干式变压器温度控制器的设计与实现

2017-11-29阚松松刘岩水叶伟哲

水电站机电技术 2017年11期

关键词：干式绕组风机

阚松松，刘岩水，叶伟哲

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000）

干式变压器温度控制器的设计与实现

阚松松，刘岩水，叶伟哲

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000）

本设计完成了干式变压器温控器的设计，构建了包括检测、通信、显示、报警以及故障处理功能于一体的监控系统。该测控系统选用DS18B20温度传感器对变压器的绕组温度进行采样，配合微控制器，通过继电器控制风机的启停，实现实时显示三相绕组温度、超温报警和超高温跳闸等功能。本文从硬件电路设计开始，逐步完成了电路搭建，软件程序的设计，电路的仿真以及硬件电路的焊接，最终设计实现了一套基于单片机的干式变压器温控器。

干式变压器；温控器；单片机；绕组温度

1 前言

干式变压器因具有占地面积小、功耗低、工业噪声小、安全性高、电流和功率的过载能力强、运行安全可靠等优点，被广泛应用于现代化建设中。相较于油浸式变压器，干式变压具有耗能低、占地面积小、节能等优势。干式变压器因其自身的特点，能够被安放到负荷中心，比如地下室和人流量较大的公共广场，且相比于其他种类变压器，安装费用更低，也更方便；干式变压器大都用的是空气绝缘，因此它没有油，防火性能比较好，不容易引发火灾等电力系统常出现的灾害，一些对防火要求高的场合，尤其是火车站，飞机场和地铁等交通运输场合，广泛使用防火性能较好的干式变压器，因此用于对干式变压器保护的智能温度控制器的市场需求量很大。

2 温控仪总体方案设计

温度控制系统工作时，首先需要检测变压器三相绕组的温度，然后通过微处理器进行数据处理，比较之后再根据需要进行报警甚至跳闸处理。

温度控制系统主要包含以下几种电路：

（1）温度传感器采集电路

（2）单片机控制电路

（3）LCD显示电路

（4）声光报警电路

（5）风机驱动以及跳闸电路

总体设计原理如图1所示

图1总体设计原理图

3 温度控制器的硬件设计

3.1 主控微处理器系统

干式变压器温度控制器的核心器件是STC89C51，STC89C51具有 1 K 字节的 RAM、16 K字节的片内FLASH程序存储器，支持在应用可编程和在系统可编程，可通过串行接口进行直接编程，用起来比较方便。

在总体的电路设计中，STC89C51分别与DS18B20温度传感器、LCD12864液晶显示屏、蜂鸣器报警电路以及其他驱动电路相连接，通过RS-485半双工通信方式与上位机进行通信。下面详细介绍主控芯片的连线以及数据的交换形式。

主控芯片STC89C51的引脚连线如图2所示。

图2 STC89C51引脚连线图

该系统采用11.0592 MHz晶振，电容22 pF，晶振电路如图3所示。并带有手动复位电路，复位电路如图4所示。晶振电路和复位电路保证单片机稳定运行。

图3晶振电路

图4复位电路

在图4的复位电路中，当系统上电时，由于电容两端的电压不能突变，此时RST引脚的电压为电阻R0两端的电压，是5 V。伴随着电路中电容的充电，电容两端的电压慢慢升高，R0两端的电压随之下降，RST引脚的电压也下降，在t1时刻，RST引脚的电压会下降到3.6 V，随着电路对电容的继续充电，RST引脚两端的电压最终会变为0 V。单片机的复位时间应至少保持两个机器周期，也就是说RST引脚两端的电压高于3.6 V的时间至少要维持两个机器周期，即t1要大于两个机器周期。而t1的值取决于复位电路中的电阻、电容值和单片机的晶振频率。具体的计算公式如下：t

式中Vcc是电源电压，Vrst是电容电压。

复位电路中的电阻值不宜取得太小，一般R值取10 kΩ，电容C取10μF，单片机的复位脉冲宽度为（0.7～1）RC。

3.2 温度检测电路

温度检测电路以DS18B20温度传感器为主要核心部件。温度检测电路如图5所示

图5温度检测电路

该电路图中，3个DS18B20温度传感器通过数据引脚DQ与单片机的P1.3、P1.4和P1.5 3个引脚相连接来实现温度传感器与单片机之间的通信。DS18B20通过单总线实现与单片机的通信，中间不需要A/D转换电路。其DQ端用于与单片机之间的数据通信，实现数据的输入和输出，VDD接5 V电源，GND接地。使用多个DS18B20同时测温时一般以下3种方法：

（1）每个DS18B20的DQ端占用1个I/O口。这种方法占用I/O口较多，程序也显得重复繁琐。

（2）单独读取每个DS18B20的固定序列号，把这些序列号存储到单片机，然后使用DS18B20本身存在的搜索指令指定到固定的传感器读取温度。这种方法只需占用1个I/O口，大大的节约了单片机的I/O口资源，而且程序也比较简洁，只是需要把用到的每个传感器的序列号逐个读出。运行的时间会相对长一些。

（3）使用DS18B20搜索器件协议。这种方法最为简单，但程序调试和算法相对比较复杂。

考虑到测温电路只使用了3个DS18B20器件，我们选用了第1种方法进行连接，相对于其他两种方法，这种方法更容易实现。

3.3 液晶显示电路

温度控制器的显示部分主要由LCD12864液晶显示模块来完成。该模块具有价格便宜，性能较高，功耗较低的特点，能够显示8 192个中文汉字、128个字符及64×256点阵显示RAM，同时还支持自定义字符的显示。与单片机的连接电路如图6所示。

图6液晶显示电路连接图

在图6中，液晶模块的数据口与STC89C51的P1口相连接，液晶的读和写操作通过单片机P2.4和P2.5口来控制完成。单片机通过P0口来进行数据的传输。图中的滑线变阻器是为了调节液晶显示屏的亮度。在绘制PCB电路板时，只留下液晶的20个连接端子，采用M3六角铜柱将液晶支撑固定。

3.4 工作指示和报警电路

此电路的指示灯有5个，采用发光二极管通过限流电阻与单片机的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.6 和 P1.7 5个I/O口进行相连，其连接方式为共阳极连接方式。通过改变这5个I/O口的电平高低，就可以实现发光二极管的亮灭。LED的工作电流是20 mA，工作电压是3 V，而电源的电压是5 V，经过计算得出串联的分压电阻的阻值R为：

R=（5 V-3 V）/20 mA=100 Ω

为了确保电路能够长期稳定地运行，需要将电阻稍微放大一些，但又不能放的过大，否则会因为电阻分压过大，导致发光二极管过暗。此电路中我们选取R为1 kΩ。详细的指示电路如图7所示。

图7工作指示电路

其中D1、D2、D3分别是变压器三相绕组的超温报警指示灯，当变压器A相绕组的温度超过预设的温度值时，D1就会亮，当其温度低于预设的温度值时，D1就会熄灭。同样，D2和D3对应着B相和C相的绕组温度。D4是风机启停的指示灯，当变压器绕组温度超过一定值时，单片机就会通过继电器驱动电路来开启风机进行冷却，此时D4指示灯就会亮；当温度低于预设值时，风机停止，D4指示灯熄灭。D5是显示变压器绕组温度是否高于设定的超高温跳闸值，若绕组温度高于设定的超高温跳闸值，则D5指示灯亮，否则，D5指示灯熄灭。

蜂鸣器报警电路如图8所示。

图8蜂鸣器报警电路

报警电路中的电阻R11是为了限制流过NPN三极管的电流，防止流过基极的电流超过它的耐受值。从单片机I/O口流出的电流强度很小，不足以驱动蜂鸣器发声，所以通过连接一个三极管来放大电流，从而驱动蜂鸣器发声。当变压器的任一相绕组温度超过预设的超温值时，单片机就会让P2.0口输出一个高电平，继而三极管导通，在蜂鸣器中形成通路，蜂鸣器发声。

3.5 电源电路

本系统采用USB+5 V直接供电的方式，这种供电方式的电压偏差一般在±2%左右。具体电路如图9所示。

图9电源电路

在此电路图中，S5是一个带自锁的按键开关，控制是否给系统上电。电解电容C9主要是给5 V的输入电源滤波。F1是自恢复保险丝，防止电路板短路后过流。U8是一个USB2.0的座子，用来接USB线供电。发光二极管D6和电阻R22组成的通路是电源上电显示电路，电源一上电，发光二极管就亮。

3.6 负载驱动电路

本系统的负载驱动主要包括驱动风机的启停和实现跳闸。风机启停电路和超高温跳闸电路如图10和图11所示。

图10风机驱动电路

图11超高温跳闸电路

风机启停和超高温跳闸的驱动电路是一样的，只是继电器后面连接的器件不同。图中的4N25器件是光电耦合器，对输入、输出信号起到隔离的作用。

4 温度控制器的软件设计

4.1 温控器主程序的设计

在进行干式变压器温度控制器的程序设计时，为了方便后期程序的修改和维护，采取了模块化的设计思想，将系统程序进行了划分，划分后的程序主要包含以下几个模块：DS18B20温度信号采集程序、LCD12864液晶显示程序、主程序和按键增减温度预设值程序。主程序的设计流程如图12所示。

图12主程序流程图

系统上电后，首先进行初始化，包括对定时器的初始化、中断的初始化、串口的初始化以及液晶屏的初始化。然后程序进入到主程序中，判断读标志位是否为1，若不为1，则等待继续判断，直到读标志位为1，进入到温度采集程序，将采集到的温度进行处理转换后与预设值进行比较，若超过预设值，则进入到相应的驱动子程序，然后进入到显示子程序。若低于预设值，则直接进入到显示子程序进行显示。显示子程序执行完，判断是否有按键按下，若有，则转到按键加减子程序。若没有按键按下，则跳转到判断读标志位处。如此循环。

该主程序的设计能够实现测量实时温度，并通过比较，实现一定温度时开启风机，超温声光报警，超高温跳闸，并将测得的实时温度和实时的温度状态显示在液晶屏上。