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劉鐵云
株洲冶煉集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱為株冶公司）是我國(guó)有色行業(yè)中的一家大型冶煉企業(yè)，每年要消耗大量的直流電能，因此加強(qiáng)對(duì)直流用電量的檢測(cè)和計(jì)量，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)管理、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重大的意義。
1 引言
一套完整的大直流計(jì)量檢測(cè)裝置由三部分組成：
(1) 直流大電流測(cè)量裝置：其作用是將一次母線上的強(qiáng)直流電流變換成0～1.0V的直流電壓信號(hào)。
(2) 電壓變換器：其作用是將正負(fù)母線0~1 000V電壓信號(hào)變換成0~10V或0~1.0V的電壓信號(hào)。
(3) 強(qiáng)電系統(tǒng)綜合測(cè)量?jī)x：其作用是將輸入的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算、累計(jì)后顯示六個(gè)重要的直流計(jì)量數(shù)據(jù)：瞬時(shí)電流、電壓、功率和電流、電壓、功率的累計(jì)值。
株冶公司鉛、鋅系統(tǒng)共有8套大直流計(jì)量裝置。鋅系統(tǒng)直流電壓為0~1 000V、鉛系統(tǒng)為0~150V，最初的直流計(jì)量電壓信號(hào)是通過電纜直接把母線高電壓送入綜合計(jì)量?jī)x表，在儀表內(nèi)變換處理。由于直流高電壓直接引入儀表，使儀表結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)故障，可靠性較低，給維護(hù)操作人員帶來觸電危險(xiǎn)。根據(jù)這種情況筆者采用了電壓變換器將現(xiàn)場(chǎng)0~1 000V或0~150V的直流母線電壓變換成0~1.0V的低電壓信號(hào)后輸入到綜合測(cè)量?jī)x，以便減少高電壓給維護(hù)人員帶來的傷害。
最早使用的電壓變換器由兩個(gè)精密繞線電阻構(gòu)成，如圖1所示，分壓后，信號(hào)從R2處輸出。
電壓變換器安裝在現(xiàn)場(chǎng)直流大母線旁，用一根二芯屏蔽電纜將變換器輸出信號(hào)送至主控室里的綜合計(jì)量?jī)x表。綜合計(jì)量?jī)x表通過電壓V/F（模數(shù)轉(zhuǎn)換）電路，如圖2所示，將VV信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖數(shù)字信號(hào)后再送至數(shù)字電路部分進(jìn)行運(yùn)算、累計(jì)、顯示。
圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖
采用這種電壓變換器在現(xiàn)場(chǎng)使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)該綜合計(jì)量?jī)x表時(shí)常出現(xiàn)故障，其電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板上的V/F集成塊、運(yùn)放塊經(jīng)常損壞，使儀表計(jì)量經(jīng)常出現(xiàn)中斷，給供電運(yùn)行、電解生產(chǎn)造成影響。根據(jù)這種現(xiàn)象筆者對(duì)電路進(jìn)行了分析，初步判斷是信號(hào)受到了外部的干擾，于是對(duì)采樣來的信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，換用帶隔離的電壓變換器以減少信號(hào)對(duì)綜合計(jì)量?jī)x表的影響，如圖3所示。
圖3 電壓隔離變換器工作原理圖
使用這種電壓隔離變換器后，綜合計(jì)量?jī)x表的電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的故障沒有了，但電壓隔離變換器卻經(jīng)常出現(xiàn)故障，其輸入端的運(yùn)放塊和V/F集成塊也經(jīng)常損壞，使生產(chǎn)廠家不解的是這種問題在別的使用單位較少出現(xiàn)。
2 改進(jìn)措施
針對(duì)出現(xiàn)的問題，筆者經(jīng)過分析最后發(fā)現(xiàn)株冶公司整流供電機(jī)組輸出的強(qiáng)直流電源，其正負(fù)母線的電壓VE并不是對(duì)地的，正母線對(duì)地電壓為1/2VE，負(fù)母線對(duì)地電壓為-1/2VE，對(duì)地的零電位在負(fù)載的中間位置。例如鋅系統(tǒng)平常正常工作時(shí)母線電壓為七百多伏，此時(shí)，正負(fù)母線對(duì)地電壓為正負(fù)三百五十多伏，當(dāng)使用如圖1那樣的電壓變換器后，其負(fù)母線上對(duì)地負(fù)三百五十多伏的電壓就直接進(jìn)入了儀表，使儀表電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換電路上的元件損壞，同理，換用電壓隔離變換器后，又使其分壓器端的運(yùn)放和V/F集成塊經(jīng)常損壞。
找出原因后，經(jīng)過研究計(jì)算設(shè)計(jì)出了一種分壓電路取代電壓隔離變換器中的分壓器，如圖4所示。
圖4 改進(jìn)后的電壓隔離器原理圖
其中R1、R2、R3為精密繞線電阻，R1=R3，
當(dāng)輸入電壓為1 000V時(shí)，電阻R2的中點(diǎn)對(duì)地電位為零，R2兩端的對(duì)地不超過1.0V，對(duì)其后的電子元件無影響。經(jīng)過反復(fù)試用證明可行后，于是對(duì)所有的電壓隔離變換器進(jìn)行改裝，重新投入使用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋅系統(tǒng)用的變換器又出現(xiàn)了如下問題：因鋅系統(tǒng)直流母線電壓高0~1 000V，平常一般都有七百多伏，變換器中的分電阻R1、R3上承受的電壓就有三百五十多伏，連續(xù)工作時(shí)間一長(zhǎng)，就有燒壞的現(xiàn)象。當(dāng)R1或R3燒壞后，R2的中點(diǎn)對(duì)地電位就不為零了，而是負(fù)或正的三百多伏，使R2后的運(yùn)放塊和V/F集成塊損壞。根據(jù)這種情況筆者又對(duì)電壓變換器的電路進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5所示。
圖5 第二次改進(jìn)后的電壓隔離器原理圖
圖中R1=R4、R2=R3，
R2與R3的聯(lián)接點(diǎn)從變換器中有端子引出來接地。這樣就保證了當(dāng)R1或R4損壞時(shí)，進(jìn)入到分壓電路后面的電壓不會(huì)超過1.0V。再次改進(jìn)后的電壓隔離變換器經(jīng)實(shí)際證明效果良好。
經(jīng)過兩次改進(jìn)后的電壓隔離變換器，解決了因株冶公司直流供電的特殊情況而造成的故障。但這種電壓隔離器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，使用的電子元器件多，加上整流室離電解現(xiàn)場(chǎng)很近，空氣中充滿著酸霧、粉塵，時(shí)間一長(zhǎng)，電壓隔離變換器就易出故障。能不能把電壓隔離變換器再改進(jìn)一下，使該結(jié)構(gòu)變得相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，且能保證計(jì)量精度呢？根據(jù)以上想法筆者再次認(rèn)真研究了綜合計(jì)量?jī)x表及電壓隔離變換器的工作電路，認(rèn)為此想法是能夠?qū)崿F(xiàn)的，綜合計(jì)量?jī)x表中有一套電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換隔離電路，在保證電壓分壓電路輸出的電壓信號(hào)準(zhǔn)確、安全可靠的情況下，可省去隔離轉(zhuǎn)換器分壓電路后的復(fù)雜部分，把有源變換器轉(zhuǎn)變成無源變換器，這樣就可以大大降低變換器的故障率，筆者對(duì)變換器又進(jìn)行了簡(jiǎn)化改進(jìn)，如圖6所示。
圖6 改進(jìn)后電壓變換器原理圖
改進(jìn)后的變換器僅由四個(gè)精密繞線電阻組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變換精度高，在保證其輸出信號(hào)對(duì)綜合計(jì)量?jī)x表準(zhǔn)確、安全的同時(shí)，大大提高了可靠性，降低了成本費(fèi)用，維修也變得方便了。
3 結(jié)語
通過對(duì)電壓變換器由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，再由復(fù)雜到簡(jiǎn)單合理實(shí)用的不斷改進(jìn)中，使電壓變換器變得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用，且維修方便。再通過對(duì)制作工藝的提高，加大電阻R1、R4的阻值和功率，使其工作可靠性大大提高，投入運(yùn)行以來，該電壓變換器沒有再發(fā)生故障，對(duì)綜合計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確計(jì)量起到了重要的作用，效果十分顯著。
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