电阻的选择既要控制放电电压值是安全的,又要使放电时间尽可能短。本设计中选择10K放点电阻。 图3-13放电回路原理图由前面分析可知 ,由于变压器绕组具有较大的电感和较小的电阻 ,对纹波而言相当于一个放大环节,即便是一个较小的脉动量都将被进一步放大若

28、干倍。由于这种纹波的存在 ,势必要影响到电阻值测量的准确性和稳定性(实践中也证明了纹波存在的危害性。为此采用了两级压控电压源低通滤波器。 图3-14低通滤波器集成运放在有源RC滤波电路中作为高增益有源器件使用,组成无限增益多反馈环型有源滤波电路,而当作为有限增益有源器件使用时,则可组成所谓的压控电压源滤波电路VCVS。二阶压控电压源低通滤波电路如图3-14所示,由图可见,它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成,其中同相比例放大电路实际就是所谓的压控电压源,其特点是,输入阻抗高,输出阻抗低。器件值为:R1=R2=300K,C1=0.22F,C2=0.47f,其增益为1,采用同相方式,其截止频率fc5Hz。1所