一、引 言
變壓器在制造或大修過程中?按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求?半成品及成品必須進(jìn)行變比測(cè)試。變比測(cè)試原理主要有雙電壓表法和電橋法兩種。前者比較簡(jiǎn)單?但精度較差；后者結(jié)構(gòu)與操作較復(fù)雜?但精度很好。
目前國(guó)內(nèi)的變比測(cè)試儀產(chǎn)品研制現(xiàn)狀是：采用雙電壓表原理的變比測(cè)試儀?從九十年代起已逐步有帶微處理器的智能化產(chǎn)品上市?但精度和穩(wěn)定性差?基本達(dá)不到要求；而采用電橋法原理的變比測(cè)試儀?還停留在人工平衡的電工型儀器的水平?即操作繁瑣、功能少、安全性差、技術(shù)水平落后的狀態(tài)。
針對(duì)這種情況?我們?cè)陔姌蚍ㄔ淼幕A(chǔ)上?攻克了一些技術(shù)關(guān)鍵?用微處理器實(shí)現(xiàn)了電橋的自動(dòng)平衡?并充分發(fā)揮了微處理器的強(qiáng)大功能。我們研制的變比測(cè)試儀具有對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、存儲(chǔ)、顯示、打印、通訊及對(duì)測(cè)試過程異常情況自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)等特點(diǎn)。這些智能化特點(diǎn)是電工型儀器產(chǎn)品無法相比的。
該成果經(jīng)國(guó)內(nèi)專家鑒定?認(rèn)為具有國(guó)內(nèi)**水平?可與國(guó)外同類產(chǎn)品相媲美?并獲機(jī)電部科技進(jìn)步獎(jiǎng)及實(shí)用新型**。該成果現(xiàn)已轉(zhuǎn)化為批量產(chǎn)品?在國(guó)內(nèi)許多變壓器制造廠與電業(yè)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用?還遠(yuǎn)銷越南、臺(tái)灣、香港等國(guó)家與地區(qū)。
該產(chǎn)品能滿足各種單相、三相變壓器變比測(cè)試的要求?特別適宜裝備各大中小型變壓器生產(chǎn)廠及變壓器檢修單位?完全可替代國(guó)外同類產(chǎn)品?且價(jià)格低廉。
下面重點(diǎn)介紹該變比測(cè)試儀的功能、原理與設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
二、主要技術(shù)指標(biāo)與功能
1?變比測(cè)量范圍：1?000～1000；
2?偏差范圍：儀器能自動(dòng)計(jì)算實(shí)測(cè)變比對(duì)理論變比的偏差值?其范圍為±19?9％；
3?測(cè)量誤差：不大于0?1％＋3個(gè)字；
4?測(cè)量時(shí)間：儀器在測(cè)量過程中?自動(dòng)判定高低壓的正確性?自動(dòng)處理極性正反?并自動(dòng)平衡電橋?整個(gè)過程小于4秒；
5?聯(lián)接組選擇：儀器能適用任何聯(lián)接組的變壓器?能滿足 IEC／VDE、ANSI／IEEE 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）等對(duì)聯(lián)接組的規(guī)范；
6?分接點(diǎn)：多達(dá)十九個(gè)分接點(diǎn)?各分接點(diǎn)的分接值可任意設(shè)置；
7?自動(dòng)存儲(chǔ)各相、各分接點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果?
可逐點(diǎn)打印或成批打印輸出；
8?能自動(dòng)切換正反極性；
9?具有高低壓繞組接反報(bào)警與保護(hù)功能。
三、工作原理
1?電橋原理
電橋法變比測(cè)量基本原理如圖1a 所示。
圖1a 中 ?T N 為可調(diào)變比的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器 ?T X 為被測(cè)試變壓器 ?U0 為激勵(lì)電壓 ?˙UN為電橋平衡回路的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)電壓 ?˙UX 為被試側(cè)
電壓?Δ˙U 為差值電壓。其關(guān)系為Δ˙U＝˙UX－˙UN （1）
矢量關(guān)系如圖1b 所示。
調(diào)節(jié) T N 的變比?可使電橋平衡?即滿足｜Δ˙U｜·cosα＝0 （2）
此時(shí) KN＝KX （3）
式中?KN、KX 分別為 T N、T X 的變比。
這就是電橋法測(cè)量變比的基本原理。
圖2為變比儀電橋回路原理圖。
圖中?由互感器 PT1、PT2 組成的互感器組相當(dāng)于圖1a 中的 T N?即電橋平衡回路中的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)；互感器 PT3 與被試變壓器 T X 組合起來相當(dāng)于圖1a 中的
T X?即平衡回路的被試側(cè)。開關(guān) SW1 由多個(gè)繼電器組成?受微處理器控制?實(shí)現(xiàn)電橋標(biāo)準(zhǔn)側(cè)變比的調(diào)節(jié)；開關(guān) SW2 用于切換極性正反?也由微處理器自動(dòng)切換；開關(guān) SW3 用于變比測(cè)量范圍切換：當(dāng)變比為1～10時(shí)?SW3 處于圖中Ⅰ位；變比為10～100時(shí)?SW3 處于Ⅱ位；變比為100～1000時(shí)?SW3處于Ⅲ位?由微處理器自動(dòng)切換。開關(guān) SW4、SW5 分別為聯(lián)接組高壓側(cè)、低壓側(cè)選擇開關(guān)?由操作人員根據(jù)被試變壓器的聯(lián)接組別進(jìn)行人工切換?即使被測(cè)變壓器是三相變壓器?儀器通過開關(guān) SW4?SW5 后?每次只對(duì)某一相進(jìn)行變比測(cè)試。SW6 的作用是：當(dāng)進(jìn)行變比測(cè)試時(shí)?SW6 閉合?給電橋標(biāo)準(zhǔn)側(cè)與被測(cè)試側(cè)提供加載電壓U0 ；電橋平衡后 SW6 斷開?切斷加載電壓?使操作人員在改換被試變壓器端子時(shí)?不會(huì)帶電操作?確保安全。
PT1、PT2、PT3 與 T X 的變比分別為K1、K2、K3 與KX ?當(dāng)電橋平衡時(shí)?
根據(jù)公式（3）可得K1·K2＝K3·KX （4）
KX ＝K1·K2K3（5）
2?儀器硬件總原理
圖3為變比儀硬件總原理框圖。
虛線框內(nèi)為變比儀電橋回路（見圖2）?微處理器由 CPU、RAM、ROM、時(shí)鐘等部分組成?為該儀的核心。在軟件的控制下?實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理等功能。微處理器經(jīng)過輸入接口從儀器面板上的鍵盤及有關(guān)開關(guān)獲得操作人員的有關(guān)操作命令、輸入?yún)?shù)等信息?并經(jīng)過輸出接口?將處理的結(jié)果送給數(shù)碼顯示器、訊響器及打印機(jī)?實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交換。這是智能化儀器*基本的部分。
屬于該變比儀特有的內(nèi)容為：在電橋平衡前?微處理器要控制電橋并輸入有關(guān)電橋回路的信號(hào)?判定高低壓的正確性及極性的正反?并作出進(jìn)行報(bào)警保護(hù)或進(jìn)行電橋平衡過程的選擇；在電橋平衡過程中?微處理器要不斷地輸入電橋回路的當(dāng)時(shí)狀態(tài)?并不斷地修正電橋標(biāo)準(zhǔn)側(cè)的變比使電橋趨于平衡?反復(fù)此過程?直至電橋平衡?獲得變比KN ；在電橋平衡后?微處理器要采集開關(guān) SW4?SW5 的狀態(tài)?了解聯(lián)接組的選擇?進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?求出KX、偏差值等結(jié)果。這三個(gè)過程中?微處理器需要輸入電橋平衡狀態(tài)的信號(hào)有模擬量˙UN、˙UX、Δ˙U 及開關(guān)量 SW4、SW5?需要輸出控制電橋的信號(hào)全部為開關(guān)量SW1、SW2、SW3、SW6。除模擬量需經(jīng)過模擬量處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再經(jīng)輸入接口傳給微處理器外?其他開關(guān)量信號(hào)均直接經(jīng)輸入、輸出接口與微處理器總線相連。
3?儀器軟件總框圖
儀器軟件總框圖如圖4所示。
圖4 儀器軟件總框圖從軟件總框圖中可以看出?軟件是由四塊功能模塊組成。
（1）調(diào)試狀態(tài)功能模塊。是儀器的輔助部分?含有各輸入、輸出接口獨(dú)立操作的控制功能及各輸出設(shè)備演示檢測(cè)功能等。便于調(diào)試或維修人員能方便地判斷儀器是否正常工作?或判斷儀器故障所在部位。在儀器做老化試驗(yàn)時(shí)?還能提供一個(gè)模擬儀器各種運(yùn)行狀態(tài)的循環(huán)動(dòng)作?從而提高試驗(yàn)的質(zhì)量。這是智能化儀器優(yōu)于其他常規(guī)儀器的一大特點(diǎn)。
（2）參數(shù)輸入功能模塊為儀器提供一個(gè)參數(shù)輸入狀態(tài)。在此狀態(tài)下?操作人員通過面板上的鍵盤?輸入被試變壓器的額定變比、要測(cè)試的分接點(diǎn)號(hào)、分接點(diǎn)值（若是等分接變壓器還可輸入分接級(jí)值）等參數(shù)?供儀器結(jié)果處理、顯示和打印輸出時(shí)用。儀器可由該狀態(tài)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)與存儲(chǔ)值顯示狀態(tài)。也可由測(cè)試狀態(tài)、存儲(chǔ)值顯示狀態(tài)或開機(jī)復(fù)位進(jìn)入該狀態(tài)。
圖5 測(cè)試狀態(tài)流程圖
（3）測(cè)試狀態(tài)模塊是儀器*核心的模塊。其功能有判定高低壓接反、判定極性、判定KX越限、控制電橋平衡、*終得出被試變壓器的KX 、偏差等結(jié)果、顯示、存儲(chǔ)并可根據(jù)需要打印輸出等內(nèi)容。其流程見圖5。
（4）存儲(chǔ)值顯示狀態(tài)功能模塊。在該狀態(tài)下?操作人員可通過鍵盤逐個(gè)調(diào)出每相、各分接點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果顯示于數(shù)碼窗?并可通過打印機(jī)成批輸出。
四、設(shè)計(jì)特點(diǎn)
圖6 組合式濾波器原理框圖變比儀是一臺(tái)既復(fù)雜又精密的電子儀器?雖然主要分為硬件和軟件兩大部分?但設(shè)計(jì)內(nèi)容很多。由于篇幅所限?這里只簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)較為特殊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
1?電橋回路
該儀器電橋回路采用互感器 PT1 與 PT3 來實(shí)現(xiàn)被試變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)回路電的隔離?使儀器能安全地測(cè)試各種高壓側(cè)、低壓側(cè)不隔離的變壓器（如自耦變壓器）?解決了其他變比儀存在的測(cè)試這種變壓器時(shí)可能造成的U0 短路問題。
電橋電路中的 PT2 是個(gè)關(guān)鍵的精密互感器?為滿足足夠的分辨力?該互感器必須有相當(dāng)多的繞組?但為使電橋能迅速達(dá)到平衡?其繞組又不宜太多；再考慮到微處理器軟件處理的方便?故對(duì)儀器的 PT2 采用了二進(jìn)制的繞組分布?其匝數(shù)分別為20?2－1?……2－15。*差的分辨力為2－16×10≈0?015％
0?015％遠(yuǎn)小于0?1％?能滿足精度的要求?且繞組又不算多。
2?Δ˙U 信號(hào)通道
Δ˙U 是電橋的差值信號(hào)?它反映電橋失衡狀況?是儀器中*關(guān)鍵的信號(hào)。設(shè)計(jì)中考慮了以下兩點(diǎn)。
（1）足夠的增益?以保證電橋的靈敏度。當(dāng)電橋平衡時(shí)?Δ˙U 可能會(huì)小到接近零的程度?*小的｜Δ˙U ｜＜U0／K1 ×2－16?屬于幾十μV 級(jí)的信號(hào)?必須有足夠的增益將此放大到后級(jí)能處理的程度。
（2）濾波處理。由于被試變壓器鐵磁材料的非線性因素?˙UX 相對(duì)于˙UN 會(huì)產(chǎn)生一定的失真?當(dāng)電橋平衡時(shí)?˙UX 、˙UN 的基波幾乎被抵消?在Δ˙U 中將剩下豐富的諧波成份?會(huì)干擾微處理器對(duì)電橋失衡方向及程度上的正確判斷?而影響正確控制電橋平衡?造成較大的測(cè)試誤差。為此必須對(duì)Δ˙U 進(jìn)行高質(zhì)量的濾波。儀器采用了組合式濾波電路?如圖6a 所示。
圖6a 中?①、②級(jí)為帶阻濾波器?分別吸收2ωt ?3ωt 諧波；第③級(jí)為帶通濾波器?只通過50Hz 基波信號(hào)?并對(duì)高次諧波進(jìn)一步衰減。這三級(jí)組合成的幅頻特性如圖6b 所示。為保證較好的選頻特性?這三級(jí)濾波器單元均選用二階高Q 有源濾波電路?該組合濾波器對(duì)3ωt 以上諧波抑制比不小于38dB?證明效果很好。
帶阻濾波器單元電路如圖7所示。
3?軟件部分
為減少內(nèi)存開銷?提高軟件可靠性及可擴(kuò)展性?軟件設(shè)計(jì)時(shí)?采用了模塊化結(jié)構(gòu)?并采取了冗余、陷井等抗干擾及時(shí)序優(yōu)化等技術(shù)對(duì)策?這些是智能化儀器的基本措施。除此之外?儀器還有它自己的特性。
（1）電橋失衡方向的鑒別方法前面已經(jīng)談過 ?電橋平衡條件是滿足公式
（2） ?電橋失衡時(shí) ?可根據(jù)｜Δ˙U｜·ccosα＞0或｜Δ˙U｜·cosα＜0?即可代表其失衡的方向?這是微處理器*關(guān)心的信息。
Δ˙U 可用時(shí)域的函數(shù)來表達(dá)?即
Δu ＝ 2｜Δ˙U｜·sin（ωt ＋α） （6）
用ωt ＝π2代入式（6）?得ΔU｜π2＝ 2｜Δ˙U｜·cosα （7）
根據(jù)式（7）我們可以在π2時(shí)?對(duì)ΔU 進(jìn)行瞬時(shí)值采樣?而獲得與Δ˙U 同相分量成線性關(guān)系的信號(hào)?再根據(jù)此信號(hào)的符號(hào)就可鑒別出電橋失衡的方向。有關(guān)更詳細(xì)地論述見參考文獻(xiàn)
［3］?這是變比儀控制電橋平衡的關(guān)鍵。
（2）電橋平衡過程控制
電橋平衡的控制過程?類同許多高速 A／D轉(zhuǎn)換器的逐位逼近過程。如圖8所示。
首先?微處理器通過開關(guān) SW1 送出*高位?緊接著微處理器采集ΔU｜π2?并判定電橋失衡方向?決定該位保留還是**；然后送出下一位進(jìn)行上述過程。這樣逐位處理后?使電橋逐漸趨平衡?直至*低位處理完畢?即完成電橋平衡控制的全部過程。根據(jù)上述各位的狀態(tài)?即可求得KN ?進(jìn)而再去求KX 。
（3）系統(tǒng)通迅功能
本儀器與國(guó)外多數(shù)智能化儀器一樣?備有系統(tǒng)通訊擴(kuò)展功能?使儀器可以與上位機(jī)直接聯(lián)接?或通過掌上機(jī)作為媒介與上位機(jī)聯(lián)接?進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?為儀器方便地進(jìn)入各種測(cè)試 、控制、管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
（4）其 他
本變比儀為適用于國(guó)內(nèi)、國(guó)外用戶在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室使用?在結(jié)構(gòu)上采用了加強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱?面板采用了 PVC 面膜加觸摸鍵?面板與背板上的標(biāo)注注意了國(guó)標(biāo)、IEC、ANSI 等標(biāo)準(zhǔn)的兼容 。為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠?故障率低?儀器的主要元器件采用了國(guó)外有名公司或國(guó)內(nèi)**企業(yè)的產(chǎn)品?并經(jīng)過嚴(yán)格地工藝?yán)匣Y選。
五、結(jié)束語
智能化變比儀盡管功能和性能超過常規(guī)的變比儀?但操作卻變得更簡(jiǎn)單、更直觀?變比測(cè)試因此變得輕松自如?數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確?報(bào)告變得更加規(guī)范?這反映了智能化儀器的共性。由于篇幅的原因?以上介紹的僅是輪廓?加之水平與時(shí)間的限制?謬誤肯定存在?望得到同行的指教。
