CN104166413A

CN104166413A - 干式变压器温度控制器及其控制方法

Info

Publication number: CN104166413A
Application number: CN201410428870.9A
Authority: CN
Inventors: 郭明皇
Original assignee: HANGZHOU HONCEN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU HONCEN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2014-11-26

Abstract

本发明涉及温度控制技术，公开了一种干式变压器温度控制器及其控制方法。包括微控制器和温度传感器电路，温度传感器电路连接相互串联的ESD保护电路、信号调理电路、多路切换开关以及A/D转换电路，所述的温度传感器电路为外接半桥式差分电路，温度传感器为电阻型温度传感器Rs，温度传感器并联一个电阻Rr，一端通过传感器导线连接到ESD保护电路，另一端通过传感器导线连接到信号调理电路。该干式变压器温度控制器以微控制器为核心，通过低温漂电阻电桥电路及远端传感器差分式半桥接法，在提高测量及控制精度的同时，提高了产品的抗干扰性能和测量的稳定性。

Description

干式变压器温度控制器及其控制方法

技术领域

本发明属于温度控制仪器技术领域，涉及一种干式变压器温度控制器及其控制方法。

背景技术

变压器在运行中，遇到短路、过载、环境温度过高或冷却通风不够等情况时，就会过热。干式变压器热平衡性能差，绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏是导致变压器不能正常工作的主要原因。因此，对变压器绕组的运行温度进行检测、驱动风机实现强迫风冷及报警控制是十分重要的。

干式变压器温度控制系统是维护干式变压器运行的重要部件，它能有效防止变压器温升过高引发事故，还能促进变电站的科学管理。当前市场上的干式变压器温度控制器产品测量精度不高，且受环境温度影响较大；此外，干式变压器温控器产品一般应用于存在强电磁干扰的场合，工频干扰对测量稳定性影响很大。

干式变压器温度控制器是随干式变压器而发展的，它主要用于对干式变压器的保护，防止其绕组温度过高而损坏变压器。此外，它还具有综合测温和显示功能，可显示三相绕组的温度、最高温度、整定温度以及用户设定的温度等；能指示超温、超高温、故障状态，通过键盘可更改设定温度等，通过远距离测量传送数据实现保护。

目前我国干式变压器用的温度控制器利用预埋在变压器绕组的测温孔中的箔热电阻来测量绕组的温度并进行数字显示，提供绕组超温报警、超温跳闸以及传感器故障报警等功能，利用设定温度点控制风机启停，对提高干式变压器运行的安全性、可靠性及使用寿命起到一定的作用。例如三大电子生产的干式变压器温控仪。但是，不能清晰显示对干式变压器使用寿命具体影响值，仍然很难判断绕组热点温度为多少才能够达到即经济又高效，只能靠经验推算，不能真正量化。

中国专利文献号CN201556107U于2010年08月18日公开了一种干式变压器智能温控仪，包括温度检测单元和控制单元，控制单元依次连接温度信号处理单元、主控制器以及可对干式变压器进行散热的散热单元，温度检测单元与控制单元中的温度信号处理单元的输入端相连，温度信号处理单元对温度检测单元采集到的温度数据进行信号处理，将信号送入主控制器，由主控制器判断是否启动散热单元对干式变压器进行散热，其中温控仪还包括人机交互界面单元、温升自动控制单元、高温报警单元、高温跳闸单元和温度检测单元，分别于主控制相连。

发明内容

鉴于上述存在的问题，本发明的目的是提供一种测控精度高、受环境温度及电磁干扰影响小、测控稳定的低成本干式变压器温控器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明一实施例公开了一种干式变压器温度控制器，采取了以下技术方案：

一种干式变压器温度控制器，包括：微控制器和温度传感器电路，温度传感器电路连接相互串联的ESD保护电路、信号调理电路、多路切换开关以及A/D转换电路，即温度传感器电路与ESD保护电路相连，ESD保护电路与信号调理电路相连，信号调理电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路的另一端连接微控制器；所述的温度传感器电路为外接半桥式差分电路，温度传感器为电阻型温度传感器Rs，温度传感器并联一个电阻Rr，并联后的一端通过传感器导线连接到ESD保护电路，另一端通过传感器导线连接到电阻R_A。所述外接半桥式差分温度传感器电路，其含温度传感器的二分之一半桥电路，通过传感器导线连接到干式变压器温控器主机电路板上。其优点是可以抵消传感器长导线上的共模干扰信号，提高测量的精度和稳定性。

进一步的，电阻R_A的另一端连接基准电压；电阻R_B一端连接基准电压，另一端连接信号调理电路的电阻R1。

进一步的，信号调理电路包括一个运算放大器U1，运算放大器U1的输入正极连接电阻R1和电阻R2；运算放大器U1的输入负极连接电阻R3，电阻R3的另一端连接ESD保护电路。

进一步的，电容C1和电阻R4并联后，一端连接运算放大器U1的输入负极，另一端连接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端连接到A/D转换电路。

进一步的，还包括键盘、显示单元和指示灯，键盘、显示单元和指示灯分别连接微控制器。

进一步的，还包括多路继电器，多路继电器连接微控制器。

进一步的，温度传感器电路至少包括A相、B相、C相三相。根据实际需要还可以添加一个d路。

进一步的，还包括RS485通讯电路和4-20mA输出电路，RS485通讯电路和4-20mA输出电路分别连接微控制器。

本发明的另一实施例公开了一种基于上述干式变压器温度控制器的控制方法，采取了以下技术方案：

温度传感器电路分别测量得到电桥左半臂的电压和电桥右半臂的电压；

信号调理电路将得到电桥输出电压放大给A/D转换电路；

A/D转换电路进行模拟量与数字量的转换，并传送给微控制器；

微控制器根据用户设定的参数，分析温度传感器电路传送的信息，进而控制多路继电器的通断，实现干式变压器温度控制。

电桥左半臂的电压为：

电桥右半臂的电压为：

计算得出电桥输出电压，并传送给微控制器；电桥输出电压，即电桥两个臂的电压差为：

其中，R_A和Rs电桥左半臂、R_B和Rr是电桥右半臂，Vref是基准电压，V_A是电桥左半臂电压，V_B是电桥右半臂电压，E_D是差模干扰电压，V_AB是电桥的输出电压，其中R_A=R_B。

进一步的，信号调理电路即差分放大电路，包括电阻R1、R2、R3、R4和电容C1及运算放大器U1，其中R1=R3，R2=R4，用于将电桥两个电桥臂间的微小电压差值进行放大。

作为优选，所述的温度传感器电路，其电桥上采用10ppm的低温漂电阻。其优点是有效地降低了温漂对电桥输出信号的影响，降低了系统误差。

本发明干式变压器温控器及其控制方法的有益效果是，不仅能达到消除共模干扰的作用，还可以大大衰减差模信号，从而确保了测量精度和系统的稳定性。能够适用于轨道交通、电站、机场等工作环境恶劣的场合，具有良好的测量精度，并且具有很强的测量稳定性和抗干扰能力。

附图说明

图1为干式变压器温控器的工作原理图；

图2为传统传感器电桥测量电路；

图3本发明中传感器及前端信号处理电路；

图4 传统电桥电路的干扰信号模型；

图5本发明中差分电桥电路的干扰信号模型；；

其中：1-温度传感器电路、2-ESD保护电路、3-信号调理电路、4-多路切换开关、5-A/D转换电路、6-微控制器、7-键盘、8-显示单元、9-指示灯、10-多路继电器、11-RS485通讯电路、12-4-20mA输出电路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图,对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

参照图1，和图3，本发明实施例一干式变压器温度控制器，包括温度传感器电路1、ESD保护电路2、信号调理电路3、多路切换开关4、A/D转换电路5、微控制器6、键盘7、显示单元8、多路继电器10、RS485通讯电路11和4-20mA输出电路12。所述温度传感器电路1用来获取干式变压器绕组温度，将温度信号变为电阻信号，电桥电路将传感器电阻信号变为电压信号；ESD保护电路2用来抑制传感器输入线上感应的高压或电流冲击，保护后续电子元器件；信号调理电路3的作用是滤波放大；多路切换开关4的作用是切换温度传感器信号，同一时刻只有一路传感器信号接入到A/D转换电路5；A/D转换电路5的作用是将模拟的电压信号变为数字信号，用于后续微控制器6处理；显示单元8用于显示温度值及控制参数信息；键盘7用于用户查看和设定控制参数；多路继电器10用来控制风机、报警输出、跳闸等外部单元；RS485通讯电路11用于远程通讯和控制，方便自动化统一管理；4-20mA电流输出电路12的作用是将温度信号变为标准的电流信号，用于驳接数显表和其它二次仪表。

如图3所示，所述的温度传感器电路1为外接半桥式差分电路，温度传感器为电阻型温度传感器Rs，温度传感器并联一个电阻Rr，并联后的一端通过传感器导线连接到ESD保护电路2，另一端通过传感器导线连接到电阻R_A。所述外接半桥式差分温度传感器电路1，其含温度传感器的二分之一半桥电路，通过传感器导线连接到干式变压器温控器主机电路板上。其优点是可以抵消传感器长导线上的共模干扰信号，提高测量的精度和稳定性。

电阻桥式电路的下半桥放在远程端的温度传感器内；固定值电阻R_A、R_B和Rr使用10ppm的低温漂电阻，即环境温度变化1度，电阻的阻值变化百万分之十，大大降低了环境温度对测量精度的影响，满足-30℃至80℃环境温度下满量程的测量精度要求。此外，因为半桥臂Rr与温度敏感器件即电阻型温度传感器Rs处在相同的位置，2个电桥臂输出引线上感应的干扰电压一致，所以干扰信号电压会在信号调理电路中的差分放大电路中当做共模干扰而去除掉，大大提高了测量稳定性和抗干扰性能。

电阻R_A的另一端连接基准电压；电阻R_B一端连接基准电压，另一端连接信号调理电路3的电阻R1。信号调理电路3包括一个运算放大器U1，运算放大器U1的输入正极连接电阻R1和电阻R2；运算放大器U1的输入负极连接电阻R3，电阻R3的另一端连接ESD保护电路2。电容C1和电阻R4并联后，一端连接运算放大器U1的输入负极，另一端连接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端连接到A/D转换电路5。

其中电阻R2和ESD保护电路2接地。

本发明还包括多路继电器10，以及RS485通讯电路11和4-20mA输出电路12，分别连接微控制器6。温度传感器电路1至少包括A相、B相、C相三相。若有需要还可以添加一个d路。

现有技术存在如下问题：

如图2，电桥由R_A、R_B、Rr和Rs组成，其中R_A和Rs、R_B和Rr分别是电桥的两个臂，Rs是电阻型温度传感器，如热电阻PT100、Cu50等，Vref是基准电压，其中R_A=R_B。电阻R1、R2、R3、R4和电容C1及运算放大器U1为电桥的信号调整电路，其中R1=R3，R2=R4，用于将电桥两个电桥臂间的微小电压差值进行放大。

图2是现有技术中传感器电桥测量电路，

电桥左臂的电压为；电桥右臂的电压为；所以电桥两个臂的电压差为；

差分放大器的放大倍由R2和R1（或R4和R3）的比例决定，其输出端电压为；即。Vo由后续的A/D转换电路和微控制器电路测量得到，上式中除Rs外均为固定值或已知值，微控制在得到A/D转换电路采样值后就可以进行数学运算得到Rs的值，然后再根据Rs热电阻分度表计算出温度值。

在实际应用中，传感器和测控主机电路往往不是安装在同一个位置的，比如干式变压器温度控制器，其传感器是安装在干式变压器的绕组里，而测控主机一般安装在电气机柜的面板上；传感器与测控主机间通过传感器导线连接。长导线连接及较强的电磁干扰环境要求传感器测控电路有较强的抗干扰能力。图2所示的传统传感器电桥测量电路，温度传感器Rs与电桥中的其它元器件通过传感器导线连接，由于实际应用环境中，传感器端和测控主机电路的对大地阻抗可能不一致、干式变压器工作时工频磁场也会使传感器导线上感应出干扰电压，此外电气开关柜的开关操作造成的电磁干扰等因素都会影响温控器的测控精度和稳定性。虽然可以用带屏蔽层的双绞线作为传感器导线，来降低传感器导线上的共模干扰，但对差模干扰无能为力。

图4是现有技术中电桥电路的干扰信号模型，其中E_D是差模干扰电压，V_AB是电桥的输出电压。可知电桥左半臂电压为：

右半臂电压为；所以电桥输出电压为：

可见，传统电桥测量电路的电桥输出电压的确消除掉了共模干扰，但差模干扰项仍然存在，该项影响了后续电路的测量精度和稳定性。

因此，本发明的另一实施例公开了一种基于实施例一干式变压器温度控制器的控制方法，采取了以下技术方案，参见图3：

温度传感器电路1分别测量得到电桥左半臂的电压和电桥右半臂的电压；

信号调理电路3将得到电桥输出电压放大给A/D转换电路5；

A/D转换电路5进行模拟量与数字量的转换，并传送给微控制器6；

微控制器6根据用户设定的参数，分析温度传感器电路1传送的信息，进而控制多路继电器10的通断，实现干式变压器温度控制。

电桥左半臂的电压为：

电桥右半臂的电压为：

信号调理电路3为差分放大电路，包括电阻R1、R2、R3、R4和电容C1及运算放大器U1，其中R1=R3，R2=R4，用于将电桥两个电桥臂间的微小电压差值进行放大。

与传统电桥电路不同的是，将电桥另外一个臂的下半臂与温度传感器放在一起，然后通过传感器导线与主电路连接，即电桥的两个臂的各个元器件都处在相同的工作条件下。这样做的好处是，外部干扰信号对于电桥的两个臂而言，影响等同，那么干扰电压就会自动消除掉。由此可见，本专利中提出的差分电桥电路，即能达到消除共模干扰的作用，还可以大大衰减差模信号，从而确保了测量精度和系统的稳定性。

本方法中虽然也存在差模干扰项，但因为RA=RB，Rr和Rs接近，该项的系数接近为零，故该项的影响可以忽略不计。

由此可见，本发明中提出的差分电桥电路，即能达到消除共模干扰的作用，还可以大大衰减差模信号，从而确保了测量精度和系统的稳定性。

上述参照实施例对干式变压器温度控制器及其控制方法进行详细描述是说明性的，不是限定性的，对本领域的技术人员来说，通过以上说明可以很清楚地理解具体实施例。本发明并不限制与此，凡按照本发明的技术思想，在技术方案基础上所做的不同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种干式变压器温度控制器，其特征在于，包括：微控制器和温度传感器电路，温度传感器电路连接相互串联的ESD保护电路、信号调理电路、多路切换开关以及A/D转换电路，即温度传感器电路与ESD保护电路相连，ESD保护电路与信号调理电路相连，信号调理电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路的另一端连接微控制器；所述的温度传感器电路为外接半桥式差分电路，温度传感器为电阻型温度传感器Rs，温度传感器并联一个电阻Rr，并联后的一端通过传感器导线连接到ESD保护电路，另一端通过传感器导线连接到电阻R_A。

2.根据权利要求1所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，电阻R_A的另一端连接基准电压；电阻R_B一端连接基准电压，另一端连接信号调理电路的电阻R1。

3.根据权利要求1或2所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，信号调理电路包括一个运算放大器U1，运算放大器U1的输入正极连接电阻R1和电阻R2；运算放大器U1的输入负极连接电阻R3，电阻R3的另一端连接ESD保护电路。

4.根据权利要求3所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，电容C1和电阻R4并联后，一端连接运算放大器U1的输入负极，另一端连接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端连接到A/D转换电路。

5.根据权利要求1或2所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，还包括键盘、显示单元和指示灯，键盘、显示单元和指示灯分别连接微控制器。

6.根据权利要求3所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，还包括多路继电器，多路继电器连接微控制器。

7.根据权利要求1所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，温度传感器电路至少包括A相、B相、C相三相。

8.根据权利要求4所述的干式变压器温度控制器，其特征在于，还包括RS485通讯电路和4-20mA输出电路，RS485通讯电路和4-20mA输出电路分别连接微控制器。

9.一种基于上述干式变压器温度控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

信号调理电路将得到电桥输出电压放大给A/D转换电路；

微控制器根据用户设定的参数，分析温度传感器电路传送的信息，进而控制多路继电器的通断，实现干式变压器温度控制；

电桥输出电压计算公式如下：

电桥左半臂的电压为：

电桥右半臂的电压为：

电桥输出电压，即电桥两个臂的电压差为：

以上公式中，R_A和Rs电桥左半臂、R_B和Rr是电桥右半臂，Vref是基准电压，V_A是电桥左半臂电压，V_B是电桥右半臂电压，E_D是差模干扰电压，V_AB是电桥的输出电压，其中R_A=R_B。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，信号调理电路即差分放大电路，包括电阻R1、R2、R3、R4和电容C1及运算放大器U1，其中R1=R3，R2=R4，用于将电桥两个电桥臂间的微小电压差值进行放大。