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光电转换原理测量开关电器触头运动特性的方法

日期:2018年01月15日 编辑: 作者:无忧论文网 点击次数:1356
论文价格:免费 论文编号:lw201006290941453512 论文字数:2929 所属栏目:电力系统论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:职称论文 Thesis for Title
    摘 要: 提出一种采用光电转换原理测量开关电器触头运动特性的方法。由特制的光栅尺和光电转换器组成传感器,将触头运动状态转换成数字信号进行测量处理,确定待测参数。应用情况表明该方法提高了测量精确度和测量的自动化程度,扩大了测量范围。
Abstract : The approach to measure the contacts movememt features for switch electric appliances based on photoelectrical converting principle was proposed. The transducer which consists of a grating scale designed speciallyand a photo2electrical converter converts the movement status of contacts into digital signals for measuring. As aresult ,the parameters to be measured are decided. The employments show that this approach improves the mea2surement accuracy ,www.51lunwen.orgrises the automation level and widen the measuring range.
Key words : contacts movement features ; photo2electrical converter ; signal conversion ; measurement

    0  引 言

    开关电器动触头(或导电杆) 及其它重要的运动部件的运动速度、加速度与行程等机械参数值直接影响电器的开断与关合性能以及使用寿命[1 ,2 ] ,因此是其重要的技术参数。不但在产品开发、出厂试验、安装和调试中要严格地保证这些参数符合产品标准的要求,定期维修后也要对其进行测试[1 ] ,以保证电气设备安全运行。目前一些常用的测量方法[3 ,4 ] ,如电磁振荡器法,不能直接输出被测参数值,使用不够方便。用光电传感器取代电位器式传感器或电感传感器进行信号变换,便于测量信号的计算机处理,可以对多个不同的参数同时进行测量,自动处理测量结果,从而改善仪器测量性能,增强仪器测量功能。

    1  光电传感器结构

    用于开关电器动触头运动特性测量的光电传感器由特制的开有若干孔的光栅尺和光电转换器组成,其结构如图1 所示。
  
    光栅尺由测量光栅a 和参考光栅b 组成, 光栅尺光孔的宽度为δ,各孔等距排列。光孔间距为Δs ,测量光栅和参考光栅错开一定距离, 错位距离为δ/ 2 。光栅尺的后面和前面分别安装有红外发光元件和光电接收管,其作用是将光信号转换成电信号,光电管V1 和V2 安装高度相同, 并将其固定在光栅架上。光栅尺通过连接杆和被测的开关电器的动触点相连。无忧论文网 www.51lunwen.org测量时,将光栅架牢固地固定在被测开关的上面,以防止松动或触头运动时抖动,光电转换器的信号通过电缆线引至测量单元。

    2  信号变换原理

    被测参数主要有速度、加速度和行程等。当开关电器接通或分断时,触头运动带动光栅尺一起运动,光栅尺移过一个孔距,产生一个光脉冲,光电管受光时产生电流,经放大、整形输出为高电平, 光电管不受光时输出为低电平,触头运动时,光栅孔产生的一系列光脉冲信号, 经光电接收管转换为电脉冲序列如图2 所示。

    若用“1”表示光电管受光或输出脉冲的高电平状态,“0”表示光电管未受光或输出脉冲的低电平状态,则光电转换器输出的信号也可表示为图3 所示二进制信息码序列。
 
    图中n 表示光孔通过光电转换器的顺序, V a 和V b 分别是相应的测量光栅和参考光栅的输出信息。
    2. 1  各点速度vi
    光栅尺移过一个孔距Δs 时,信号脉冲即为一个周期,由于光栅孔的间隔距离相等,因而输出的每个光电脉冲的周期与触头的运动速度有关, 测量时记录下每一个光电脉冲的周期和顺序,由孔距Δs 和相应的信号脉冲周期t i , 就可求出某一行程处的速度 vi 为
    vi = Δs/ t i .
    该速度实际为Δs 行程内的平均速度,同理可以计算出任一行程内的平均速度。
    2. 2  刚分速度vg
    刚分速度是指触头刚分离后ta 时间内的平均速度。因此 
 
    对不同类型和不同电压等级的开关电器, ta 值的规定有所不同,例如,对高压断路器, ta = 10 ms。
    2. 3  全行程
    全行程是触头正向运动和反弹运动行程的代数和。只要确定反弹位置,就可以由记录下来的正向运动脉冲数和反弹运动脉冲数计算出触头运动的全行程。反弹位置可以由测得的光电脉冲宽度变化情况判断出来。以向下运动向上反弹为例,由正向运动反弹可能发生的位置和相应的光电脉冲波形有图4 所示的4 种情况,图中反弹位置用虚线标出。 
 
    由图4 可见,发生反弹时,高电平的宽度大约是其前后低电平的两倍, 或低电平大约是其前后高电平的两倍,这种情况可能发生在测量光栅,也可能发生在参考光栅,这是参考光栅的作用之一。据此, 可以判断出反弹位置,从而计算出全行程。
    2. 4  加速度、最大速度和最大速度位置
    某一行程处的加速度可以通过该点前后的速度变化求出。最大速度可以通过比较各点的速度求出。最大速度位置可以根据记录的光电脉冲顺序确定。

    3  信号测量处理

    由单片机和接口电路组成测量单元对光电传感器的输出信号进行处理。测量单元的输入信号除了光电脉冲外,还有开关电器分、合闸启动信号和分、合闸结束信号。光电脉冲信号接口电路框图如图5所示。 
 
    光电变换器输出的光电脉冲经过放大, 光电隔离,施密特电路整形, 送至单片机系统, 作为定时器的门控信号和状态输入信号。单片机对光电脉冲周期进行测量,将测得的各个脉冲周期顺序存贮起来。单片机同时对光电脉冲的高低电平状态进行记录,所得结果为一2 进制码序列,也按序存贮起来。开关电器的启动信号通过接口电路输入单片机, 作为对触头运动过程测量开始的同步信号。被测电器的触头闭合或断开信号也通过接口电路转换为高低电平信号输入单片机, 触头开合状态改变表示被测电器的分闸或合闸过程结束,该信号作为测量结束信号。这两部分信号的接口电路从略。对光电脉冲测量结束后,由软件对测得的光电脉冲周期信号和状态信号进行处理,求出各项参数,然后通过打印机输出。

    4  试验结果

    运用所提出的方法,对一新出厂10 kV 真空开关进行了分、合闸速度测量试验,试验结果如表1 中测量值1 。

    表1 中,分闸速度是触头分离后60 %行程的平均速度,合闸速度是触头闭合前40 %行程的平均速度。表1 中的测量值2 是用某高压开关参数测量仪测得的结果。允许的速度测量误差为0. 2 m/ s ,可见,采用光电信号变换技术完全满足测量精确度要求。

    5  测量误差分析

    测量误差包括速度参数测量误差和行程参数测量误差。引起测量误差的主要因素有:
    (1) 光栅光孔间距误差;
    (2) 对光电脉冲周期的测量误差;
    (3) 光电变换器响应时间造成的误差。与前二者比较,这一误差可以忽略不计。
    先讨论速度测量误差,所使用的光栅采用印制电路加工技术,加工误差小于0. 1 %。对光电脉冲周期的测量误差由定时器时间分辨力决定。所采用的定时器定时基准为1μs ,因此对光电脉冲周期测量的最大误差不超过1μs。各种开关电器速度测量中,高压断路器触头运动最大速度可达10 m/ s , 光栅孔宽度δ = 1 mm,孔距Δs = 2 mm 时, 对应最大速度的光电脉冲周期为200μs。因此,对速度的最大测量误差不超过0. 1 m/ s ;行程测量误差主要由光栅尺的初始位置和停止位置所引起。由于采用了测量光栅和参考光栅,由初始位置和停止位置所引起的测量误差分别不超过半个光孔宽度,因此行程测量的最大误差为1mm,小于允许的2mm行程测量误差。