干式變壓器溫控器的設(shè)計(jì)

江 麗，張曉天

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421002)

1 溫控器的硬件設(shè)計(jì)

干式電力變壓器具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等多數(shù)優(yōu)點(diǎn),其廣泛應(yīng)用于大型建筑工業(yè)和其他現(xiàn)代化工業(yè)城市的基礎(chǔ)建設(shè)中。干式電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)時(shí)間使用壽命的安全可靠性在很大程度上主要還是取決于采用干式電力變壓器供電繞組的熱絕緣的安全穩(wěn)定運(yùn)行和使用可靠性。本設(shè)計(jì)主要模塊包括溫度采集和測(cè)控模塊，信號(hào)放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示和報(bào)警模塊。測(cè)溫傳感器采用熱敏電阻 Pt100，放大傳感器 LM324， MCP3204轉(zhuǎn)換器，測(cè)控系統(tǒng)采用單片機(jī)控制器ATmega16，數(shù)字顯示，聲光報(bào)警器采用三極管c9013驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)干式變壓器發(fā)生溫度異常，溫度傳感器收到異常信號(hào)，超出單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，由溫度傳感器向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，再由單片機(jī)向聲光報(bào)警器發(fā)出信號(hào)，指示燈常亮，并且蜂鳴器發(fā)出聲音，來(lái)提醒操作人員變壓器異常。圖1為溫度控制器原理方框圖，圖2為控制器硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖。

圖1 溫控器原理方框圖

圖2 溫控器硬件設(shè)計(jì)原理圖

1.1 溫度采集和測(cè)控模塊

本設(shè)計(jì)的溫度采集模塊中，主要采用三個(gè)鉑電阻(熱阻)元件作為溫度傳感器，預(yù)埋在干式變壓器三相繞組線包中，測(cè)量干式變壓器三相繞組的工作溫度。其中鉑電阻的電阻值隨工作溫度的升高和變化而發(fā)生變化。其中鉑電阻值與工作溫度的變化速率成正比。隨著工作溫度的升高,呈不斷地增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。鉑電阻的測(cè)溫過(guò)程是傳感器在測(cè)量時(shí)將鉑電阻值放在一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的一個(gè)過(guò)程。

Pt100鉑電阻工作原理：

Pt100鉑電阻溫度儀表用于直接測(cè)量介質(zhì)中的金屬鉑在介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)的平均溫度,其電阻值也隨之發(fā)生變化。溫度顯示儀表用于直接顯示金屬鉑電阻的電阻值及其對(duì)應(yīng)的介質(zhì)溫度顯示值。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在一定的溫度梯度時(shí),被測(cè)介質(zhì)的溫度值表示為感溫元件范圍內(nèi)所有介質(zhì)層的平均溫度。

Pt100鉑電阻振動(dòng)元件產(chǎn)品采用的是從德國(guó)原裝公司進(jìn)口的一種薄膜新型鉑電阻振動(dòng)元件,具有電壓振動(dòng)強(qiáng)度偏差小、電氣穩(wěn)定振動(dòng)性能好、耐劇烈振動(dòng)、可靠性高、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、產(chǎn)品質(zhì)量使用壽命長(zhǎng)、安裝方便等一系列重要優(yōu)點(diǎn)。

Pt100鉑熱電阻的優(yōu)點(diǎn):

1) 壓力彈簧式感溫元件，抗振能力好；

2) 無(wú)需使用補(bǔ)償導(dǎo)線，節(jié)省費(fèi)用;

3) 測(cè)量精確度高;

4) 進(jìn)口薄膜的交流電阻自動(dòng)保護(hù)控制元件,性能可靠、穩(wěn)定;

5) 機(jī)械傳動(dòng)強(qiáng)度高,耐壓和抗腐蝕導(dǎo)熱性能好。

采集后的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大與AD采集模塊處理后送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理。本篇設(shè)計(jì)采用單片機(jī)ATmega16作為控制器。它具有可編程、高性能、低功耗的8位AVR微處理器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能等特點(diǎn)。

圖3 鉑電阻溫度傳感器的電路設(shè)計(jì)

1.2 放大電路的設(shè)計(jì)

放大器控制裝置是一種主要用于自動(dòng)控制一個(gè)能夠同時(shí)自動(dòng)放大特定兩個(gè)輸入輸出信號(hào)的放大電壓或特定輸出信號(hào)功率的小型放大器控制裝置。它由線性電子管或線性晶體管、電源管或變壓器和其他的主要電氣電子元件共同組成，主要用于自動(dòng)控制無(wú)線通信、廣播、雷達(dá)、電視等各種電子通信設(shè)備。

LM324是一種具有四個(gè)運(yùn)算放大器的集成運(yùn)算信號(hào)放大器。LM324由于其具有價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)控制和一般精密儀器信號(hào)的放大。其穩(wěn)定性、線性度、增益、溫度穩(wěn)定性等主要的指標(biāo)均不低于專(zhuān)用的精密儀器運(yùn)算放大器。

圖4放大電路與AD芯片

放大電路，可以增強(qiáng)信號(hào)的輸出功率。它的功能是放大鉑電阻發(fā)出的電信號(hào)，并將其發(fā)送到單片機(jī)。根據(jù)設(shè)置，放大器放大電信號(hào)，并隨鉑電阻發(fā)出的信號(hào)的變化而變化。本篇設(shè)計(jì)選用的放大器型號(hào)是LM324。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理和功能主要是將連續(xù)時(shí)間和離散幅度的數(shù)字信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換成離散幅度時(shí)間和連續(xù)幅度的離散數(shù)字信號(hào)。因此,A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程一般包括四個(gè)主要的過(guò)程:采樣、保持、量化和數(shù)字信號(hào)編碼。本篇設(shè)計(jì)主要選用MCP3204轉(zhuǎn)換器。由于其極低的消耗和靈活的嵌入式工作模數(shù)轉(zhuǎn)換方式,它廣泛適用于各種電池設(shè)備的供電控制系統(tǒng)、便攜式的儀表、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)字傳感器接口的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1.3 聲光報(bào)警器電路設(shè)計(jì)

圖5 聲光報(bào)警器電路圖

當(dāng)實(shí)際溫度高于限定值，相關(guān)的單片機(jī)發(fā)出特定信號(hào)，使三極管閃動(dòng)，發(fā)出光警報(bào)，同時(shí)向蜂鳴器發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲警報(bào)。

聲光報(bào)警器(Audible and visual alarm)，是為了滿足用戶對(duì)聲光報(bào)警器的響度和報(bào)警器安裝位置的安全性等特殊要求而設(shè)計(jì)安裝的。同時(shí)發(fā)出了聲光報(bào)警器的信號(hào)。但是在聲光報(bào)警器全部安裝到位后,其安裝位置不能自行改變。

蜂鳴器和LED構(gòu)成聲光報(bào)警器。變壓器溫度異常時(shí)，聲光報(bào)警，信號(hào)燈亮。

聲光報(bào)警器特點(diǎn)：

1) 亮度閃爍，警報(bào)聲音響亮，音調(diào)可選。 體積小，重量輕。

2) 能長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可持續(xù)運(yùn)行，工作穩(wěn)定可靠。

3) 經(jīng)久耐用，音量大，因此很容易在遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)聲音。

2 總結(jié)

干式變壓器的運(yùn)行中,監(jiān)測(cè)和管理控制干式變壓器絕緣繞組的溫度異常是我們保證干式的變壓器安全可靠正常運(yùn)行的重要手段和措施。本篇設(shè)計(jì)核心控制器采用單片機(jī)ATmega16。它具有可編程、高性能、低功耗、且自帶AD采集功能。采用鉑電阻作為溫度傳感器，精確度高，誤差小。設(shè)計(jì)的溫度控制器穩(wěn)定性好可靠性高。