用电脑控制的工频高压系统

IEC-243-1规定， 电压上升率的选择应在一定的耐压时间内击穿受试材料。否则，必须以一定的速度立即升压， 直到击穿。在传统工频试验装置的基础上， 采用微机控制， 在 WIN98 平台上用VC 6. 0 制作可视化控制和测量软件，完成传统的工频试验装置和分级试验， 电压上升率可任意调节， 自动化程度高， 易于掌握和操作， 功能齐备。

1系统原理

1. 1系统的主要结构

计算机部分将完成电压测量、控制和数据处理功能以及最终打印测试结果。计算机将实时显示电压升降曲线、测试时间、突破电压等( 见软件结构) .

1. 2手动控制台

为防止计算机故障和一些特殊需要， 保留了手动控制台， 但与传统的控制台不同， 其控制信号与微机并联， 微机停止工作时可单独工作， 两者相互独立，相互联系。手动控制台完全保留了传统控制台的所有功能， 自动计时元件、自动微调电压元件、二次分压电路、过流过压保护电路等， 可手动升压降压和微调试验电压， 基本工频试验可以完成。

1. 3微机控制原理

微机通过I/ O 卡与485 外经光耦隔离后，控制外电路和本体。调压变压器由交流电机驱动， 并采用西门子6SE32 变频器的矢量控制系列。与变频器通信， 修改参数。同时通过 12 位高精度 D/ A 电路， 变频器输出频率由模拟量控制， 快速有效。485也可以通过变频器 通信口修改频率， 但反应速度较慢( 见变频器特性) .调压器升压降压不需要通过控制变频器改变电机转向来控制， 而是微机从 I/ O 卡直接发出指令给接触器，使两组控制电动机正反转的接触器按计算机的指令分合闸， 这使得微机对升降压的控制更加直接、快速、可靠。

2主要元件

2. 1微机

微机是系统的心脏， 承担采集、处理、控制、打印等功能。现有微控系统使用的微机是PⅡ400， 内存 128M B，实行控制测量工作。

2. 2变频器

变频器在系统中起着重要作用， 使系统具有很大的灵活性。使用该系统 6SE3214- 0DA40变频器， 三相， 工作电压 300～500V±10% ，具有电压/ 等等 4 控制方法。

6SE3214-0DA40 变频器可采用矢量控制方法，动态性能和精度高， 全数字控制， 功能软件丰富， 所有闭环调节参数的自动设置和自优化都可以通过自动检测和。采用IGBT功率模块技术， 具有可选的平滑坡特性， 加/ 减速时间 0. 1～650 s.矢量控制使变频器能轻松驱动慢速大转矩负载。

西门子 6SE321 通过系列变频器 RS485 串口使用USS通讯协议。每个信息包含 14 个字， 每一字都以UART格式传输， 即每个字都包含 1 bit 的开始位， 8 bit 数据位， 1 bit 奇偶校验位， 1 bit 停止位。每个信息包括变频器参数地址、控制字等需要修改的信息。6SE3214-0DA40 变频器 RS485 串口( U SS 协议) 波特率可达 19200 波特。

2. 3AD芯片

AD 转换在系统中起着关键作用， 它是闭环控制系统不可缺少的一部分， 峰值电压、有效值等量在试验过程中由其转换传递。系统对采集精度和稳定性要求较高， 故采用AD574 模数转换芯片。它是 12 模数转换器的位精度。其分辨率为 1/ 4095， 基准电压本身， 无需外部基准电压电路。但要过滤、稳压、消除高频噪声。

2. 4DA 芯片的选择

变频器输出频率分辨率 0. 1 Hz.

DA 转换输出量程为 0～10 V， 输出相应的变频器 0～50 Hz， 变频器每次变化 0. 1 Hz 时的 DA 输出应变化 20 mV.12 位的 DA 转换芯片的分辨率为 10 V/ 4095 = 2. 44 mV， 有足够的精度来控制变频器的频率。

2. 5485 卡的使用

变频器使用 RS485 口通信。通信只使用两条信号线， 信号由两条信号线之间的电压差传输。

3软件结构

系统软件控制界面包括菜单、初始化、测试和结果区。变频器参数设置、环境参数设置、IO 卡和485 菜单区实现了卡的初始化和打印功能。试验区包含试验过程信息， 如电压升降曲线、实际试验时间、当前电压峰值及各种试验状态等。

4试验结果

采用微机控制工频试验系统进行试验。型号为YSS7114 交流感应电动机( 功率 370 W， 电压 380 V， 三相) 驱动调压变压器。调压器的型号是 T 0JA - 75/ 0. 5， 输入电压 380 V， 负载电压 0～500 V.试验变压器高压输出最大 250 kV.高压臂分压器 550 pF， 低压臂 0. 284 F， 变比为 K 1 = 517. 36， 二次分压变比K 2 = 105. 65， 总变比 K = K 1×K 2 = 54659. 084.最大的二次分压 4. 57 V.使用西门子8116SE3214-0DA40 变频器，三相， 380V，功率1. 5kW.

以 50 Hz 频率驱动， 并使用 Tektronix T DS420A 通过整流峰值波形记录示波器的二次分压， 与系统采集的峰值波形相比， 验证系统的准确性和可靠性。

示波器和系统 AD 采集记录的升压曲线波形非常一致。说明本系统采用的方法、设备可行、合理。

对比两个波形图， 可看到 AD 在电压接近零的地方采集不稳定， 其他地方有一点毛刺。这与采集波形时的不正确AD良好屏蔽电路板有关。

5干扰源

1) 现在越来越多的变频器使用脉宽控制技术( PWM ) ， 具有载波， 它含有大量的谐波。变频器是一干扰源。试验证明， 假如变频器和模数A D 数模 DA 电路没有屏蔽， 变频器对两者的干扰非常明显， DA 无法正常转换， AD 有时不能正常工作。变频器启动后使用AD毛刺的转换明显增多。可见，变频器的使用会对系统的其他设备产生强烈的电磁干扰， 必须给予良好的屏蔽。

2) 试验放电的影响。试验放电时， 试验变压器输出端的电压突然降至零， 与放电电压相反的极性冲击电压波作用于试验变压器的高压绕组， 冲击电压波陡度大， 包括各种谐波。

而且击穿主要是在较高的电压下， 突然释放的能量很强，干扰特别大。

3) 偶尔叠加在电源电压波形上的毛刺会对系统产生一定的影响。

6抗干扰措施

1) 变频器是一干扰源， 自身也容易受到干扰， 保护。控制线、电源线和电机线分开布线， 不能在同一线槽或管道中， 尽量以 90 跨度。屏蔽电缆应用于控制线， 确保接地良好。滤波器应添加到变频器和电源之间。

2) 同轴电缆用于引出一次分压器， 采用旁路技术加双屏蔽， 一端接地。

3) 由 AD574 可见噪声会引起噪声 12 位ADC 一定误差。因此，所有电源引脚都必须连接去耦电容器， 5 V 电源去耦电容连接 1 脚和 15 脚( 数字地)之间， ±12 V 在模拟地( 9 脚) 之间去耦， 适当的去耦电容是 47 F 钽电容并联 0. 1 F 瓷片电容。为保证A D转换的准确性， 尽量远离逻辑电路，模拟输入电路， 使用人工布线， 或在机器自动布线的基础上进行人工优化， 逻辑电路的导线不能绕得太多， 尽量使用粗线。将电路板放入屏蔽盒中。

4) 使用隔离变压器， 内部电流电路与外部电源不直接接触， 将高压地与数字地隔开， 降低共模电压。

5) 光电隔离提供高共模抑制， 使数字( 包括计算机) 与模拟部分无电连接。但是，工频击穿会释放出含有大量高频分量的电磁波。由于光电隔离输入散电容( 1～10 pF) ， 对高频共模信号的光电隔离共模抑制往往不是很有效。

6) 变频器需要单独制作金属屏蔽盒， 严格保护， 尽量防止外部干扰变频器，隔离其他设备。

7实时性

1) 根据变频器通信协议， 从微机到变频器发送到变频器的最大时间不应大于最小传输时间 1. 5倍。若传输时间超过此限制， 这一系列信息将被忽略或视为错误。如果波特率为 9600， 每一个字为 11 bit， 一条信息包含 14 个字， 传输时间最短= 11×14/ 9600= 16/ 1000 s， 传输时间最长= 16×1. 5= 24 ms.收到有效信息后， 变频器会在 20 ms 内部回复确定消息。也就是说，需要发送消息确认 45 ms， 而一个 50 Hz 只有工频周期 20 ms.因此，电机的正反转由微机直接控制， 而不是通过变频器的正反转功能。也通过改变变频器频率D/ A 模拟量控制。变频器的参数设置采用微机与变频器的通信， 启动和停止变频器等。

2) 快速AD 和 DA 转换是保证实时反馈和控制的关键。经测量， AD 采样一次( 包括光耦隔离的延迟) 约须 75 s， 即一个 50 Hz 的工频周期( 20 ms) 能采样 266 次。这对于 12 位高精度的 AD 转换就足够了， 系统可以对控制过程的各种情况产生快速反应。DA 转换一次须 45 s.由变频器接受 DA模拟量需要一定的时间才能上升到所需的频率， 因此，该系统由继电器控制， 而非变频器控制。

该系统将所有的控制、测量和数据处理功能集中在计算机上， 基于 WINDOWS 平台软件设计具有以下特点：a)自动控制与手动控制相结合；b)图形界面化， 易于掌握和操作， 可视化试验升压曲线；c)可随时校准和输入分压器变比；d)自动处理数据， 计算机处理采集和测量系统获得的数据， 获得的信息将进一步调整测试， 这样可以适用于如 IEC-243-1 规定的分级试验；e)使用变频器， 使系统能够灵活调整电压上升率， 对于电压上升率需要调整的试验具有独到的优势；f)自动打印试验结果， 试验更准确可靠；g)计算机化的测量和控制， 升级换代方便。