弧焊電源變壓器繞組溫升測試系統(tǒng)的設(shè)計

1、.北京工業(yè)大學(xué) 碩士學(xué)位論文弧焊電源變壓器繞組溫升測試系統(tǒng)的設(shè)計 姓名：張航 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：材料加工工程 指導(dǎo)教師：宋永倫 20050501 摘要 摘要 弧焊電源變壓器是弧焊電源的一個重要組成部分。變壓器繞組溫升的測量對于檢驗生產(chǎn)過程中變壓器產(chǎn)品的工藝質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場工作中變壓器的缺陷以及變壓器發(fā)生故障后的檢查、分析與判斷等都具有十分重要的意義。 論文結(jié)合實際情況，在分析、比較各種測量方法的基礎(chǔ)上，最終選用電阻法來測量變壓器繞組溫升。建立了變壓器的電路模型和用電阻法測試繞組溫升的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這個模型推導(dǎo)出了標準中給出的計算繞組溫升的公式。同時還提出了計算溫升的兩種方法，說明了繞組

2、時間常數(shù)的含義和求法。在推導(dǎo)過程中考慮了試驗環(huán)境中恒溫和非恒溫兩種情況。 針對弧焊電源變壓器繞組溫升檢測需要進行繞組電阻值精確測量的問題，本文在恒流源法和雙臂電橋法的基礎(chǔ)上，利用快速測試的特性。提出了比較法的測量方案。從而實現(xiàn)了對繞組溫升的快速、準確測量。經(jīng)過大量電路實驗和調(diào)試，完成了基于電阻法的以單片機為核心的智能儀器的硬件和軟件的設(shè)計。 本文共分四章：第一章簡要介紹了本課題的意義、儀器儀表的發(fā)展和論文的主要內(nèi)容以及工作重點；第二章分析和比較了變壓器溫升的各種測量方法，并對電阻法進行了詳細理論分析和驗證；第三章詳細闡明了基于新的測量方法的智能儀表的硬件部分的設(shè)計；第四章介紹了智能儀表的軟件部

3、分設(shè)計及實現(xiàn)；關(guān)鍵字弧焊電源；變壓器；溫升；智能儀器 ， ， ， ， 嘶 ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：壁：胡和 日期西一！ 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱

4、；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 （保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 簽名：拉函 導(dǎo)師簽名：東辛院 日期：訓(xùn)何· 第章緒論 第章緒論弧焊電源變壓器溫升測量的意義和要求 弧焊電源是電焊機的重要組成部分，直接影響電焊機的價格、壽命和性能。而變壓器作為輸送能源的重要設(shè)備，是弧焊電源的核心元件，它的質(zhì)量很大部分影響了弧焊電源的性能和壽命。因此弧焊電源變壓器的檢測對于保證弧焊電源的性能具有較為重要的意義。 所謂溫升，即某物體達到穩(wěn)定溫度時相對于環(huán)境的溫度的升高，即蘭其中為溫升，、分別為物體的相對穩(wěn)定溫度、環(huán)境溫度【”。變壓器傳輸電能的同時，自身要消

5、耗一部分能量，即銅損耗和鐵損耗。由于這兩種損耗會使其內(nèi)部溫度升高，溫升試驗的目的就是要考核由損耗帶來溫度升高是否符合相關(guān)標準的規(guī)定【】。 弧焊電源溫升檢測是變壓器型式試驗的內(nèi)容之一，是焊機制造的一項關(guān)鍵指標，綜合反映了焊機的設(shè)計、工藝和材料的質(zhì)量。電焊機在運行中過高的溫升，將使絕緣材料發(fā)生膨脹及分層。在電場作用下，這種絕緣材料出現(xiàn)的空氣隙，將會產(chǎn)生氣體的游離和放電，使絕緣材料的介電損耗加大，削弱絕緣性能，最終使弧焊電源的絕緣介電強度降低，縮短弧焊電源的使用壽命。溫度過低，弧焊電源有效材料利用率低，經(jīng)濟性差，在弧焊電源設(shè)計中，既要努力提高弧焊電源設(shè)備的各項技術(shù)性能指標，又要盡可能節(jié)約原材料，降低

6、成本，提高工?招浴虼俗既凡舛傅繚錘韃糠治露榷雜諤岣呋傅繚窗踩誦小分柿俊讜莢牧蝦湍茉炊加瀉苤匾囊庖濉荊場俊荊礎(chǔ)俊?溫升極限值與材料的絕緣等級密切相關(guān)。我國采用的“ 弧焊設(shè)備的安全要求”第一部份焊接電源對弧焊電源變壓器的溫升極限值提出了下列要求： （）繞組、換向器和滑環(huán)的溫升不得超過表規(guī)定的極限值。 （）殼體表面的溫升值不得超過表規(guī)定的極限值。 （）裝有整流組件的弧焊電源，在最大焊接電流下，從冷態(tài)啟動，連續(xù)運行繞組溫升不得超過表規(guī)定的極限值。 表溫升極限值 溫升極限值 絕緣等級 溫升極限值 繞組 囊 表面溫度計法 電阻法 換向器和滑環(huán) 表外表面溫升極限值 部位 溫升極限值 金屬外殼 非金屬外殼 金

7、屬把手 非金屬把手 另外標準雖然沒有對變壓器鐵芯的溫升極限值做出規(guī)定，但也不能超過變壓器本身的允許的溫升極限值，對與之相鄰接觸的零件和絕緣材料不能造成損害。 修訂了 ，增加了強迫風(fēng)冷式弧焊電源的考核；在產(chǎn)生熱量的焊接電流檔即相應(yīng)的負載持續(xù)率下，風(fēng)機停在運轉(zhuǎn)，從冷態(tài)開始，連續(xù)試驗小時，不應(yīng)出現(xiàn)火花或其他熔化物引脂脫棉的現(xiàn)象，試驗后能承受的介電強度測試。對于風(fēng)機停止而無輸出的焊接不進行此試驗】。 從表看出，第列的溫度減去環(huán)境溫度”并不等于溫升極限值，而是留有一定的裕度。而且對于測試所用的方法不同，留有的裕度也不相同。若使用表面溫度計法，測量的繞組外表面的最高溫度，但其內(nèi)部的溫度還是要比外表面高，所

8、以要留有一定的裕度。而電阻法測的是繞組的平均溫度，也應(yīng)該留一定的裕度，否則有超出溫升極限值的危險。只有埋入熱電偶才能測到繞組的最高溫度，所以應(yīng)用這種方法不用留裕度。 第章緒論 表繞組溫升裕度 絕緣等級 表面溫度計法 電阻法 應(yīng)該指出：很多年來弧焊電源一直沿用的、標準，與電力變壓器相同，然而兩者之間的運行狀態(tài)、冷卻方式、壽命的差異比較大，實有不妥之處，因此根據(jù)弧焊電源的特點而制定的做出了一些修改【】： （）繞組的表面溫升值降低，裕度由零改為表所示的數(shù)值，使繞組內(nèi)部絕緣材料不超過溫度極限值。 （）級絕緣材料的溫升極限值應(yīng)該加。 一臺弧焊電源的繞組（含層間絕緣、墊塊、引出線套管等）如果使用不同等級的

9、絕緣材料，則應(yīng)以最低等級的溫升極限值進行考核，但一般對初次級繞組例外，因為初次級繞組是兩個完全獨立的部分。 作為型式試驗的溫升試驗，是變壓器所有型式試驗和例行試驗項目中占用時間最長的一項試驗，一般是以條件溫度下實測的總損耗造成等效的發(fā)熱狀態(tài)來進行?，F(xiàn)階段各廠家大都采用短路法試驗，人工現(xiàn)場操作。在傳統(tǒng)的測量過程中，如果對多個繞組進行測量，需要人工手動對繞組進行切換，這一拆線和接線的過程一方面，有較大的安全隱患，另一方面也效率也很低。而且試驗完成后的數(shù)據(jù)處理也是非常繁瑣的。針對這種狀況，有必要將各行業(yè)中廣泛使用的微機技術(shù)應(yīng)用到溫升試驗中，來減輕試驗人員的勞動強度，避免事故的發(fā)生。而本課題的目的就是

10、研制基于單片機的弧焊電源變壓器繞組溫升智能測試儀，提高試驗結(jié)果的精度和試驗過程的自動化水平。智能儀器儀表的發(fā)展和應(yīng)用 年代初，儀器儀表取得了突破，數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使各種數(shù)字儀表（數(shù)字頻率計、數(shù)字萬用表）得以問世，把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾 北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文個量級，為實現(xiàn)測量自動化打下了良好的基礎(chǔ)。年代，測試技術(shù)又取得了重大進展，計算機的引入使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化。從個別電量的測試轉(zhuǎn)變成整個系統(tǒng)的特征參數(shù)測試；從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂啤⒎治?、處理、計算與顯示輸出；從單個儀器進行測量轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進行測量【】。 進入年代，計算機技術(shù)進一步滲透，使現(xiàn)代電子儀器在傳

11、統(tǒng)的時域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試，被測系統(tǒng)的信息載體為二進制數(shù)據(jù)流，儀器前面板則向鍵盤化方向發(fā)展。近年來，由于微電子學(xué)的進步以及計算機應(yīng)用的日益廣泛，智能化測量控制儀器儀表已經(jīng)取得了巨大的進展。從技術(shù)背景上來說，歸功于硬件集成電路的不斷發(fā)展。電路具有功耗低、工作溫度范圍寬的特點，近年來又采用“硅門”技術(shù)取代原來的“金屬門”，使電路的速度與與基本相同，輸入保護技術(shù)也有效地克服了靜電損壞的缺點【】。 目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多超大規(guī)模的集成電路芯片，如，等新一代增強型單片機芯片。這種新一代單片機不僅與單片機在指令上完全兼容，而且在其芯片內(nèi)部集成了許多新的功能部件，如片內(nèi)轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)看門狗電路（）、片

12、內(nèi)脈寬調(diào)制電路餌）、芯片間串行總線（ ）等，從而使用戶具有了更大的選擇范圍。一個全電路系統(tǒng)的功耗只是普通系統(tǒng)功耗的，采用這種芯片組成的智能化測量控制儀表可以采用電池供電，從根本上解決了市電工頻干擾河題，同時還可以使儀器小型化，以便于野外使用【。 與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點： ）操作自動化。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。 （）具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因這種自測試可

13、以在儀器啟動時運行，同時也可以在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。 ）具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用?碇荒懿飭康?第章緒論阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進行上述測量，還具有對測量結(jié)果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了儀器的測量精度。 （）具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令

14、，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。 （）具有程控操作能力。智能儀器可配有，等標準的通信接口，可以很方便地與機和其它儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測試系統(tǒng)，來完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著專用集成電路等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應(yīng)用。本課題的目標即完成的內(nèi)容 針對快速測量弧焊變壓器繞組溫升的重要性和目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時結(jié)合目前儀器儀表的

15、發(fā)展方向，本文所做的研究主要有： （）掌握弧焊電源變壓器的相關(guān)基礎(chǔ)知識，了解現(xiàn)有的各種測量方法，發(fā)現(xiàn)它們的優(yōu)點與不足，在此基礎(chǔ)上探尋新的、便于與單片機、智能儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的、能夠充分利用單片機優(yōu)點的新方法： （）根據(jù)測量方法的要求，結(jié)合智能儀器及單片機技術(shù)，選擇、設(shè)計出滿足實際需要的硬件系統(tǒng)和軟件程序，試制出一套實用的測試系統(tǒng)。 其中，本文主要完成了如下的工作： （）在了解現(xiàn)有的各種測量方法的基礎(chǔ)之上，通過對具體電路的分析和電路理論推導(dǎo)，在恒流源法和雙臂電橋法的基礎(chǔ)上，利用快速測試的特性，提出了比較法的測量方案。對比較測量法進行了抗干擾分析、誤差分析等應(yīng)用分析，得出了各個參量和各個環(huán)節(jié)的誤

16、差與精度要求及減小誤差、提高精度的方法。 （）根據(jù)測量方法的要求，結(jié)合智能儀器及單片機技術(shù)，分析測量儀器的功 北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文能、要求及其實現(xiàn)方法，經(jīng)過多方面的比較，選擇了測量儀器所需的芯片及元器件。其中主要包括溫度傳感器、系統(tǒng)、顯示器、電源、繼電器等等。 （）在充分考慮元器件本身及元器件與元器件之間、外圍電路與元器件之間的相互作用與影響的基礎(chǔ)上，采用流行的電路設(shè)計軟件設(shè)計出了測量系統(tǒng)的硬件電路原理圖與圖，進而完成了電路板制板。在此基礎(chǔ)之上，經(jīng)過各種電路實驗，完成硬件電路的調(diào)試工作。 （）根據(jù)測量方法和系統(tǒng)功能的要求，在分析測量過程中需要的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算和人機接口的基礎(chǔ)上，結(jié)合

17、已經(jīng)設(shè)計好的硬件電路，制定軟件設(shè)計方案。并使用語言和模塊化的編程思想，完成系統(tǒng)的軟件編寫和調(diào)試工作。 第章變壓器繞組溫升的測量的方法 第章變壓器繞組溫升的測量的方法變壓器繞組溫升的測量方法變壓器繞組溫升的測量方法的介紹 對于變壓器繞組溫升的測試有很多方法，根據(jù)弧焊電源測試標準，其繞組溫度測量方法有表面溫度計法、埋入式熱電偶法、紅外線測溫法、電阻法等【。下面對這些方法一一的作介紹： （）表面溫度計法表面溫度計是指非埋入式溫度計，如熱電隅、電阻溫度計、半導(dǎo)體溫度計等。測量時應(yīng)將探頭放在繞組或其他部件表面的最熱點。采取措施，使探頭與測點之間有良好的熱傳導(dǎo)，并不受氣流或輻射的影響。繞組或其他部件的熱點

18、分布與變壓器的設(shè)計有關(guān)，所以應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗或初步檢查確定熱點。對于下降特性的弧焊電源要仔細尋找。因漏磁很可能使外磁路的某些磁性元件或材料成為最熱點，并影響其周圍部件的溫度。溫度計應(yīng)放置在焊接變壓器鐵芯、電抗器鐵芯、繞組、晶閘管或開關(guān)元件、外殼、把手等部件的表面。放置溫度計的數(shù)量依部件的大小和熱點分布而定，每個部件一般不少于支，但應(yīng)以讀數(shù)最高的溫度計測量結(jié)果為準。 水銀溫度計不能用來測量繞組和其他部件的表面溫度，因為交變磁場會影響測量結(jié)果。 （）埋入式熱電偶法將熱電偶放置在繞組或部件的內(nèi)部，以測量其內(nèi)部溫度，稱之為埋入式熱電偶法。但因弧焊電源屬于小型設(shè)備，不可能在制造時預(yù)先埋入熱電偶，難以推廣。但對于單層繞組，把熱電偶放置在最熱點，應(yīng)視為埋入式熱電偶法。其溫升限值等于絕緣材料的溫度限值減去”。 （）紅外線測溫法用紅外線測溫儀來測定繞組表面上各點的溫度。能夠測出什么地方的溫度最高，但是紅外線無法測出其到達范圍之外的溫度，因此這種方法無法廣泛應(yīng)用。 （）電阻測溫法電阻法測溫的原理是：導(dǎo)體的電阻隨著溫度的變化而改變。用銅和鋁制