CN102759656B - 配电网低压大电流磁场模拟显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置，涉及电力系统的磁路饱和大电流的检测，由硬件部分和软件部分组成，其中，硬件部分包括配电网低压大电流产生电路、低压大电流检测器、5V稳压电源、A/D转换器、控制单片机和显示器；软件部分为主控电路的操作程序，由控制主程序、数据处理子程序和显示子程序组成；该装置不仅能在配电网低压下产生大电流，而且能在该装置的显示器中模拟显示该大电流，是一种携带方便、操作简单、价格低廉和测量精度高的智能化大电流磁场模拟显示装置。

Description

配电网低压大电流磁场模拟显示装置

技术领域

本发明的技术方案涉及电力系统的磁路饱和大电流的检测，具体地说是配电网低压大电流磁场模拟显示装置。

背景技术

目前，发电设备发出电能的90%以上是通过电磁设备分配使用的。电磁设备在工业、农业、交通运输、国防、科教、文卫、金融、商业、旅游服务和人民生活等领域的安全配电中得到广泛应用，其工作性能和可靠性直接关系国民生产的正常运行。但是随着国民经济的发展对供电质量的要求越来越高以及电力系统的快速发展，因磁路饱和导致故障的现象也越来越多。当铁磁材料的磁化强度达到极限，使部分磁路磁饱和时，会产生局部大电流将电磁设备烧坏，从而影响正常供电。因此需要研发一种能在配电网低压（即三相220V，下同）下进行大电流磁场的模拟显示、携带方便、操作简单、价格低廉和测量精度高的智能化大电流磁场模拟显示装置，以用作现代电力系统的磁路故障检测的重要工具，这是磁路饱和大电流检测技术发展的迫切需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供配电网低压大电流磁场模拟显示装置，该装置不仅能在配电网低压下产生大电流，而且能在该装置的显示器中模拟显示该大电流，是一种携带方便、操作简单、价格低廉和测量精度高的智能化大电流磁场模拟显示装置。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案：配电网低压大电流磁场模拟显示装置，由硬件部分和软件部分组成，其中，硬件部分包括配电网低压大电流产生电路、低压大电流检测器、5V稳压电源、A/D转换器、控制单片机和显示器；软件部分为主控电路的操作程序，由控制主程序、数据处理子程序和显示子程序组成；所述的配电网低压大电流产生电路由自耦变压器T₁、激磁变压器T₂和电流互感器T₃的原边构成，该三部分的连接顺序依次为：自耦变压器T₁的副边接激磁变压器T₂的原边，激磁变压器T₂的副边接电流互感器T₃的原边；所述的低压大电流检测器由电流互感器T₃的副边和标准电阻R₂组成，电流互感器T₃的副边和标准电阻R₂并联；所述的A/D转换器由ADC0809芯片和SUN7474芯片组成；配电网低压大电流磁场模拟显示装置的硬件部分的整体连接方式是：配电网低压大电流产生电路、低压大电流检测器、5V稳压电源、A/D转换器、控制单片机和显示器六部分之间通过导线连接，其中低压大电流检测器的电流互感器T₃的副边与标准电阻R₂并联后，一端输出作为取样信号与ADC0809芯片输入端相连，另一端接地，控制单片机对ADC0809芯片的地址输入线进行赋值，ADC0809芯片的输出作为控制单片机的输入，SUN7474芯片与ADC0809芯片的地址锁存端口ALE相连，5V稳压电源的电压源与A/D转换器、控制单片机和显示器的供电端通过导线连接。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述配电网低压大电流产生电路中的激磁变压器T₂的原边匝数为2933匝，副边为一匝大电流铜线，其长为1.7147m、横截面积为120mm²,参数选为75mV/300A。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述标准电阻R₂的阻值为1Ω。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述的5V稳压电源由芯片LM22676及其外围电路组成，其中芯片LM22676与外围电路的连接方式如下：芯片LM22676的第7管脚VIN经输入电容C1和C2并联接地，芯片LM22676的第5管脚使能端EN接高电平，芯片LM22676的第6管脚GND接地，芯片LM22676的第2和3管脚NC悬空，芯片LM22676的第1管脚BOOT与第8管脚SW之间接自举电容C3,SW再经稳压二极管D1接地，芯片LM22676的第8管脚SW输出端接电感L1一端，L1另一端并经分压电阻R1和R2串联接地以及电容C4接地，芯片LM22676的第4管脚FB接于R1和R2之间。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述的控制单片机采用80C51单片机。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述的显示器是LED数码管显示器，其电路由80C51单片机的P1、P2口及芯片SR420561K组成。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述主程序流程是：开始→初始化及输入通道设定→启动A/D转换→A/D转换是否结束？→N，返回继续AD转换；Y，调用数据处理子程序→调用显示子程序→返回初始化及输入通道设定。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述数据处理子程序流程是：开始→80C51初始化→输入8位AD转换结果→二进制转换为十进制BCD码→结束。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，所述显示子程序流程是：开始→80C51初始化→动态显示初始化→送位选字→查段选表→段选码送入→延时1ms→指向下一个缓冲显示单元→4位是否显示完成？→N，显示下一位→返回动态显示初始化；Y→结束。

上述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其中所涉及到的电路、元件及其连接方式均是本技术领域的普通技术人员所熟知的，所用到的元器件都可以通过商购获得。

本发明的有益效果是：本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置所具有的突出的实质性特点是：由于本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中设置了由自耦变压器T₁、激磁变压器T₂和电流互感器T₃的原边构成的配电网低压大电流产生电路，该电路应用电磁饱和原理，当自耦变压器T₁电流增大的时候，会使得激磁变压器T₂的铁心线圈磁路达到饱和，从而产生大电流；同时，由电流互感器T₃的副边和标准电阻R₂组成的低压大电流检测器，可以把电流信号转换为电压信号，再经A/D转换器转变为数字信号；主控单片机80C51完成对输入的上述数字信号进行处理，并通过显示器显示结果。本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置所具有的显著优点和进步是：该装置的工作电压为配电网低压220V，因此适用范围更广；由于加入了相应的控制单片机，实现了控制的自动化和智能化；该装置的电流测量范围广，测量范围为0.0～300A，最大电流可达300A，精度高，抗干扰能力强。本发明装置不仅能在配电网三相电压下产生大电流，而且能在该装置的显示器中模拟显示该大电流磁场，是一种携带方便、操作简单、价格低廉、测量精度高的智能化大电流磁场模拟显示装置。下列实施例中将进一步证明本发明装置的有益效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置的构成框图。

图2是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的配电网低压大电流产生电路示意图。

图3是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的5V稳压电源的构成电路图。

图4是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的A/D转换器的构成示意图。

图5是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的控制单片机及显示器的主处理芯片电路图。

图6是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的显示器的构成电路图。

图7是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的主体部分的连接电路示意图。

图8是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的主程序流程图。

图9是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的数据处理子程序流程图。

图10是本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的显示子程序流程图。

图中，1.自耦变压器T₁，2.激磁变压器T₂，3.电流互感器T₃，4.ADC0809芯片。

具体实施方式

图1说明本发明的配电网低压大电流磁场模拟显示装置，由硬件部分和软件部分组成，其中，硬件部分包括配电网低压大电流产生电路、低压大电流检测器、5V稳压电源、A/D转换器、控制单片机和显示器,其连接方式为大电流产生电路、低压大电流检测器、A/D转换器、控制单片机、显示器依次连接,5V稳压电源的电压源与A/D转换器、控制单片机和显示器的供电端通过导线连接；软件部分为主控电路的操作程序，由控制主程序、数据处理子程序和显示子程序组成。

图2左侧虚框显示，本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的配电网低压大电流产生电路由自耦变压器T₁1、激磁变压器T₂2和电流互感器T₃3的原边构成，该三部分的连接顺序依次为：自耦变压器T₁1的副边接激磁变压器T₂2的原边，激磁变压器T₂2的副边接电流互感器T₃3的原边。另外，自耦变压器T₁1的原边接配电网低压220V，其副边电压在0～220V电压范围内变化，自耦变压器T₁1对激磁变压器T₂2进行供电；该配电网低压大电流产生电路发出的大电流经电流互感器T₃3和标准电阻R₂转换成电压信号，该信号作为取样信号输入芯片ADC0809。

图2右侧虚框显示，本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的低压大电流检测器，由电流互感器T₃3的副边和标准电阻R₂构成，电流互感器T₃3的副边与标准电阻R₂并联，其中的标准电阻R₂的一端将配电网低压大电流产生电路发出的电流信号转换为电压信号，并将该电压信号作为取样信号由标准电阻R₂的一端输入到ADC08095的输入端IN3，标准电阻R₂的另一端接地GND。

图3所示实施例表明本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的5V稳压电源的构成电路由LM22676芯片、电容器C₁、电容器C₂、电容器C₃、电容器C₄、电阻R₁、电阻R₂、电感L₁和稳压二极管D₁组成。其中，电容器C₁的正极和电容器C₂的正极共同接在LM22676的第7管脚VIN上，其负极均接地GND，而VIN接高电平；LM22676芯片的第6管脚接地GND，LM22676芯片的第5管脚EN接高电平，LM22676芯片的第1管脚BOOT接电容器C3的正极，而C3的负极接LM22676芯片第8管脚SW并通过稳压管D1接地，LM22676芯片第8管脚SW的另一端接电感L₁一端，电感L₁另一端经分压电阻R₁与R₂串联接地，同时电感L₁另一端与电容C4正极相接并连接至该电源的电压输出端，另电容C₄的负极接地；LM22676芯片第4管脚FB接在电阻R₁和电阻R₂的中间接点上。这样，电阻R₁一端输出电压即为稳定的5V电压，保证了本配电网低压大电流磁场模拟显示装置的稳定工作5V电压，其作用是为A/D转换器、控制单片机和显示器提供稳定的工作电压。各电子元件的参数如下：C₁=22μF,C₂=2.2μF，C₃=10nF，C₄=120μF，R₁=4.7KΩ，R₂=0.828KΩ，L₁=8.2μH，稳压二极管D₁采用稳压值为45V的1N4756。

图4所示实施例表明本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的A/D转换器由该图左边的ADC0809芯片和该图右边的SUN7474芯片组成。当单片机80C51对A/D转换器ADC0809的第23、24和25管脚的地址输入线ADDA、ADD-B和ADD-C分别赋值1、1、0时，选通IN3的模拟量输入。A/D转换器将低压大电流检测器中的标准电阻R₂的一端输入到ADC08095的输入端IN3的模拟信号转换为数字信号，并输出至单片机80C51单片机做下一步处理。

图5显示本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中所用的控制单片机为80C51单片机的电路图，80C51单片机对由A/D转换器传入的数字信号进行处理，并将处理后得到的数据输送至显示器。

图6显示本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的显示器由单片机的P1、P2口与芯片SR420561K的管脚相连所构成，显示由80C51单片机处理后得到的测量电流值数据。单片机的P1包括P1.0～P1.7，分别与芯片SR420561K的管脚a、b、c、d、e、f、g和Dp连接；P2包括P2.0～P2.3，分别通过500Ω电阻和三极管与芯片SR420561K的管脚S1、S2、S3和S4连接。

图7显示本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的主体部分的连接电路，其中A虚线框部分为配电网低压大电流产生电路，B虚线框部分为低压大电流检测器,C虚线框部分为A/D转换器，D虚线框部分为控制单片机80C51单片机，E虚线框部分为显示器。其连接方式为：配电网低压大电流产生电路、大电流检测电路、A/D转换电路、控制单片机80C51单片机和显示器依次连接。低压大电流产生电路的输入端接配电网低压220V，其输出端与低压大电流检测器相连，低压大电流检测器将电流信号转换成电压信号，低压大电流检测器输出的电压信号输入A/D转换器芯片ADC0809的输入端，通过A/D转换器模数转化变为数字信号，A/D转换器输出数字信号至控制单片机80C51单片机的输入端，控制单片机80C51单片机将处理后得到的数据通过P1和P2口送出至显示器，并控制显示器SR420561K显示得到的测量电流值数据。

图8所示实施例为本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的主程序流程是：

开始→初始化及输入通道设定→启动A/D转换→A/D转换是否结束？→N，返回继续AD转换；Y，调用数据处理子程序→调用显示子程序→返回初始化及输入通道设定。

图9所示实施例为本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的数据处理子程序流程是：

开始→80C51初始化→输入8位AD转换结果→二进制转换为十进制BCD码→结束。

图10所示实施例为本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置中的显示子程序流程是：

开始→80c51初始化→动态显示初始化→送位选字→查段选表→段选码送入→延时1ms→指向下一个缓冲显示单元→4位是否显示完成？→N，显示下一位→返回动态显示初始化；Y→结束。

实施例1

按照上述图2～图10配置和安装本实施例所用的配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其中，激磁变压器T₂2的副边为一匝大电流铜线，这样当自耦变压器T₁1电流增大时，会使得激磁变压器T₂2线圈的磁路达到饱和，由磁路饱和的相关知识可知，激磁变压器T₂2的线圈中会产生大的畸变电流，该畸变电流可达三百安培以上。激磁变压器T₂2的副边大电流铜线长为1.7147m、横截面积为120mm²,参数选为75mV/300A。根据变压器变比公式得，得激磁变压器T₂2的原边匝数此时本装置的功率为：P=300A×75mV=22.5W。这一功率参数能够达到常用电源的容量限定，保证供电设备能够稳定的运行。因此，本发明配电网低压大电流磁场模拟显示装置的大电流磁场产生在设计上合理，易于与常规的测量设备适配，且其电流能够达到300A以上。这里使用标准电阻R₂的阻值为1Ω，保证测量精度。

用该装置进行配电网低压大电流磁场模拟显示，其操作过程和结果是：

实验开始前检查电流互感器，以防副边开路发生事故。接通三相交流电源，调节自耦变压器T₁，使自耦变压器T₁副边的输出电压为220V。5V稳定电压源向A/D转换器、控制单片机和显示器提供稳定的工作电压。80C51单片机进行初始化及输入通道的设定，其I/O口P3.4、P3.5和P3.6对ADC0809芯片的地址输入线ADD-A、ADDB和ADD-C分别赋值为1、1、0时，选通ADC0809芯片的IN3模拟量输入，SUN7474芯片作为ADC0809芯片的CLK信号频率发生器。ADC0809芯片将输入IN3的模拟信号转换为80C51单片机可以识别的数字信号，80C51单片机通过I/O口P0.0～P0.7接收数据，并调用数据处理子程序对采集的数据进行处理，同时调用显示子程序将处理结果通过I/O口P1.0～P1.7、P2.0～P2.3输送至四位数码显示器SR420561K芯片。

结果：数码显示器显示结果为299.3A，误差为0.23%<0.5%，在误差允许范围内。

实施例2

除是操作时将配电网低压大电流产生电路中的自耦变压器T₁的副边电压调至127V之外，本实施例所用的配电网低压大电流磁场模拟显示装置和其他操作过程同实施例1。

结果：数码显示器显示结果为173.8A，误差为0.35%<0.5%，在误差允许范围内。

Claims (6)

1.配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其特征在于：由硬件部分和软件部分组成，其中，硬件部分包括配电网低压大电流产生电路、低压大电流检测器、5V稳压电源、A/D转换器、控制单片机和显示器；软件部分为主控电路的操作程序，由控制主程序、数据处理子程序和显示子程序组成；所述的配电网低压大电流产生电路由自耦变压器T₁、激磁变压器T₂和电流互感器T₃的原边构成，该自耦变压器T₁、激磁变压器T₂和电流互感器T₃三部分的连接顺序依次为：自耦变压器T₁的副边接激磁变压器T₂的原边，激磁变压器T₂的副边接电流互感器T₃的原边；所述的低压大电流检测器由电流互感器T₃的副边和标准电阻R₂组成，电流互感器T₃的副边和标准电阻R₂并联；所述的A/D转换器由ADC0809芯片和SUN7474芯片组成；配电网低压大电流磁场模拟显示装置的硬件部分的整体连接方式是：配电网低压大电流产生电路、低压大电流检测器、5V稳压电源、A/D转换器、控制单片机和显示器六部分之间通过导线连接，其中低压大电流检测器的电流互感器T₃的副边与标准电阻R₂并联后，一端输出作为取样信号与ADC0809芯片输入端相连，另一端接地，控制单片机对ADC0809芯片的地址输入线进行赋值，ADC0809芯片的输出作为控制单片机的输入，SUN7474芯片与ADC0809芯片的地址锁存端口ALE相连，5V稳压电源的电压源与A/D转换器、控制单片机和显示器的供电端通过导线连接，所述配电网低压大电流产生电路中的激磁变压器T₂的原边匝数为2933匝，副边为一匝大电流铜线，其长为1.7147m、横截面积为120mm²,参数选为75mV/300A，所述标准电阻R₂的阻值为1Ω，所述控制单片机采用80C51单片机。

2.根据权利要求1所述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其特征在于：所述的5V稳压电源由芯片LM22676及其外围电路组成，其中芯片LM22676与外围电路的连接方式如下：芯片LM22676的第7管脚VIN经输入电容C1和C2并联接地，芯片LM22676的第5管脚使能端EN接高电平，芯片LM22676的第6管脚GND接地，芯片LM22676的第2和3管脚NC悬空，芯片LM22676的第1管脚BOOT与第8管脚SW之间接自举电容C3,SW再经稳压二极管D1接地，芯片LM22676的第8管脚SW输出端接电感L1一端，L1另一端并经分压电阻R1和R2串联接地以及电容C4接地，芯片LM22676的第4管脚FB接于R1和R2之间。

3.根据权利要求1所述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其特征在于：所述的显示器是LED数码管显示器，其电路由80C51单片机的P1、P2口及芯片SR420561K组成。

4.根据权利要求1所述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其特征在于：所述主程序流程是：开始→初始化及输入通道设定→启动A/D转换→A/D转换是否结束？→N，返回继续AD转换；Y，调用数据处理子程序→调用显示子程序→返回初始化及输入通道设定。

5.根据权利要求1所述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其特征在于：所述数据处理子程序流程是：开始→80C51初始化→输入8位AD转换结果→二进制转换为十进制BCD码→结束。

6.根据权利要求1所述配电网低压大电流磁场模拟显示装置，其特征在于：所述显示子程序流程是：开始→80C51初始化→动态显示初始化→送位选字→查段选表→段选码送入→延时1ms→指向下一个缓冲显示单元→4位是否显示完成？→N，显示下一位→返回动态显示初始化；Y→结束。