弧焊电源变压器绕组温升测试系统的设计

1、.北京工业大学 硕士学位论文弧焊电源变压器绕组温升测试系统的设计 姓名：张航 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：宋永伦 20050501 摘要 摘要 弧焊电源变压器是弧焊电源的一个重要组成部分。变压器绕组温升的测量对于检验生产过程中变压器产品的工艺质量、发现现场工作中变压器的缺陷以及变压器发生故障后的检查、分析与判断等都具有十分重要的意义。 论文结合实际情况，在分析、比较各种测量方法的基础上，最终选用电阻法来测量变压器绕组温升。建立了变压器的电路模型和用电阻法测试绕组温升的数学模型，并根据这个模型推导出了标准中给出的计算绕组温升的公式。同时还提出了计算温升的两种方法，说明了绕组

2、时间常数的含义和求法。在推导过程中考虑了试验环境中恒温和非恒温两种情况。 针对弧焊电源变压器绕组温升检测需要进行绕组电阻值精确测量的问题，本文在恒流源法和双臂电桥法的基础上，利用快速测试的特性。提出了比较法的测量方案。从而实现了对绕组温升的快速、准确测量。经过大量电路实验和调试，完成了基于电阻法的以单片机为核心的智能仪器的硬件和软件的设计。 本文共分四章：第一章简要介绍了本课题的意义、仪器仪表的发展和论文的主要内容以及工作重点；第二章分析和比较了变压器温升的各种测量方法，并对电阻法进行了详细理论分析和验证；第三章详细阐明了基于新的测量方法的智能仪表的硬件部分的设计；第四章介绍了智能仪表的软件部

3、分设计及实现；关键字弧焊电源；变压器；温升；智能仪器 ， ， ， ， 嘶 ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：壁：胡和 日期西一！ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅

4、；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名：拉函 导师签名：东辛院 日期：训何· 第章绪论 第章绪论弧焊电源变压器温升测量的意义和要求 弧焊电源是电焊机的重要组成部分，直接影响电焊机的价格、寿命和性能。而变压器作为输送能源的重要设备，是弧焊电源的核心元件，它的质量很大部分影响了弧焊电源的性能和寿命。因此弧焊电源变压器的检测对于保证弧焊电源的性能具有较为重要的意义。 所谓温升，即某物体达到稳定温度时相对于环境的温度的升高，即兰其中为温升，、分别为物体的相对稳定温度、环境温度【”。变压器传输电能的同时，自身要消

5、耗一部分能量，即铜损耗和铁损耗。由于这两种损耗会使其内部温度升高，温升试验的目的就是要考核由损耗带来温度升高是否符合相关标准的规定【】。 弧焊电源温升检测是变压器型式试验的内容之一，是焊机制造的一项关键指标，综合反映了焊机的设计、工艺和材料的质量。电焊机在运行中过高的温升，将使绝缘材料发生膨胀及分层。在电场作用下，这种绝缘材料出现的空气隙，将会产生气体的游离和放电，使绝缘材料的介电损耗加大，削弱绝缘性能，最终使弧焊电源的绝缘介电强度降低，缩短弧焊电源的使用寿命。温度过低，弧焊电源有效材料利用率低，经济性差，在弧焊电源设计中，既要努力提高弧焊电源设备的各项技术性能指标，又要尽可能节约原材料，降低

6、成本，提高工?招浴虼俗既凡舛傅缭锤鞑糠治露榷杂谔岣呋傅缭窗踩诵小分柿俊谠荚牧虾湍茉炊加泻苤匾囊庖濉荆场俊荆础俊?温升极限值与材料的绝缘等级密切相关。我国采用的“ 弧焊设备的安全要求”第一部份焊接电源对弧焊电源变压器的温升极限值提出了下列要求： （）绕组、换向器和滑环的温升不得超过表规定的极限值。 （）壳体表面的温升值不得超过表规定的极限值。 （）装有整流组件的弧焊电源，在最大焊接电流下，从冷态启动，连续运行绕组温升不得超过表规定的极限值。 表温升极限值 温升极限值 绝缘等级 温升极限值 绕组 囊 表面温度计法 电阻法 换向器和滑环 表外表面温升极限值 部位 温升极限值 金属外壳 非金属外壳 金

7、属把手 非金属把手 另外标准虽然没有对变压器铁芯的温升极限值做出规定，但也不能超过变压器本身的允许的温升极限值，对与之相邻接触的零件和绝缘材料不能造成损害。 修订了 ，增加了强迫风冷式弧焊电源的考核；在产生热量的焊接电流档即相应的负载持续率下，风机停在运转，从冷态开始，连续试验小时，不应出现火花或其他熔化物引脂脱棉的现象，试验后能承受的介电强度测试。对于风机停止而无输出的焊接不进行此试验】。 从表看出，第列的温度减去环境温度”并不等于温升极限值，而是留有一定的裕度。而且对于测试所用的方法不同，留有的裕度也不相同。若使用表面温度计法，测量的绕组外表面的最高温度，但其内部的温度还是要比外表面高，所

8、以要留有一定的裕度。而电阻法测的是绕组的平均温度，也应该留一定的裕度，否则有超出温升极限值的危险。只有埋入热电偶才能测到绕组的最高温度，所以应用这种方法不用留裕度。 第章绪论 表绕组温升裕度 绝缘等级 表面温度计法 电阻法 应该指出：很多年来弧焊电源一直沿用的、标准，与电力变压器相同，然而两者之间的运行状态、冷却方式、寿命的差异比较大，实有不妥之处，因此根据弧焊电源的特点而制定的做出了一些修改【】： （）绕组的表面温升值降低，裕度由零改为表所示的数值，使绕组内部绝缘材料不超过温度极限值。 （）级绝缘材料的温升极限值应该加。 一台弧焊电源的绕组（含层间绝缘、垫块、引出线套管等）如果使用不同等级的

9、绝缘材料，则应以最低等级的温升极限值进行考核，但一般对初次级绕组例外，因为初次级绕组是两个完全独立的部分。 作为型式试验的温升试验，是变压器所有型式试验和例行试验项目中占用时间最长的一项试验，一般是以条件温度下实测的总损耗造成等效的发热状态来进行。现阶段各厂家大都采用短路法试验，人工现场操作。在传统的测量过程中，如果对多个绕组进行测量，需要人工手动对绕组进行切换，这一拆线和接线的过程一方面，有较大的安全隐患，另一方面也效率也很低。而且试验完成后的数据处理也是非常繁琐的。针对这种状况，有必要将各行业中广泛使用的微机技术应用到温升试验中，来减轻试验人员的劳动强度，避免事故的发生。而本课题的目的就是

10、研制基于单片机的弧焊电源变压器绕组温升智能测试仪，提高试验结果的精度和试验过程的自动化水平。智能仪器仪表的发展和应用 年代初，仪器仪表取得了突破，数字技术的出现使各种数字仪表（数字频率计、数字万用表）得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几 北京工业大学工学硕士学位论文个量级，为实现测量自动化打下了良好的基础。年代，测试技术又取得了重大进展，计算机的引入使仪器的功能发生了质的变化。从个别电量的测试转变成整个系统的特征参数测试；从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量【】。 进入年代，计算机技术进一步渗透，使现代电子仪器在传

11、统的时域与频域之外，又出现了数据域测试，被测系统的信息载体为二进制数据流，仪器前面板则向键盘化方向发展。近年来，由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进展。从技术背景上来说，归功于硬件集成电路的不断发展。电路具有功耗低、工作温度范围宽的特点，近年来又采用“硅门”技术取代原来的“金属门”，使电路的速度与与基本相同，输入保护技术也有效地克服了静电损坏的缺点【】。 目前已经出现了许多超大规模的集成电路芯片，如，等新一代增强型单片机芯片。这种新一代单片机不仅与单片机在指令上完全兼容，而且在其芯片内部集成了许多新的功能部件，如片内转换器、片内看门狗电路（）、片

12、内脉宽调制电路饵）、芯片间串行总线（ ）等，从而使用户具有了更大的选择范围。一个全电路系统的功耗只是普通系统功耗的，采用这种芯片组成的智能化测量控制仪表可以采用电池供电，从根本上解决了市电工频干扰河题，同时还可以使仪器小型化，以便于野外使用【。 与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点： ）操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 （）具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因这种自测试可

13、以在仪器启动时运行，同时也可以在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。 ）具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用?碇荒懿饬康?第章绪论阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。 （）具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令

14、，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。 （）具有程控操作能力。智能仪器可配有，等标准的通信接口，可以很方便地与机和其它仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测试系统，来完成更复杂的测试任务。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。随着专用集成电路等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。本课题的目标即完成的内容 针对快速测量弧焊变压器绕组温升的重要性和目前国内外的研究现状，同时结合目前仪器仪表的

15、发展方向，本文所做的研究主要有： （）掌握弧焊电源变压器的相关基础知识，了解现有的各种测量方法，发现它们的优点与不足，在此基础上探寻新的、便于与单片机、智能仪器仪表技术相结合的、能够充分利用单片机优点的新方法： （）根据测量方法的要求，结合智能仪器及单片机技术，选择、设计出满足实际需要的硬件系统和软件程序，试制出一套实用的测试系统。 其中，本文主要完成了如下的工作： （）在了解现有的各种测量方法的基础之上，通过对具体电路的分析和电路理论推导，在恒流源法和双臂电桥法的基础上，利用快速测试的特性，提出了比较法的测量方案。对比较测量法进行了抗干扰分析、误差分析等应用分析，得出了各个参量和各个环节的误

16、差与精度要求及减小误差、提高精度的方法。 （）根据测量方法的要求，结合智能仪器及单片机技术，分析测量仪器的功 北京工业大学工学硕士学位论文能、要求及其实现方法，经过多方面的比较，选择了测量仪器所需的芯片及元器件。其中主要包括温度传感器、系统、显示器、电源、继电器等等。 （）在充分考虑元器件本身及元器件与元器件之间、外围电路与元器件之间的相互作用与影响的基础上，采用流行的电路设计软件设计出了测量系统的硬件电路原理图与图，进而完成了电路板制板。在此基础之上，经过各种电路实验，完成硬件电路的调试工作。 （）根据测量方法和系统功能的要求，在分析测量过程中需要的数据采集、数据计算和人机接口的基础上，结合

17、已经设计好的硬件电路，制定软件设计方案。并使用语言和模块化的编程思想，完成系统的软件编写和调试工作。 第章变压器绕组温升的测量的方法 第章变压器绕组温升的测量的方法变压器绕组温升的测量方法变压器绕组温升的测量方法的介绍 对于变压器绕组温升的测试有很多方法，根据弧焊电源测试标准，其绕组温度测量方法有表面温度计法、埋入式热电偶法、红外线测温法、电阻法等【。下面对这些方法一一的作介绍： （）表面温度计法表面温度计是指非埋入式温度计，如热电隅、电阻温度计、半导体温度计等。测量时应将探头放在绕组或其他部件表面的最热点。采取措施，使探头与测点之间有良好的热传导，并不受气流或辐射的影响。绕组或其他部件的热点

18、分布与变压器的设计有关，所以应根据经验或初步检查确定热点。对于下降特性的弧焊电源要仔细寻找。因漏磁很可能使外磁路的某些磁性元件或材料成为最热点，并影响其周围部件的温度。温度计应放置在焊接变压器铁芯、电抗器铁芯、绕组、晶闸管或开关元件、外壳、把手等部件的表面。放置温度计的数量依部件的大小和热点分布而定，每个部件一般不少于支，但应以读数最高的温度计测量结果为准。 水银温度计不能用来测量绕组和其他部件的表面温度，因为交变磁场会影响测量结果。 （）埋入式热电偶法将热电偶放置在绕组或部件的内部，以测量其内部温度，称之为埋入式热电偶法。但因弧焊电源属于小型设备，不可能在制造时预先埋入热电偶，难以推广。但对于单层绕组，把热电偶放置在最热点，应视为埋入式热电偶法。其温升限值等于绝缘材料的温度限值减去”。 （）红外线测温法用红外线测温仪来测定绕组表面上各点的温度。能够测出什么地方的温度最高，但是红外线无法测出其到达范围之外的温度，因此这种方法无法广泛应用。 （）电阻测温法电阻法测温的原理是：导体的电阻随着温度的变化而改变。用铜和铝制