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1、电力变压器冷却系统控制系统设计毕业论文目 录摘 要1ABSTRACT2绪 论5第一章 设计任务及要求6第一节 毕业设计的任务6第二节 毕业设计的要求6第二章 系统的设计方案8第一节 系统工作的一般原理8第二节 智能温度监控系统的设计方案82.1 方案一92.2 方案二102.3 方案三12第三节 设计方案的确定13第三章 硬件电路设计16第一节 单片机的选型16第二节 振荡器配置选择182.1 晶体振荡器/陶瓷谐振器方式182.2 RC振荡器20第三节 温度采集电路模块设计223.1 温度检测电路223.2 光电耦合隔离放大电路24第四节 按键输入和显示电路部分设计294.1 按键输入电路模块
2、设计294.2 显示电路部分设计29第五节 无线通信系统的设计33第六节 主回路部分设计38 6.1 风冷机的保护简要介绍386.2 输出驱动电路设计38第七节 直流电源的设计46第四章 软件部分设计50第一节 软件需求分析50第二节 各模块的流程图52第五章 设计总结60致 谢62参考文献63附录一 程序清单64附录二 元器件明细表78绪 论近年来，随着我国电力事业的飞速发展，电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一，它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益。电力变压器是电力系统运行的核心设备之一，因此，电力变压器安全可靠的运行是电力系统正常运行的根本保障。随着变压器容
3、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（水）冷，使热油经过强风（水）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，在绕组和铁心部，设有一定的油路，使进入油箱的冷油全部通过绕组和铁芯部流出，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围之，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
4、监控。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
5、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
6、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。第一章 设计任务及要求第一节 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围之。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
7、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，并采用无线通信技术，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。设计主要完成的工作。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）收集电力变压器温度控制系统的控制原理的实际资料，确定要保证变压器风冷系统正常运行及实现无人值班所需的远程通讯功能，必须采用以单片机为核心的控制系统来完成；为保证风机能可靠安全运行，必须收集一既能被单片机驱动又能保证风机可靠运行的元件。（2）方案设计。（3）确定系统配置及功能，并根据
8、系统功能要求完成系统硬件设计。（4）根据设计原则完成控制系统的软件设计。（5）撰写设计说明书，绘制系统电路原理图。（6）完成指定容的外文资料翻译。第二节 设计要求2.1 毕业设计的主要容（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、无线通讯、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；（4）完成相关的设计图纸绘制和设计说明书撰写，通过毕业设计答辩。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，主机和从机之间的通讯采用无线通信方式；（2）系统
9、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
10、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； （7）系统要采用必要的抗干扰措施（包括硬件和软件）。 2.3 主要技术指标控制系统的工作电源为220V/50HZ的工频交流电，容量为31500KVA；风机有6组，每组2个风机，均匀排
11、列在变压器四周，每个风机功率为0.375KW；温度测量围为0-100，温度采集精度为2，温度控制精度为5。第二章 系统的设计方案第一节 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
12、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。 三 相电 源接触器热继电器 风冷电机变压器过负荷变压器油温检测机电逻辑处理系统图2-1 传统风冷机工作原理图第二节 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、
13、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。2.1 方案
14、一: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3，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
15、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、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。在芯片部集成了一个BCD译码器，段地址和位地址驱动以及一个88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433 MHz 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20 kb/ s，发射功率可调, 最大发射功率10 dBm,接收灵敏度- 105dBm，具有工作半径大、适应性强的特点
