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毕业设计论文李德生
毕业设计(论文)
题目风冷式电力变压器温度监控系统设计
系别电气工程学院
专业电力系统自动化技术(风动)
班级风能11
姓名李德生
学号201102105113
指导教师(职称)郭志成(助教)
日期
摘要
电力变压器是电力系统中的重要设备。
为了保护变压器,保障供电系统的安全,可靠运行,需要对变压器的温度进行监控,高压时报警,超温时跳闸。
本设计针对电力变压器冷却系统中使用常规控制系统时存在的控制回路复杂、可靠性低、风机保护方式简单、油温测量精度低、控制误差大、无法进行远程通讯等问题,设计了一套智能化变压器温度监控系统。
智能变压器温度控制器是以MCU为核心,采用PT100传感器,将其直接埋入变压器线组内,对三相温度进行测量和控制。
实现了对变压器油温的实时采集、LED显示、数据无线传输,并参考油温变化对风机的运行状况进行实时控制。
当风机有故障时,控制器还可以发出故障报警信号和保护信号,以确保变压器和其他设备的安全运行。
关键词:
单片机、变压器冷却系统、风机故障、油温采集
ABSTRACT
Powertransformeristheimportantequipmentinpowersystem.Inordertoprotectthetransformer,toensurethesafetyofthepowersupplysystem,reliableoperation,theneedtomonitorthetemperatureofthetransformer,highvoltagealarm,trippingovertemperature.Thisdesignforpowertransformercoolingsystemusedintheconventionalcontrolsystemofcomplicatedcontrolcircuit,lowreliability,fanprotectionwayissimple,lowoiltemperaturemeasurementprecision,largecontrolerror,couldnotbetheproblemsuchastelecommunications,designasetofintelligenttransformertemperaturemonitoringsystem.IntelligenttransformertemperaturecontrollerbasedonMCUasthecore,usingPT100sensors,thedirectembedmentintransformerwindings,thetemperaturemeasurementandcontrolofthree-phase.Implementsoftransformeroiltemperaturecollection,LEDdisplay,datawirelesstransmission,real-timeandrefertotheoiltemperaturereal-timecontrolontheoperationconditionofthefan.Whenthefanisfaulty,thecontrollercanalsosignalfaultalarmandprotection,inordertoensurethesafeoperationofthetransformerandotherequipment.
∙Keywords:
SCM(SingleChipMicyoco),transformercoolingsystem,FanFailure,Oiltemperature`scollection
第一章绪论
风冷式变压器在生产生活中有广泛应用。
但是,风冷式电力变压器绕组过热的问题,大大缩短了风冷式电力变压器的寿命,是运行和制造部门研究和解决的重要问题之一。
随着变压器容量的增大,变压器的损耗同样会增大,单靠箱壁和散热器已不能满足散热要求,需采用子循环风冷或强迫油循环风冷,使热油经过强风冷却器,冷却后再用油泵送回变压器。
大容量的变压器已经采用导向冷却,在绕组和铁心内部,设有一定的油路,使进入油箱内的冷油全部通过绕组和铁芯内部流出,这样带走了大量的热量,可以提高散热效率。
变压器冷却系统决定了变压器的正常使用寿命及能否正常运行,因此变压器的冷却系统对变压器的安全经济运行又极其重要的意义。
在发电厂或变电所,风冷式变压器采用多组风机降温,控制变压器的油温在额定范围之内,保证变压器正常工作。
为了提高电力系统运行的可靠性和延长变压器的使用寿命,应该对变压器的油温进行实时监控。
电力变压器在运行过程中绝缘系统也一直承受着化学性质的老化,该过程是积累性的,并且能导致绝缘系统失去绝缘性能,危害电力设备的安全运行,缩短变压器的使用寿命,造成不必要的损失。
保证电力变器绕组始终工作在设定的温度范围内,是提高变压器使用寿命,保证电力设备安全工作的重要措施。
目前,还有许多变压器采用由电接点式温度计采集、显示变压器油温,控制风机的启动和停止,实现变压器的温度控制,在实际运行中,由于风机启动时全部投入,同时全部停止,冲击电流较大,严重影响了电机的使用寿命。
且由于无法和控制室联系,所以无法实现变压器的无人控制,增加了运行成本。
变压器温控器总存在一些问题,如测温误差大、抗干扰能力差等,这些都是在工程界非常棘手的问题。
而早期的温度控制器,由于体积大、操作复杂、抗干扰能力差,给工程现场的使用也带来了很大不便。
随着单片机技术的不断发展,温度控制器正向单片集成化、智能化的方向迅速发展。
针对电力变压器在运行过程中存在的问题,可以采用的智能温度控制系统,实现温度的自动采集、显示、风机的顺序起停。
根据现场运行要求,本设计选用了PIC16F877单片机构成变压器温度控制系统,设备操作简单,用户可通过面板按键轻松设定控制风机起停、报警及跳闸阀值,所有设定参数掉电后均不会丢失。
温度采集精度很高,并且采取了很多措施来保护电机,如过载、缺相保护等。
由于工业现场的环境较恶劣,会对系统产生很大的干扰,设计采取了抗干扰措施,在集成电路的电源入口处加了滤波电容,且送入单片机的信号都经过了光耦隔离。
最后通过无线通信实现远程监控,控制室通过无线通信及时掌握现场的运行情况,可任意对各种事故做出及时地反映,实现了变压器的无人控制。
系统整体具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强的特点,所有器件的选择均满足工业级标准,并适合高温环境。
由于采取了以上措施,可以保证控制系统稳定工作,设计具有很好的扩展性,能满足各种型号变压器的要求。
1.1设计任务
在我们的生活中,电力安全是至关重要的,而电力变压器又是电力系统的重要组成部分。
电力系统中常用的油浸风冷式电力变压器多采用多组风机降温,控制变压器的油温在工艺要求的范围之内。
目前现场还有相当数量的油浸风冷电力变压器由电接点式温度计采集、显示变压器油温,控制风机的启动和停止,实现变压器的温度控制,即在变压器油温大于上限温度时启动全部风机,当油温降至下限温度时停止全部风机。
而实际运行中这种控制方式有不少的缺点,如风机启动时全部投入,冲击电流太大,不利于系统的稳定安全运行。
针对以上种种问题,要求本设计选用一款集成度较高的单片机,设计一个电力变压器温度监控系统,对现有落后的温度控制系统进行改造,满足自动化要求。
本设计须完成风冷式电力变压器温度监控系统的主机部分的设计,主要包括以下工作:
(1)分析项目要求,收集电力变压器温度控制系统的控制原理的实际资料,以低成本为核心的温度控制系统的总体方案设计,系统的组成和工作原理,阐述温度控制系统的中各种监控保护电路在设计中的应用,以及如何以低成本完成这些电路的设计。
(2)系统的硬件设计,介绍主要硬件的选型及主要特点,设计中的温度传感器Pt100的采样和信号处理。
(3)各模块电路的设计及实现,根据设计题目选择合适的电器元件实现各模块的电路要求,并实现各模块之间的通信,涉及到各模块的功能和工作原理。
(4)为了使各模块正常可靠工作,设计符合要求的电源,并使的工作电源稳定可靠。
(5)完成系统的各个模块和电源之后,需要通过程序和单片机实现软件的连接,,则需要写出程序流程图,包括主程序流程图、中断子程序流程图和各模块子程序流程图。
(6)完成必要的英文翻译和总体设计说明书。
1.2设计要求
1.2.1毕业设计的主要内容
根据设计任务书的要求,需要完成以下三点的内容:
(1)完成系统设计;
(2)选择合适的单片机,作为主机CPU;
(3)独自完成主机硬件、软件设计,其中硬件部分主要包括温度采集、LED显示、主控电路、通讯电路、电源电路等,软件部分主要包括流程图设计、程序设计及调试。
1.2.2设计实现的主要功能
(1)将采集到的油温在就地和远端(控制室)用LED实时显示油温,实现主机和从机之间的通讯;
(2)系统设置自动、手动、停止三种运行方式,正常时采用自动方式运行,主控板检修时采用手动方式运行,并且能够灵活选择运行方式。
(3)在自动方式运行下,当变压器油温超过上限时,风机全部投入;当温度低于工艺下限时,风机全部停止;当温度由高下降到上限和下限的中间值时,只投入3组风机;在投入3组风机的状态,先运行的3组风机运行1小时后(这三组风机在变压器周围间隔安装),自动切换到另外3组(这三组风机也在变压器周围间隔安装),1小时后又切换到原来的3组,如此交替运行,既延长风机的使用寿命,又能使变压器均匀降温。
温度上限值和下限值可以通过硬件灵活设置,以适应不同类型和不同环境使用的变压器;变压器油温超过上限值时,风机群全部投入运行时,采用顺序启动方式依次启动,防止启动电流过大情况发生造成设备损坏;
(4)系统具有故障自诊断功能,当某一风机工作异常时如过压、缺相、过载时,系统能够在现场和控制室发出报警信号,显示故障类型和故障发生的位置,便于工作人员及时进行设备检修;
(5)系统设置正常运行、故障运行、油温超过75℃三项远传开关信号;
(6)本设计中油温的上限缺省值为55℃,下限缺省值为45℃,要求上限值和下限缺省值能够方便的通过按键调节;
1.3论文的组织结构
论文全文共分为5大章,整体内容安排如下所述:
第一章为绪论,主要说明了当前现有技术对风冷式电力变压器的保护所存在的问题和缺陷。
并对整个论文进行概述,包括所要完成的任务及整个论文的结构。
第二章是系统的总体方案设计,并对设计方案进行论述。
第三章是硬件电路模块的设计,主要有单片机的选型、振荡器的配置、温度采集电路设计、隔离电路的设计、键盘和显示电路、主回路设计、电源电路设计。
第四章是软件部分的设计,有软件需求分析和各模块软件流程图。
第五章为总结,通过毕业设计所学到的东西,并找出自己的不足之处。
第二章系统的设计方案
2.1系统工作的一般原理
传统的电力变压器由人工控制风机,每台变压器有6组风冷式电动机需要控制,每组风机的保护通过热继电器实现,控制风机电源回路通过接触器,而风机启停的逻辑判断通过测量变压器的油温和变压器的过负荷实现,工作原理如图2-1所示。
主电路控制元件采用了接触器,靠机械触点来实现对风机的驱动。
这种方式对风机的控制只能由人工完成,风机同时全部投入,同时全部停止,启动时冲击电流很大,会对器件造成损伤。
当温度在45℃-55℃时,通常采用全部投入的方式,不利于节能,也不利于设备的维护。
控制器系统采用继电器、热继电器、接触器逻辑电路控制,控制逻辑显得很复杂,在运行过程中会出现接触器的触点长时间接触及多次开断造成触点烧毁问题。
风机缺乏必要的过压、过载、缺相保护,实际运行中降低系统运行的可靠性,增加运行成本。
图2-1传统风冷机工作原理图
2.2智能温度监控系统的设计方案
本设计以PIC16F877单片机为核心完成系统的设计,要求对油温进行实时采集,将采集结果送入MCU进行处理,然后按照工艺要求进行相应的控制,实现对变压器温度的全自动远程和就地监控,系统要具有完善的保护功能,包括过压、过载、缺相检测和保护,还要具备故障自诊断功能,在故障出现时,给出故障信息,显示故障类型,便于工作人员及时进行检修;使用无线通信方式实现变压器控制器与中心控制室之间的数据通信。
使用户随时了解变压器及风机运行情况,实现远程温度控制。
整个课题包括系统设计,主机温度信号采集与调理电路设计,主机LED显示电路设计,主控电路设计,缺相检测与保护电路设计,过载保护与检测电路设计,从机设计,从主机LED显示电路设计,无线通信电路设计,主电路设计,主机从机电源设计,系统软件流程图设计,软件编程等。
温度信号的采集在设计中是最重要的部分之一,其可以采用铂电阻电桥组成的温度检测电路,也可以使用温度传感器来实现。
2.2.1方案设计
温度检测电路通过预埋在变压器中的铂电阻传感器获得油温信号,经信号调理电路处理后直接送入控制器的A/D转换输入端,PIC单片机根据信号数据及设定的各种控制参数,按照程序自动计算与处理,自动显示变压器油温,并输出相应的控制信号,控制风机的起停,电机的保护电路包括过压,过载,缺相等。
显示电路采用MAX7219,其只需要三根线就可控制八个数码管,特别适用于需要I/O口较多的系统。
信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室,以便对现场情况及时做出反应。
方案采用PIC16F877单片机,PIC处理器具有不同于一般微处理器的许多特性,它给出最大系统可靠性,通过减少外部元件使成本最小。
另外,还提供节电工作模式及提供编码保护等。
PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五组I/O口,完全可以满足本系统的要求,另外在其中嵌入一个8输入通道的A/D模块,不需要专门的芯片进行A/D转换;CCP模块可提供外部信号的捕捉、内部比较输出、及脉宽调制PWM功能;中断源多,具有看门狗定时器和睡眠功能;还可以在线串行编程、在线调试。
显示电路采用MAX7219,其只需要三根线就可可控制八个数码管,特别适用于需要I/O口较多的系统。
MAX7219为8位LED显示驱动电路,可以连续的驱动8位7段数据显示。
在芯片内部集成了一个BCD译码器,段地址和位地址驱动以及一个8
8位的静态随机存储器。
只需要一个外部电阻,就可以正确地驱动所有LED的段地址。
信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室。
以便对现场情况及时做出反应。
nRF401是一个433MHz工业、科学、医用频段设计的真正单片无线收发芯片,它采用频移键控调制技术。
nRF401发射速率可达20kb/s,发射功率可调,最大发射功率10dBm,接收灵敏度-105dBm,具有工作半径大、适应性强的特点。
天线接口设计为差分天线,便于使用低成本的印刷电路板天线。
nRF401还有待机工作方式,可以更省电和高效。
此外,该芯片只需少量外围元件,使用十分方便。
温度控制器系统框图如图2-2所示。
图2-2温度控制系统框图
2.3设计方案论述
单片机选用了PIC16F877,具有高性能、高可靠性、端口多等优点。
温度检测电路使用内置的铂电阻来检测温度变化,硬件电路较为简单,光电隔离使用线形光耦,具有较好的性能,抗干扰能力较强,显示电路使用MAX7219只占用三个I/O口连线较少,容易实现。
通信芯片nRF401,其通信距离远,且不用编码,软件较容易实现。
另外本方案还具有很好的经济性和可扩展性,可满足各种不同变压器的要求。
综上所述,本方案具有较高的性价比。
根据设计方案的说明可以看出,此方案具有较好的抗干扰性,可扩展,经济性较好,而且采用无线通讯,具有较高的性价比。
具体的硬件框图如下所示。
图2-5温度控制系统结构框图
如上系统框图所示,本设计以单片机为核心完成系统的设计,要求对油温进行实时采集,将采集结果送入MCU进行处理,然后按照工艺要求进行相应的控制,实现对变压器温度的全自动远程和就地监控,系统要具有完善的保护功能,包括过压、过载、缺相检测和保护,还要具备故障自诊断功能,在故障出现时,给出故障信息,显示故障类型,便于工作人员及时进行检修;使用无线通信方式实现变压器控制器与中心控制室之间的数据通信。
使用户随时了解变压器及风机运行情况,实现远程温度控制。
温度检测电路通过预埋在变压器中的铂电阻传感器获得油温信号,经信号调理电路处理后直接送入控制器的A/D转换输入端,PIC单片机根据信号数据及设定的各种控制参数,按照程序自动计算与处理,自动显示变压器油温,并输出相应的控制信号,控制风机的起停,电机的保护电路包括过压,过载,缺相等。
显示电路采用,其只需要三根线就可控制八个数码管,特别适用于需要I/O口较多的系统。
信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室。
以便对现场情况及时做出反应。
nRF401是一个433MHz工业、科学、医用频段设计的真正单片无线收发芯片,它采用频移键控调制技术。
nRF401发射速率可达20kb/s。
发射功率可调,最大发射功率10dBm,接收灵敏度-105dBm,具有工作半径大、适应性强的特点。
天线接口设计为差分天线,便于使用低成本的印刷电路板天线。
nRF401还有待机工作方式,可以更省电和高效。
此外,该芯片只需少量外围元件,使用十分方便。
以上只是对本方案简单地做了介绍,对于本系统的具体的硬件电路的设计说明将在下一章节中作具体的阐述。
第三章硬件电路设计
3.1单片机的选型
设计是以单片机为核心完成的,所以合适的单片机关系到整个系统能否正常工作。
系统设计中有多个硬件电路要与单片机连接,则需要多个I/O口,所以单片机采用PIC系列微控制器[8]。
PIC系列单片机具有以下几个大的特点:
(1)采用哈佛结构。
在国内最常见的单片机中,PIC系列单片机是唯一一种在芯片内部采用哈佛结构的机型。
这里所说的“哈佛结构”就是,在芯片内部将数据总线和指令总线分离,并且采用不同的宽度。
这样做的好处是,便于实现“流水作业”,也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作,而在一般的单片机中,指令总线和数据总线是共用的。
(2)指令的“单字节化”。
因为数据总线和指令总线是分离的,并且采用了不同的宽度,所以程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间是互相独立的,而且两种存储器宽度也不同。
这样设计不仅可以确保数据的安全性,还能提高运行速度和实现全部指令的“单字节化”。
在此所说的“字节”,特指PIC单片机的指令字节,而不是常说的8比特字节。
例如,PIC12C50×/PIC16C5×系列单片机的指令字节为12比特;PIC16C6×/PIC16C7×/PIC16C8×系列的指令字节为14比特;PIC17C××系列的指令字节为16比特。
它们的数据存储器全为8位宽。
而MCS-51系列单片机的ROM和RAM宽度都是8位,指令长度从1个字节(8位)到3个字节长短不一。
(3)精简指令集(RISC)技术。
PIC系列单片机的指令系统只有35条指令。
这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处,也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大的便利,真可谓“易学好用”。
而MCS-51单片机的指令系统共有111条指令,MC68HC05单片机的指令系统共有89条指令。
PIC系列单片机不仅全部指令均为单字节指令,而且绝大多数指令为单周期指令,以利于提高执行速度。
(4)寻址方式简单。
寻址方式就是寻找操作数的方法。
PIC系列单片机只有4种寻址方式(即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址,以后将作详细解释),容易掌握,而MCS-51单片机则有7种寻址方式,68HC05单片机有6种。
(5)代码压缩率高。
1K字节的存储器空间,对于像MCS-51这样的单片机,大约只能存放600条指令,而对于PIC系列单片机则能够存放多达1024条指令条数。
从图1中可以看出,与几种典型的单片机相比,PIC16C5×是一种最节省程序存储器空间的单片机。
也就是说,完成相同功能的一段程序所占用的空间,MC68HC05是PIC16C5×的2.24倍。
(6)运行速度高。
由于采用了哈佛总线结构,又由于指令的读取和执行采用了流水作业方式,PIC系列单片机的运行速度大大提高。
从图2中可以看出,PIC系列单片机的运行速度远远高于其它相同档次的单片机。
在所有8位机中,PIC17C×是目前世界上速度最快的品种之一。
(7)功耗低。
PIC系列单片机的功率消耗极低,有些型号的单片机在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA,在睡眠模式下低到1μA以下。
(8)驱动能力强。
I/O端口驱动负载的能力较强,每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA,能够直接驱动发光二极管、光电耦合器或者微型继电器等。
(9)寻址空间设计简洁。
PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址(或地址编码)空间,而且前两者的地址安排不需要用户操心,这会受到初学者的欢迎。
而MC68HC05和MC68HC11单片机的寻址空间只有一个,编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和I/O端口所占用的地址空间作精心安排,这样会给高手的设计上带来灵活性,但是也会给初学者带来一些麻烦。
(10)外围电路简洁。
PIC系列单片机片内集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器等,可以最大程度地减少或免用外围器件,以便实现“纯单片”应用。
这样,不仅便于开发,而且还可节省用户的电路板空间和制造成本。
(11)开发方便。
通常,业余条件下学习和应用单片机,最大的障碍是实验开发设备昂贵,使许多初学者望而却步。
微芯片公司及其国内多家代理商,为用户的应用开发提供了丰富多彩的硬件和软件支持。
有各种档次的烧录器(或称编程器)和硬件仿真器出售,其售价大约从500元到2000元不等。
此外,微芯片公司还研制了多种版本的软件仿真器和软件综合开发环境(MPLAB-IDE),为爱好者学习与实践、应用与开发的实际操练提供了极大的方便。
对于PIC系列中任一款单片机的开发,都可以借助于一套免费的软件综合开发环境实现程序编写和模拟仿真,再用任何一种廉价的烧录器完成程序烧写,便形成一套经济实用的开发系统。
它特别适合那些不想过多投资购置昂贵开发工具的初学者和业余爱好者。
借助于这套廉价的开发系统,用户可以完成一些小型电子产品的研制开发。
由此可见,对初级水平的自学者来说,PIC单片机是一种最为适合、最容易接近的单片机。
在PIC系列单片机中,PIC16F873是微芯片公司于1998年底推出的一款特色鲜明的新产品,它除了具有上述特点之外,还有一个最重要的特点,就是它可以实现在线调试和在线编程。
这是MCS-51和MC68系列单片机所不具备的,学会其中一款就基本上等于认识了这四兄弟,所以我们先在其中挑一款相对简单的型号向大家介绍。
总体上讲,论本领、威力或者性能的话,在众多的PIC单片机家族成员中,PIC16F87×占据着中上等水平。
有的初学者可能要问,既然PIC系列中还有更简单易学的品种,该型号具备让人接近的良好途径——在线调试和在线编程。
借助于这项独特的性能,我们可以边学边练,学用结合。
根据设计的要求,综合多方面的因素,我选择了PIC16F87X系列的PIC16F877单片机,它与其他3种单片机性能对照表如下所示。
表3-1四种单片机性能比较表
主要特征
PIC16F873
PI
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