"""

变压器铁芯电流信号检测装置设计

1. 概述

1.1 研究背景

1.1 研究背景

• 变压器是电力系统中的关键设备，其铁芯电流信号的准确检测对于保证变压器的安全稳定运行至关重要。
• 传统的变压器铁芯电流检测方法存在一定的局限性，无法满足现代电力系统对高精度检测的需求。
• 因此，研究一种新型的变压器铁芯电流信号检测装置具有重要的理论和实际意义。

1.2 变压器铁芯电流信号检测方法

1.2.1 谐波测量

• 采用傅里叶变换是现阶段谐波测量的主要方法，能够将检测到的信号通过时域进行离散处理，然后通过傅里叶展开，得到相应的频谱。
• 根据频谱特征，可以对不同次的谐波进行分类汇总，并通过计算得出相应参数。
• 该方法主要采用的算法是FFT，可以快速将信号变换到频域。

1.2.2 变压器铁芯电流测量

• 当前，对变压器铁芯电流进行检测的方法主要有两种，即非接触法和接触法。
• 传统的无接触检测方法是利用电感对变压器铁芯的电流进行检测。
• 目前常用的方法是将变压器铁芯的电流通路通过变压器，利用电感获得变压器铁芯的电流，并对采集到的模拟量进行转换，再由处理装置进行采集。
• 对变压器铁芯的电流进行了放大、过滤，并将其送入微控制器，再由AD转换成数字。
• 可以进行FFT变换，获得1024个分立的使用资料，然后再进行运算，得到对应的频率。

1.2.3 超声波检测法

• 当线圈中有缺陷时，当其直径低于超声波长时，将产生绕射现象，而当其超过一定的波长时，将出现衍射现象。
• 由此，可以通过对超声发射与接受的时间间隔的探测来判定有无瑕疵。
• 超声测试方法具有理论简便、不易受到电磁干扰、直观、准确等优点。
• 但是，由于其自身的构造和原油温度的改变，会对超声的传输产生一定的影响。

1.3 研究内容

1.3 研究内容

• 本文针对变压器铁芯电流信号的检测方法进行了深入研究，分析了谐波测量、变压器铁芯电流测量和超声波检测法的原理和优缺点。
• 提出了基于变压器铁芯电流信号的非接触式检测方法，通过互感器采集变压器铁芯电流信号，然后通过放大滤波后输入单片机进行处理，最后在液晶显示屏上显示数据。
• 采用TDA2030功率放大模块，并采用负反馈设计，提高了变压器铁芯电流信号的采集精度。
• 通过系统的数据测试，变压器铁芯电流信号的峰峰值误差为4%<5%，频率误差1.6%≤2%，满足设计的要求。

2. 设计方案选择及论证

2.1 系统整体设计目标

2.1 系统整体设计目标

• 本设计是以变压器铁芯电流信号检测为目标，旨在对任意波形的变压器铁芯电流信息进行高精度的检测。
• 主要性能要求包括：输入正弦信号频率范围为50HZ-1KHZ时，变压器铁芯电流过10Ω负载电阻的变压器铁芯电流峰值不小于1A，变压器铁芯电流信号无失真。
• 能够对变压器铁芯电流峰峰值在10mA以内的变压器铁芯电流进行测量，其精度必须到达5%，频率测量精度保证在1%之内。
• 通过信号发生器产生变压器铁芯电流信号，将基波频率设施在50-200Hz，然后对变压器铁芯电流信号进行监测，并对其高次谐波进行测量，变压器铁芯电流谐波测量频率不超过1KHZ，测量精度优于5%。

2.2 系统整体设计思路

2.2 系统整体设计思路

• 无接触式的变压器铁芯电流信号通常是很弱的，所以要准确地检测出变压器铁芯的电流信号，必须先将其放大。
• 然后通过外部电阻将线圈中的电流值转换成电压值。
• 而较弱的电压则更易被其它信号所影响，所以必须对其进行多次的放大、过滤，获得符合MCU的输出要求的电压，再经过内部AD转换进行处理。
• 单片机通过对变压器铁芯电流信号的处理和计算，得出信号的频率和幅值，然后输出通过液晶显示屏显示。

2.3 系统关键电路方案设计

2.3.1 功率放大电路的选择

• 方案一：采用普通的功率放大器设计。
• 方案二：为了克服功率放大器产生交越失真对电路造成的不良影响，在电路的设计中采用电位器、运放、二极管等元器件共同搭建功率放大电路。
• 通过以上两种方案的优劣对比，以及本设计的性能要求，选择方案二更能满足本设计的要求。
• 本设计采用TDA2030功率放大器作为方案二的核心元件进行设计。

2.3.2 变压器铁芯电流采样信号电路的选择

• 本设计采用非接触式采样，通过变压器铁芯电流互感器采集变压器铁芯电流信号，然后通过变压器铁芯电流采样变压器铁芯电流变换后送到单片机处理。
• 方案一：通过加法器和单相比较器来产生方波，由于电路组成简单，会产生大量的高频谐波，因此在输入单片机前进行电容滤波。
• 方案二：采用OPA336NA集成放大芯片及外围处理电路对变压器铁芯电流信号进行采样处理。
• 综合考虑电路的稳定性和精度，采用方案二设计电路变压器铁芯电流的信号采用。

2.4 主要元器件介绍

2.4.1 STM32F103单片机简介

• STM系列单片机是一种嵌入式的单片机元件，最早有意大利公司推出，该型号的单片机是在ARM单片机的基础上发展而来的。
• STM32F103单片机采用Cortex-M3内核，其内部有多个寄存器和控制器，外部输入信号12路，2个AD转换器，因此可以有效的节省CPU资源，其器件自身功耗更低，避免了元件的发热。
• 其信号的输入频率可以达到72MHz，存储器0等待等特性。单片机可以更加电路的工作状况自主选择休眠、停机和待机等模式。

2.4.2 TDA2030A

• TDA2030A的音频功率放大器，通常使用V形5脚、单排直插式塑胶包装。
• 本发明的芯片体积小，输出功率大，失真小，在车载立体声收录机和中等功率音响装置上得到了广泛的使用。
• 并配有内置的安全防护线路。意大利SGS，美国RCA，日本日立，NEC等都有类似的产品，它们的内部线路稍有不同，但是它们的引脚的定位和作用都是一样的，是可以互相交换的。

3. 系统整体方案设计

3.1 系统整体方案设计

3.1 系统整体方案设计

• 图3-1给出了TDA2030A功率放大器和TL084运算放大器和STM32微控制器相组合的设计。
• 首先，利用TDA2030组成的功率放大器对其进行放大，并利用自主研制的变压器铁芯电流互感器电感，使其产生一个较小的铁芯电流，并与四运算放大器TL084组成一个四级放大电路，把它的四路输出与STM32的ADC14路ADC进行取样和解析。
• 采用改进的FFT方法对采集到的信号进行分析，并将其输出到LCD屏幕上。

3.2 单片机控制电路

3.2 单片机控制电路

• 本系统选用STM32F103R，它是一款以ARM单片机为基础的微型控制器，其存贮容量大，内置寄存器、AD转换模块、通信接口以及定时器等，可以满足多种功能的电路计算，具有强大的控制功能，可以对电路的基本信号和数据进行处理分析和控制。
• 微处理器用作微控制器，最重要的是它的软件能力很强，但要想完成它的工作，就必须与其它周边电路相结合，才能完成它的工作。
• 例如时钟电路，复位电路，电源模块等。其中时钟电路，复位电路，供电电路组成一个微控制器最少系统，微控制器也能正确地工作。

3.3 TDA2030功率放大电路

3.3 TDA2030功率放大电路

• 该功放模块的电路图见图3-5，选用TDA2030A芯片作为功放模块。
• TDA2030A具有多个外部组件，连接方式简便，成本低廉，包装更小，装配密度更大，启动震动更小，支持单电源接法及双电源接法，以及IC输出功率大，保护能以较完善。
• 本系统的硬件部分是以TDA2030A作为主要元件，通过负反馈实现了整个系统的硬件设计。

3.4 变压器铁芯电流信号检测电路

3.4 变压器铁芯电流信号检测电路

• 图3-6是一种用于测量变压器铁芯的电流信号的电路。
• 该方法利用绕组式变压器铁芯中的电流互感器对被处理的电压进行感应和探测，经过TL084芯片对其进行多阶段的放大，再将其送入MCU进行处理。
• 该元器件为多级的放大电路，然后集成到一起保证了放大的精度，同时还避免了信号的干扰。

3.5 显示模块

3.5 显示模块

• 显示模块电路主要是以单片机的输出接口到液晶显示的电路，液晶显示屏可以通过输入端口的电压信号来改变显示的亮度。

4. 程序设计

4.1 编译语言选择

4.1 编译语言选择

• 单片机作为微处理器其诸多功能可以通过编程来实现，单片机采用的编程语言包括C语言和汇编语言。
• C语言作为高级编译语言，被广泛的使用，作为高级编译语言的一种，其可读性非常强，编译的过程具有较强的逻辑性，同时程序占用的资源少，执行效率高。
• C语言具有较好的移植性，但是汇编语言由于CPU的不同不可移植。
• C语言作为高级语言的一种，其具有高级编译语言的特征，当然也兼容了汇编语言的所有的特点。
• 其编译的便捷性高，可以最语言进行大幅度的精简，从而提高运行的效率。

4.2 主程序流程设计

4.2 主程序流程设计

• 本系统程度的设计是为了配合外围的硬件电路实现变压器铁芯电流信号的检测，最主要的是实现变压器铁芯电流信号的幅值和频率的测量，然后通过辅助电路进行显示。
• 软件的编译主要是提取变压器铁芯电流信号，通过AD转换和变换算法，在保证计算精度的前提下提高运行的效率，并保证电路的稳定性。
• 变压器铁芯电流的采用主要是通过变压器铁芯电流电压信号的转换、信号的放大和傅里叶计算。
• 检测精度主要是通过对变压器铁芯电流信号的周期脉冲进行采用，然后同归TFT函数计算，进行离散的变换处理，最终得到变压器铁芯电流信号的频率和峰峰值。

4.3 液晶显示子程序设计

4.3 液晶显示子程序设计

• 显示变压器铁芯电流采用液晶显示，通过程度的运行可以将采集到的信号实时的分布，将当前的变压器铁芯电流信号幅值和频率显示出来。

5. 系统调试

5.1 软件的实现

5.1 软件的实现

• 该系统在硬件上选用了高性能的STM32系列MCU，并结合了一体化的功放模块，以确保系统的工作进程。
• 在程序设计上，以C为核心，以Keil2为核心编写程序。
• 利用Keil 2对该软件进行了编程，并对其进行了调试。

5.2 系统测试及结果

5.2.1 测试方案

• 首先是进行硬件电路的查看，在电路上点前通过万用表查看是否有短路和虚焊的情况。
• 检查没有短路和虚焊情况后可以上电调试。
• 功能调试通过后，开始变压器铁芯电流信号采样的调试。
• 采用信号发生器进行变压器铁芯电流信号的模拟，然后通过示波器来显示变压器铁芯电流点好的输出测试。
• 主要是看变压器铁芯电流发生器的输出信号是否满足要求，其次看负载端的变压器铁芯电流幅频情况。
• 通过电路调节达到最佳的测试状态。

5.2.2 测试数据及结果

• 以自制电磁传感器检测变压器铁芯电流信号的峰峰值。
• 以自制电磁传感器检测变压器铁芯电流信号的频率。
• 系统运行情况如图5-2所示。
• 调节变压器铁芯电流信号发生器的变压器铁芯电流频率分别为50 Hz、200 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz、800 Hz、900 Hz和1000Hz，峰峰值为10mA，300mA，500mA，800mA和1000mA，用示波器观察输出值，测试图如下所示。
• 通过对上述测量数据的分析计算得出，测量的变压器铁芯电流检测信号的峰峰值误差为4%<5%，频率误差1.6%≤2%。
• 由此可见本次设计的变压器铁芯电流信号测量系统误差较小，具有一定的精度。

结论

• 本次变压器铁芯电流信号的检测装置采用互感器进行变压器铁芯电流信号的采集，然后通过放大滤波后输入单片机进行处理，最后在液晶显示屏上显示数据。
• 本次设计中采用TDA2030功率放大模块，并采用负反馈设计，因此变压器铁芯电流信号的采集具有更好的信号跟踪信能和信号处理的精准度。
• 最后通过系统的数据测试，变压器铁芯电流信号的峰峰值误差为4%<5%，频率误差1.6%≤2%，满足设计的要求。
• 电力系统中的变压器铁芯接地电流容易受太空电磁环境的干扰，现有的测试方法无法有效抑制空间磁场的干扰，测量结果存在较大的不确定性，其测量值常