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激光電源

MAX274在變壓器鐵芯在線監(jiān)測中的應(yīng)用

星之球激光 來源:華強(qiáng)電子網(wǎng)2011-12-10 我要評論(0 )   

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,從而會導(dǎo)致局部鐵芯...

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,從而會導(dǎo)致局部鐵芯過熱,嚴(yán)重時(shí)可能造成輕瓦斯動作甚至重瓦斯動作跳閘。

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,測量值很不精確,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的情況,筆者在圖1所示的一次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;信號處理部分根據(jù)輸入信號的強(qiáng)弱分成兩路,弱信號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。

2 MAX274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。

3 MAX274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(8~25kHz)、可控硅動作(200~300kHz和700~900kHz)和電臺通訊信號(800kHz左右)等,這些信號相對都集中在較高頻段。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)具有最大平坦的幅度特性,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:

第一步,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=R2 Q RX/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1 FC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

最后計(jì)算出R1,R1主要用來設(shè)定增益。對于低通濾波器,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MAX274 Software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)最大衰減0.1mdB,阻帶截止頻率4kHz,阻帶最小衰減50dB,通帶增益為1。將設(shè)計(jì)要求輸入MAX274 Software軟件,經(jīng)計(jì)算得出濾波器階數(shù)為8,軟件自動調(diào)整后可得到表2所列的4級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Maxim274 Software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2 8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
#p#分頁標(biāo)題#e#

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低頻信號發(fā)生器將正弦波信號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數(shù)后生成的曲線如圖5中的虛線所示。對比圖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,因此要對電阻值進(jìn)行取舍,通常誤差不要超過5%,以使電阻值對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+5V供電時(shí),一定要按圖6方式進(jìn)行接線。筆者曾想當(dāng)然地將電源接在V+與GND引腳之間,結(jié)果燒毀了一片元器件。

5 結(jié)論

在變壓器鐵芯在線監(jiān)測項(xiàng)目中,鐵芯接地電流很小,而現(xiàn)場高頻干擾相對比較嚴(yán)重。本文探討了采用MAX274設(shè)計(jì)有源濾波器的方法,并給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的。

 

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