弧焊電源變壓器繞組溫升測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓名：張航 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)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(gè)重要組成部分。變壓器繞組溫升的測(cè)量對(duì)于檢驗(yàn)生產(chǎn)過(guò)程中變壓器產(chǎn)品的工藝質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際情況，在分析、比較各種測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，最終選用電阻法來(lái)測(cè)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(cè)試?yán)@組溫升的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型推導(dǎo)出了標(biāo)準(zhǔn)中給出的計(jì)算繞組溫升的公式。同時(shí)還提出了計(jì)算溫升的兩種方法，說(shuō)明了繞組

2、時(shí)間常數(shù)的含義和求法。在推導(dǎo)過(guò)程中考慮了試驗(yàn)環(huán)境中恒溫和非恒溫兩種情況。 針對(duì)弧焊電源變壓器繞組溫升檢測(cè)需要進(jìn)行繞組電阻值精確測(cè)量的問(wèn)題，本文在恒流源法和雙臂電橋法的基礎(chǔ)上，利用快速測(cè)試的特性。提出了比較法的測(cè)量方案。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)繞組溫升的快速、準(zhǔn)確測(cè)量。經(jīng)過(guò)大量電路實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，完成了基于電阻法的以單片機(jī)為核心的智能儀器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 本文共分四章：第一章簡(jiǎn)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(diǎn)；第二章分析和比較了變壓器溫升的各種測(cè)量方法，并對(duì)電阻法進(jìn)行了詳細(xì)理論分析和驗(yàn)證；第三章詳細(xì)闡明了基于新的測(cè)量方法的智能儀表的硬件部分的設(shè)計(jì)；第四章介紹了智能儀表的軟件部

3、分設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；關(guān)鍵字弧焊電源；變壓器；溫升；智能儀器 ， ， ， ， 嘶 ， ， ， ， ， ， ， ， ； ； 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(xiě)過(guò)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(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)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(shuō)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)校可以公布論文的全部或部分內(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(cè)量的意義和要求 弧焊電源是電焊機(jī)的重要組成部分，直接影響電焊機(jī)的價(jià)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(cè)對(duì)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(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)相對(duì)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(duì)穩(wěn)定溫度、環(huán)境溫度【”。變壓器傳輸電能的同時(shí)，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(huì)使其內(nèi)部溫度升高，溫升試驗(yàn)的目的就是要考核由損耗帶來(lái)溫度升高是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定【】。 弧焊電源溫升檢測(cè)是變壓器型式試驗(yàn)的內(nèi)容之一，是焊機(jī)制造的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，綜合反映了焊機(jī)的設(shè)計(jì)、工藝和材料的質(zhì)量。電焊機(jī)在運(yùn)行中過(guò)高的溫升，將使絕緣材料發(fā)生膨脹及分層。在電場(chǎng)作用下，這種絕緣材料出現(xiàn)的空氣隙，將會(huì)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(qiáng)度降低，縮短弧焊電源的使用壽命。溫度過(guò)低，弧焊電源有效材料利用率低，經(jīng)濟(jì)性差，在弧焊電源設(shè)計(jì)中，既要努力提高弧焊電源設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，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(chǎng)俊荊礎(chǔ)俊?溫升極限值與材料的絕緣等級(jí)密切相關(guān)。我國(guó)采用的“ 弧焊設(shè)備的安全要求”第一部份焊接電源對(duì)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(guò)表規(guī)定的極限值。 （）殼體表面的溫升值不得超過(guò)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(dòng)，連續(xù)運(yùn)行繞組溫升不得超過(guò)表規(guī)定的極限值。 表溫升極限值 溫升極限值 絕緣等級(jí) 溫升極限值 繞組 囊 表面溫度計(jì)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(biāo)準(zhǔn)雖然沒(méi)有對(duì)變壓器鐵芯的溫升極限值做出規(guī)定，但也不能超過(guò)變壓器本身的允許的溫升極限值，對(duì)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(qiáng)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(fù)載持續(xù)率下，風(fēng)機(jī)停在運(yùn)轉(zhuǎn)，從冷態(tài)開(kāi)始，連續(xù)試驗(yàn)小時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)火花或其他熔化物引脂脫棉的現(xiàn)象，試驗(yàn)后能承受的介電強(qiáng)度測(cè)試。對(duì)于風(fēng)機(jī)停止而無(wú)輸出的焊接不進(jìn)行此試驗(yàn)】。 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(duì)于測(cè)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(jì)法，測(cè)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(cè)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(xiǎn)。只有埋入熱電偶才能測(cè)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(jí) 表面溫度計(jì)法 電阻法 應(yīng)該指出：很多年來(lái)弧焊電源一直沿用的、標(biāo)準(zhǔn)，與電力變壓器相同，然而兩者之間的運(yùn)行狀態(tài)、冷卻方式、壽命的差異比較大，實(shí)有不妥之處，因此根據(jù)弧焊電源的特點(diǎn)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(guò)溫度極限值。 （）級(jí)絕緣材料的溫升極限值應(yīng)該加。 一臺(tái)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(jí)的

9、絕緣材料，則應(yīng)以最低等級(jí)的溫升極限值進(jìn)行考核，但一般對(duì)初次級(jí)繞組例外，因?yàn)槌醮渭?jí)繞組是兩個(gè)完全獨(dú)立的部分。 作為型式試驗(yàn)的溫升試驗(yàn)，是變壓器所有型式試驗(yàn)和例行試驗(yàn)項(xiàng)目中占用時(shí)間最長(zhǎng)的一項(xiàng)試驗(yàn)，一般是以條件溫度下實(shí)測(cè)的總損耗造成等效的發(fā)熱狀態(tài)來(lái)進(jìn)行?，F(xiàn)階段各廠家大都采用短路法試驗(yàn)，人工現(xiàn)場(chǎng)操作。在傳統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程中，如果對(duì)多個(gè)繞組進(jìn)行測(cè)量，需要人工手動(dòng)對(duì)繞組進(jìn)行切換，這一拆線和接線的過(guò)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(yàn)完成后的數(shù)據(jù)處理也是非常繁瑣的。針對(duì)這種狀況，有必要將各行業(yè)中廣泛使用的微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到溫升試驗(yàn)中，來(lái)減輕試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)的弧焊電源變壓器繞組溫升智能測(cè)試儀，提高試驗(yàn)結(jié)果的精度和試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)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(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表）得以問(wèn)世，把模擬儀器的精度、分辨力與測(cè)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(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ)。年代，測(cè)試技術(shù)又取得了重大進(jìn)展，計(jì)算機(jī)的引入使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化。從個(gè)別電量的測(cè)試轉(zhuǎn)變成整個(gè)系統(tǒng)的特征參數(shù)測(cè)試；從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂啤⒎治?、處理、?jì)算與顯示輸出；從單個(gè)儀器進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)變成用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量【】。 進(jìn)入年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步滲透，使現(xiàn)代電子儀器在傳

11、統(tǒng)的時(shí)域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測(cè)試，被測(cè)系統(tǒng)的信息載體為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，儀器前面板則向鍵盤(pán)化方向發(fā)展。近年來(lái)，由于微電子學(xué)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測(cè)量控制儀器儀表已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。從技術(shù)背景上來(lái)說(shuō)，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(diǎn)，近年來(lái)又采用“硅門(mén)”技術(shù)取代原來(lái)的“金屬門(mén)”，使電路的速度與與基本相同，輸入保護(hù)技術(shù)也有效地克服了靜電損壞的缺點(diǎn)【】。 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(qiáng)型單片機(jī)芯片。這種新一代單片機(jī)不僅與單片機(jī)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(mén)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(gè)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(cè)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(shí)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(diǎn)： ）操作自動(dòng)化。儀器的整個(gè)測(cè)量過(guò)程如鍵盤(pán)掃描、量程選擇、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)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(jī)或微控制器來(lái)控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全部自動(dòng)化。 （）具有自測(cè)功能，包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位甚至故障的原因這種自測(cè)試可

13、以在儀器啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)也可以在儀器工作中運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。 ）具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器，使得許多原來(lái)用硬件邏輯難以解決或根本無(wú)法解決的問(wèn)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(wàn)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(wàn)用表不僅能進(jìn)行上述測(cè)量，還具有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諸如零點(diǎn)平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計(jì)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(lái)，也有效地提高了儀器的測(cè)量精度。 （）具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。智能儀器使用鍵盤(pán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開(kāi)關(guān)，操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令

14、，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)，智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與機(jī)和其它儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)完成更復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。智能儀器的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其優(yōu)勢(shì)，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(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。本課題的目標(biāo)即完成的內(nèi)容 針對(duì)快速測(cè)量弧焊變壓器繞組溫升的重要性和目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時(shí)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(shí)，了解現(xiàn)有的各種測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)它們的優(yōu)點(diǎn)與不足，在此基礎(chǔ)上探尋新的、便于與單片機(jī)、智能儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的、能夠充分利用單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新方法： （）根據(jù)測(cè)量方法的要求，結(jié)合智能儀器及單片機(jī)技術(shù)，選擇、設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需要的硬件系統(tǒng)和軟件程序，試制出一套實(shí)用的測(cè)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(cè)量方法的基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)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(cè)試的特性，提出了比較法的測(cè)量方案。對(duì)比較測(cè)量法進(jìn)行了抗干擾分析、誤差分析等應(yīng)用分析，得出了各個(gè)參量和各個(gè)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(cè)量方法的要求，結(jié)合智能儀器及單片機(jī)技術(shù)，分析測(cè)量?jī)x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(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)過(guò)多方面的比較，選擇了測(cè)量?jī)x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(jì)軟件設(shè)計(jì)出了測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路原理圖與圖，進(jìn)而完成了電路板制板。在此基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)各種電路實(shí)驗(yàn)，完成硬件電路的調(diào)試工作。 （）根據(jù)測(cè)量方法和系統(tǒng)功能的要求，在分析測(cè)量過(guò)程中需要的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算和人機(jī)接口的基礎(chǔ)上，結(jié)合

17、已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件電路，制定軟件設(shè)計(jì)方案。并使用語(yǔ)言和模塊化的編程思想，完成系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)和調(diào)試工作。 第章變壓器繞組溫升的測(cè)量的方法 第章變壓器繞組溫升的測(cè)量的方法變壓器繞組溫升的測(cè)量方法變壓器繞組溫升的測(cè)量方法的介紹 對(duì)于變壓器繞組溫升的測(cè)試有很多方法，根據(jù)弧焊電源測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其繞組溫度測(cè)量方法有表面溫度計(jì)法、埋入式熱電偶法、紅外線測(cè)溫法、電阻法等【。下面對(duì)這些方法一一的作介紹： （）表面溫度計(jì)法表面溫度計(jì)是指非埋入式溫度計(jì)，如熱電隅、電阻溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)等。測(cè)量時(shí)應(yīng)將探頭放在繞組或其他部件表面的最熱點(diǎn)。采取措施，使探頭與測(cè)點(diǎn)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(diǎn)

18、分布與變壓器的設(shè)計(jì)有關(guān)，所以應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或初步檢查確定熱點(diǎn)。對(duì)于下降特性的弧焊電源要仔細(xì)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(diǎn)，并影響其周?chē)考臏囟?。溫度?jì)應(yīng)放置在焊接變壓器鐵芯、電抗器鐵芯、繞組、晶閘管或開(kāi)關(guān)元件、外殼、把手等部件的表面。放置溫度計(jì)的數(shù)量依部件的大小和熱點(diǎn)分布而定，每個(gè)部件一般不少于支，但應(yīng)以讀數(shù)最高的溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)。 水銀溫度計(jì)不能用來(lái)測(cè)量繞組和其他部件的表面溫度，因?yàn)榻蛔兇艌?chǎng)會(huì)影響測(cè)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(cè)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(shí)預(yù)先埋入熱電偶，難以推廣。但對(duì)于單層繞組，把熱電偶放置在最熱點(diǎn)，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(cè)溫法用紅外線測(cè)溫儀來(lái)測(cè)定繞組表面上各點(diǎn)的溫度。能夠測(cè)出什么地方的溫度最高，但是紅外線無(wú)法測(cè)出其到達(dá)范圍之外的溫度，因此這種方法無(wú)法廣泛應(yīng)用。 （）電阻測(cè)溫法電阻法測(cè)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