邓桂扬1 ，杨向宇2
1.海鸿电气有限公司，广东开平，529339 ;2. 华南理工大学，广东广州，510641
摘要：非晶合金变压器因其空载损耗(即铁耗)较之传统使用硅钢作为铁芯的变压器大为降低（降低约70-80%）节能效果明显，广泛应用于城市住宅小区和一些基础设施领域的电力供应。本设计涉及的非晶合金卷铁芯变压器，其铁芯是由多层非晶合金薄片叠加起来，然后在矩形骨架上卷绕而成。非晶合金带的卷绕长度的准确测量在工艺、生产、成本核算等方面具有重要意义。
关键词：卷铁心变压器；非晶带材检测装置；设计
一、卷铁芯变压器非晶带材检测装置
（一）基本结构
卷铁芯变压器非晶带材检测装包括箱式进料的非晶变压器铁芯卷绕部分与激光多普勒测量模块电路和结构部分。
本文所设计的箱式进料的非晶变压器铁芯卷绕部分从结构上（如附图1所示）由非晶合金带物料箱1、橡胶滚轮2、非晶合金带3、激光多普勒测量模块4、橡胶滚轮5、矩形骨架6等部分组成。
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激光多普勒测量模块通过12高性能浮点DSP处理器控制发射电路、接收电路、时钟电路、显示电路和光学元件等部分完成箱式进料的多层非晶合金带长度测量。发射电路16由激光驱动电路14和脉冲式激光器15组成；接收电路8包括噪声消除电路9和波形放大整形滤波电路10。激光多普勒测量模块由光学元件7、接收电路8、噪声消除电路9、波形放大整形滤波电路10、时钟电路11、高性能浮点DSP处理器12、显示电路13、激光驱动电路14、脉冲式激光器15、发射电路16等部分组成[1]。
通过对12高性能浮点DSP处理器程序控制激光多普勒测量模块中的发射电路、接收电路、时钟电路、显示电路和光学元件，可以对正在矩形骨架上卷绕的箱式进料的多层非晶合金带完成非接触式长度测量。
二、具体工作原理
非晶合金带物料箱1里面放置的是由开料装置根据工艺尺寸要求，采用了切割好的多层非晶合金带物料。箱式非晶合金带物料的特点是呈现多层、卷曲状态、不规则顺序叠放，这给非晶合金带的长度准确测量带来非常大的难度和挑战。
橡胶滚轮2和橡胶滚轮5各为一组对向滚轮，通过齿轮由伺服电机驱动。橡胶滚轮2作用是通过对向滚轮夹紧料箱1内的非晶合金带并传送并导向，当非晶合金为多层时还起到抚平和去除层间隙作用。橡胶滚轮5起到夹紧合金带并提供一定张力，以及传送非晶合金带物料3供矩形骨架6卷绕使用。由伺服电机通过齿轮驱动矩形骨架6旋转，进而带动非晶合金带进行变压器的铁芯卷绕，旋转速度和力度通过伺服电机控制器进行控制[2]。
发射电路中的激光驱动电路14和脉冲式激光器15的作用是产生相干激光光源，光学元件7右面透镜将相干激光光源聚焦到被测量非晶合金带上，光学元件7左面透镜收集非晶合金带3上散射的光源传送到接收电路8进行处理；由于接收到的是运动非晶合金带3上的散射光，容易受到附近杂散光电路噪声等因素影响，需要通过噪声消除电路9进行去噪声处理。
同时运动非晶合金带上的散射光是微弱的信号，需要通过10波形放大整形滤波电路进行波形放大整形以及滤波处理。11为时钟电路本实例采用 DS1302 为整个系统提供精确的时钟，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。通过SPI总线和12 微处理器连接，通过时钟电路可以将测量出的非晶合金带瞬时速度，通过积分积累求和的方法求解出非晶合金带运动的长度值。高性能浮点DSP处理器12 使得开发与调试信号处理电路变得便捷缩短了LDV (Laser Doppler Velocimetry 激光多普勒测速)信号处理电路的研发周期。13为显示电路采用液晶屏，可以显示当前设备内多层非晶合金带的运行速度、卷绕长度、张力、工作状态等。
非晶合金带位于初始位置时的运行速度、卷绕长度、张力、时钟计时器等置为0，相应的值存储在处理器的寄存器中。 将多层非晶合金带固定在矩形骨架6 上，通过伺服电机驱动矩形骨架6绕转轴顺时针旋转，同时，伺服电机能够驱动通过齿轮驱动滚轮2和橡胶滚轮5转动。非晶合金沿着设定路径开始铁芯的卷绕，同时计时器开始计时[3]。
高性能浮点DSP处理器12能够控制发射电路，通过14激光驱动电路和15脉冲式激光器发射出一束频率固定的激光，其光源特性是单色的相干激光，光路经过光学元件7右面透镜将相干激光光源照射在被测量非晶合金带上，此时非晶合金带上会产生漫反射，因非晶合金带表面并非绝对光滑。当激光照射粗糙运动的非晶合金带时，会在非晶合金带表面发生散射，光学元件7左面透镜收集非晶合金带3上散射的光源传送到接收电路8进行处理由于光学多普勒效应的存在，被运动非晶合金带散射回来的光线相对于入射频率固定的激光在频率上将会产生一个偏移量，称之为多普勒频移。此频移量与速度的大小存在简单的线性关系，通过求解此频移量即可推算出运动物体的速度信息
由于接收到的是运动非晶合金带3上的散射光测量出非晶合金带的多普勒测速信号中还掺杂着大量的噪声信号和其它干扰信号，如设备工作环境光电流噪声、光源强度噪声、暗电流噪声、信号电流噪声以及热噪声和多粒子叠加引起的相位噪声等等，这就导致了在非晶合金带的实际测量当中，多普勒测速信号的信噪比会比较低，而低信噪比会对后续的信号处理和精度值造成很大的影响。为了解决这一问题在硬件电路方面设计有9噪声消除电路进行去噪声处理，同时运动非晶合金带上的散射光是微弱的信号，需要通过10波形放大整形滤波电路进行波形放大整形以及滤波处理，以提高多普勒测速信号处理的信噪比。
三、卷铁芯变压器非晶带材检测装置特性测试
通过大量实验得知，采用快速傅里叶变换处理信号，能有效从低信噪比的信号中解析出多普勒频率。运动非晶合金带散射回来的光线相对于入射频率固定的激光在频率上将会产生一个偏移量，称之为多普勒频移。此多普勒频移量与速度的大小存在简单的线性关系，通过求解此频移量即可推算出运动物体的速度信息。经过12 微处理器运算结合时钟电路可以将测量出的非晶合金带瞬时速度，通过积分求和的方法可以计算出当前非晶合金带卷绕的长度值。可以通过显示电路13的液晶屏显示当前设备内多层非晶合金带的运行速度、卷绕长度、等工作状态等。
采取以上设计方案，其具有以下优点：
1自动化程度高，多层非晶合金带测长过程不需要人为参与，提高生产效率。
2可靠性高，采用激光多普勒测速技术属于非接触式测量，不会磨损多层非晶合金带表面。
3 测量精度高，较传统圆形滚轮压在非晶合金带上，非晶合金带运动时带动滚轮转动通过编码器计算滚轮转动的圈数的方法，不会出现打滑而影响测量精度。
4测量速度快，多层非晶合金带测长过程通过激光普勒测速，该方法适应高速测量，成本低，器件便捷性好。
5测量速度范围广（测量速度从每秒几毫米到超音速之间），线性度好。
6 工作环境适应范围广，不受高温、噪声、有毒、腐蚀性等恶劣外在环境影响[4]。
结束语：
本设计针对现有技术的问题，提供一种用于卷铁芯变压器的箱式多层非晶合金带测长装置，它通过激光多普勒测速技术结合快速傅里叶变换信号处理方法，可以对矩形骨架上卷绕的多层非晶合金带实现非接触式长度测量，测量速度快，可靠性高，不会磨损多层非晶合金带表面，可提高生产中效率和自动化水平。在工艺、生产、成本核算等方面具有重要意义。
参考文献：
[1] 张卫国. 国产非晶合金带材变压器铁心制造技术[J]. 新材料产业, 2012(06):15-19.
[2] 陈浩[1] 张璐[2] 于在明[1] 郭铁[1] 王楠[1]. 非晶合金变压器国内外铁芯带材空载损耗比对分析[J]. 东北电力技术, 2016(37):10-12.
[3] 张志键, 顾伟. 重熔非晶合金带材及铁心在油浸式非晶合金配电变压器中应用的噪音性能研究[J]. 变压器, 57(2):5.
[4] 万宗顺. 新型节能配电变压器卷铁芯制造关键技术研究[D]. 东华大学, 2006.
作者简介：
邓桂扬（1981-），男（汉族）,研究生，任职于海鸿电气有限公司 ，工程师，研究方向：电气设备研发。