MAX274在變壓器鐵芯在線監(jiān)測中的應(yīng)用-新品速遞

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摘要：針對(duì)變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測項(xiàng)目中現(xiàn)場干擾比較嚴(yán)重的問題，給出了采用Maxim公司有源濾波芯片MAX274設(shè)計(jì)有源濾波器的方法。同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：MAX274；有源濾波器；變壓器鐵芯；在線監(jiān)測

大型變壓器在運(yùn)行時(shí)，其鐵芯接地電流很小，約為幾毫安到幾十毫安，但當(dāng)變壓器發(fā)生鐵芯多點(diǎn)接地故障時(shí)，其鐵芯接地電流將增大到幾安培甚至幾十安培，從而會(huì)導(dǎo)致局部鐵芯過熱，嚴(yán)重時(shí)可能造成輕瓦斯動(dòng)作甚至重瓦斯動(dòng)作跳閘。

目前，現(xiàn)場人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監(jiān)測其電流，但由于變壓器強(qiáng)磁場的干擾，測量值很不，甚至出現(xiàn)同一測量點(diǎn)幾次測量值差別迥異的情況，這樣測量的參考價(jià)值值得懷疑；而國內(nèi)有些單位研制的自動(dòng)監(jiān)測裝置雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地故障，但缺乏故障后的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于ＧＳＭ通訊的在線監(jiān)測裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測的問題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場干擾卻比較嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)中采用了Ｍａｘｉｍ公司開發(fā)的８階連續(xù)時(shí)間濾波器芯片ＭＡＸ２７４。實(shí)踐證明ＭＡＸ２７４的濾波效果比較理想。

１在線監(jiān)測裝置的系統(tǒng)組成

為盡量如實(shí)反映變壓器接地電流信號(hào)的情況，筆者在圖１所示的接線圖的變壓器接地線上串接了一個(gè)２Ω的無感電阻，這樣就將鐵芯接地電流的測量轉(zhuǎn)化為串接電阻上電壓的測量。該鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置由信號(hào)處理部分、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分及輸出控制部分等模塊構(gòu)成，圖２所示是其原理框圖。圖中，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換采用ＭＡＸ１９７，該芯片的精度為１２位，帶故障保護(hù)輸入多路轉(zhuǎn)換器和８路模擬輸入通道，具有６μｓ的變換時(shí)間；通訊模塊采用杭州愛賽德公司生產(chǎn)的ＧＳＭ模塊；輸出控制主要是指發(fā)生故障后在接地線上串接限流電阻（這是目前常用的故障處理方法），同時(shí)現(xiàn)場燈光報(bào)警；信號(hào)處理部分根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)弱分成兩路，弱信號(hào)部分的處理電路如圖３所示，其中ＯＰ２７是精密運(yùn)算放大器。ＭＡＸ２７４就是本文要重點(diǎn)介紹的有源濾波器芯片。

２ＭＡＸ２７４芯片簡介

普通運(yùn)放和ＲＣ網(wǎng)絡(luò)組成的濾波器元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，雜散電容會(huì)大大影響濾波器特性。ＭＡＸ２７４是單片集成有源濾波器，它無需外接電容，只要調(diào)整外部４個(gè)電阻即可。ＭＡＸ２７４的主要參數(shù)特性如下：

●可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ、Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ或Ｂｅｓｓｅｌ濾波器形式；

●可以實(shí)現(xiàn)低通或帶通濾波輸出；

●采用＋５Ｖ或±５Ｖ電源供電；

●每片由４個(gè)２階濾波單元組成（共８階），并可以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)聯(lián)；

●自帶設(shè)計(jì)軟件，可以進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真；

●中心或截止頻率ｆ０范圍為１００Ｈｚ～１５０ｋＨｚ。

ＭＡＸ２７４的引腳及外部接口圖如圖４所示，各引腳功能如下：

ＩＮＸ（２，１１，１４，２３）：信號(hào)輸入；

ＬＰＯＸ（１，１２，１３，２４）：低通輸出；

ＢＰＯＸ（４，９，１６，２１）：帶通輸出；

ＦＣ：ＲＸ／ＲＹ調(diào)節(jié)端，可接到Ｖ＋、Ｖ－或ＧＮＤ。

３ＭＡＸ２７４的應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

變壓器監(jiān)測現(xiàn)場的干擾主要有電磁干擾、風(fēng)扇振動(dòng)（８～２５ｋＨｚ）、可控硅動(dòng)作（２００～３００ｋＨｚ和７００～９００ｋＨｚ）和電臺(tái)通訊信號(hào)（８００ｋＨｚ左右）等，這些信號(hào)相對(duì)都集中在較高頻段。因此，濾波器應(yīng)設(shè)計(jì)為低通濾波器。Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器在通帶內(nèi)具有平坦的幅度特性，而且隨著頻率升高呈現(xiàn)單調(diào)遞減的特點(diǎn)，因而比較適合本設(shè)計(jì)。

其參數(shù)設(shè)計(jì)過程如下：

步，由公式Ｒ２＝（２×１０９／ｆ０），計(jì)算出Ｒ２；

第二步，由公式Ｒ４＝Ｒ２－５ｋΩ，計(jì)算出Ｒ４；

接下來，計(jì)算Ｒ３以決定Ｑ值，Ｒ３與Ｑ的值成正比例關(guān)系，其關(guān)系式為Ｒ３＝Ｒ２ＱＲＸ／ＲＹ，其中ＲＸ和ＲＹ是濾波器單元內(nèi)的兩個(gè)電阻，其比值由ＦＣ管腳連接到哪個(gè)引腳決定，具體見表１所列。

表1FC接點(diǎn)與RX/RY的比值

FC連接點(diǎn)

RX/RY

V+

4/1

GND

1/5

V-

1/25

計(jì)算出Ｒ１，Ｒ１主要用來設(shè)定增益。對(duì)于低通濾波器，Ｒ１的值與增益成反比。其關(guān)系式為：

Ｒ１＝（Ｒ２／ＨＯＬＰ）·（ＲＸ／ＲＹ）

濾波器的設(shè)計(jì)雖然也可以采用上述步驟手算，但對(duì)高階濾波器宜采用軟件輔助設(shè)計(jì)。用濾波器設(shè)計(jì)專用軟件ＭＡＸ２７４Ｓｏｆｔｗａｒｅ進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)非常方便，可以節(jié)省大量時(shí)間，同時(shí)也避免了人為計(jì)算的錯(cuò)誤。軟件仿真可以完成階數(shù)、極點(diǎn)、Ｑ值的計(jì)算，可生成仿真增益Ｇａｉｎ和相位Ｐｈａｓｅ的響應(yīng)曲線，并計(jì)算外接電阻的阻值。

本設(shè)計(jì)中低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ濾波器的具體要求為：通帶截止頻率１ｋＨｚ，通帶內(nèi)衰減０．１ｍｄＢ，阻帶截止頻率４ｋＨｚ，阻帶衰減５０ｄＢ，通帶增益為１。將設(shè)計(jì)要求輸入ＭＡＸ２７４Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件，經(jīng)計(jì)算得出濾波器階數(shù)為８，軟件自動(dòng)調(diào)整后可得到表２所列的４級(jí)２階濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中的電阻值是經(jīng)過１％精度調(diào)整后得到的，Ｇａｉｎ是直流狀態(tài)的增益。由Ｍａｘｉｍ２７４Ｓｏｆｔｗａｒｅ軟件生成的增益曲線用Ｍａｔｌａｂ處理后如圖５中的實(shí)線所示。

表28階濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

f0(Hz)

Q

Gain(V/V)

R1()

R2()

R3()

R4()

Section1

1.956k

513m

1.02

205k

205k

200k

200k

Section2

1.956k

592m

1.02

1.02M

1.02M

1.02M

1.02M

Section3

1.956k

890m

1.02

105k

121k

182k

511k

Section4

1.956k

2.499

1.02

1.02M

1.02M

1.02M

1.02M

４實(shí)驗(yàn)結(jié)果及注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)室將表２所列的電阻值按照圖４所示接入，并采用ＸＤ－７低頻信號(hào)發(fā)生器將正弦波信號(hào)輸入濾波器的輸入端，部分典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表３所列。輸出與輸入的比值取對(duì)數(shù)后生成的曲線如圖５中的虛線所示。對(duì)比圖５中的兩曲線可以看出，在小于４ｋＨｚ時(shí)，兩曲線基本重合；而當(dāng)大于４ｋＨｚ時(shí)，兩者出現(xiàn)了偏差，這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)所用電壓表、電阻精度不足及電路板本身的噪聲造成的。即使如此，通過表３可以看出：在４ｋＨｚ時(shí)，輸出電壓已經(jīng)衰減為輸入電壓的０.４％，完全可以滿足實(shí)際工程的需要，因此，本濾波器的設(shè)計(jì)是成功的。

表3部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

頻率（Hz）

100

400

800

1000

3000

4000

5000

6000

10000

輸入（V）

0.575

0.592

0.576

0.568

0.580

0.568

0.555

0.543

0.499

輸出（V）

0.610

0.625

0.596

0.582

0.016

0.0023

0.0018

0.0015

0.0010

使用ＭＡＸ２７４時(shí)，市場上所能購買到的電阻和計(jì)算值之間有一定誤差，因此要對(duì)電阻值進(jìn)行取舍，通常誤差不要超過５％，以使電阻值對(duì)濾波器的頻譜影響不至于太大，從而使得到的頻譜關(guān)系滿足要求。另外，當(dāng)Ｒ大于４ＭΩ時(shí)，寄生電容的影響將明顯表現(xiàn)出來，此時(shí)可用Ｔ型網(wǎng)絡(luò)形式將其變換成小電阻。

ＭＡＸ２７４既可用單＋５Ｖ供電，又可以用±５Ｖ供電。值得注意的是，采用單＋