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摘要：针对变压器检测用废油在狭窄空间内收集困难的问题，设计并制作以STM32单片机小车为载体，搭配传感器、储油箱和油管卷盘等，结合单片机原理、电路分析等学科基础，进行理论推导、机械设计、组装和实验测试。确定了变压器油色谱设备狭窄空间内废油收集装置实际设计方案。控制系统采用模块化结构，通过遥控主控制器控制电机驱动模块利用调速控制和反馈调速的方式改变向车两侧电机供给的电能来驱动履带车对狭小空间内的变压器检测废油进行收集。

关键词：变压器废油，伺服电机，传感器，模块化

1、研究背景及意义

在电网安全运行中，变电站是关键的环节，其运行状态决定了整个电力系统正常稳定运行。变压器是变电站的关键设备那么变压器油对于变压器的正常运行非常关键，主要有绝缘、散热和消弧的作用。如果油位严重不足，使变压器部分线圈铁芯与分接开关暴露在空气中，一旦受潮绝缘性能下降，严重时甚至击穿绝缘，烧毁变压器，轻者也会使瓦斯保护动作，如果变压器长期处与低油位运行，呼吸空间增大，空气与变压器油的接触面增大，增加油氧化的速度，还会增加水分和其他灰尘杂质的含量，也是变压器的安全隐患所以对变压器的检测也成为了消除安全隐患的重要途径之一。

变压器油包括矿物型变压器油和植物型变压器油。现行变压器油回收方法均使用化学试剂和吸附剂，所采用的吸附剂包括盐酸溶液、硫酸钠溶液、硅酸钠溶液、氨水、氨基功能化氧化硅基材料以及足球烯等，处理方法复杂。

废变压器油主要是指油中化学成分已经发生变化，油的物理性能已达不到标准，同时，对一些变压器油因为特征气体乙炔等的含量过多，已无利用或再生价值的一般也划作废油。在《国家电网公司环境保护技术监督规定》监督内容第八条规定：运维检修阶段，对各类环境影响因子开展定期监测，开展环境影响因子超标治理；环保、水保设施应定期进行检查和维护，确保正常运行；对电网设备检修和运行维护过程中产生的废水、废油、六氟化硫等应进行回收处理，预防环境污染事件发生。那么对于废油的收集也成为电网运行中的重要工作之一，那么对于在日常电站内以及在狭窄空间内如何安全快捷的收集废油，也是目前应当考虑的问题之一。

2、方案设计

2.1设计要求

为了方便对变压器油色谱设备产生的废油进行收集，可以适应在狭窄空间内的取废油操作，减少了人工的工作量，也对工人的人身安全起到一个保护的作用其主要有以下设计要求：

适用性高，可以实现为不同型号，不同地点，不同工作状态的变压器进行检测后的废油收集；

安全性好，所设计的方案在方便变压器工作人员的同时，还用具有相当可靠的安全性能，保证工作人员的人身安全；

方便易实现，本方案的提出就是为了在对变压器检测用油色谱装置产生的废油进行收集，能够在狭窄空间内进行操作等，所以所设计的方案应当具有易操作、方便快捷的优点。

2.2方法设计

设计采用了微处理器，所设计装置的实现也分为硬件部分和软件部分两部分。硬件实现包括微处理器选型、电机选型、差速器的选型、电路设计等；软件设计主要为微处理器程序编写，通过编写的程序去实现对各个模块的调用、其主要利用直流伺服电机的调速原理与单片机相配合，设计了一款针对变压器检测用废油收集装置。

根据直流伺服电机的调速原理，直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可方便的在相对较宽范围内实现平滑无极调速，故设计装置采用伺服电机，直流伺服电机的结构主要包括三大部分：

（1）定子：定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。

（2）转子：又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。

（3）电刷和换向片：为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。 直流伺服电机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同。他激直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组）在定子磁场中受到电磁转矩的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到：

由上式可知，调节电机的转速有三种方法：

（1）改变电枢电压u。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速。

（2）变磁通量（即改变Ke的值）。改变激磁回路的电阻以改变激磁电流。可以打到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小，常作为调速的辅助方法，而主要的调速方法是调压调速。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。

（3）在电枢回路中串联调节电阻Rt，此时有

3、方案实现

3.1整体设计

为方便对变压器油色谱设备产生的废油进行收集，设计装置的控制系统主要以STM32单片机为主控制器芯片，驱动模块、稳压模块、取油模块、遥控模块、废油箱油位监测模块，五个模块构成。

系统的运行流程大致分为四步：遥控信号、单片机处理、电机驱动和电机执行，抽放油操作，具体为：打开履带车上的电源开关，单片机开始对包括R9DS遥控模块、电机驱动和编码器等接口进行初始化，通过遥控器发出的前进、后退和转弯指令，发射接收模块的调制和解调后，将运动信号发送给单片机，单片机会对输入信号进行辨别运算，发出履带车做相应运动所需的不同信号在单片机对接收到的信号进行运算处理之后输出信号会控制两侧电机驱动向电机电源的供给，进而控制电机运转，最后实现控制履带遥控车载运的功能。

3.2处理器的选择

STM32单片机是一种基于ARM Cortex-M内核的微控制器，广泛应用于工业自动化、控制系统、智能家居、医疗设备等领域。其工作原理可以简单概括为：将代码存储在闪存中，由处理器执行代码控制外设的操作，实现各种功能。

STM32单片机的工作原理包括以内存管理，STM32单片机内置了闪存、RAM和EEPROM等多种存储器，用于存储程序、数据和配置信息。程序代码通常存储在闪存中，由处理器执行。数据可以存储在RAM中，EEPROM则用于存储一些重要的配置信息，例如设备ID、网络配置等。

外设控制STM32单片机内置了多种外设，包括GPIO、USART、SPI、I2C、ADC等。这些外设可以被程序控制，实现各种功能。例如，GPIO可以用于控制LED、按键等；USART可以用于串口通信；SPI和I2C可以用于连接外部设备；ADC可以用于模拟信号采集等。

中断处理STM32单片机支持多种中断，包括外部和内部中断。当外设发生事件时，例如USART接收到数据，就会触发中断，使得处理器暂停当前任务，执行中断处理程序。中断处理程序可以读取外设数据，更新状态等，然后返回到原始任务。

时钟控制STM32单片机需要一个稳定的时钟源，以保证处理器和外设的工作正常。一般来说，STM32单片机内置了多个时钟源，例如高速内部振荡器、低速内部振荡器、外部晶振等。程序可以通过配置寄存器，选择时钟源和时钟分频器，以满足不同的应用需求。

3.3动力模块

整个伺服系统的出现形式是伺服驱动与电机一起出现。目前常用的有一个驱动带一个电机和一个驱动带两个电机以及一个驱动带三个电机的情况等。

伺服驱动器又称伺服放大器。本设计装置是以从单片机发过来的位置指令，给到了驱动器，驱动器会将数值信号，或者是模拟量信号，转化为速度，然后转化为电流的大小，控制电机的转动。伺服电机其实就是一个普通的电机加上编码器加上电磁抱闸。所谓的伺服的抱闸，其实就是一个电磁开关，断电后，抱闸自动吸住定子，让定子转动不了。其次本次设计装置的驱动模块还要配合PX行星减速器，其主要的作用：

1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，且不能超出减速机额定扭矩。

2）降速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。

其次动力模块同时还搭配直流接触器，其直流接触器主要用于远距离接通和分断直流电路，还用于直流电动机的频繁起动、停止、反转和反接制动。当接触器线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动触点动作：常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原：常开触点断开，常闭触点闭合。也能起到一个保护的作用。

3.4遥控模块

遥控模块主要采用R9DS，其支持PWM与S_BUS双控制模式，当红灯亮起时接收机按照第一排白色字输出相应通道PWM值9通道也为PWM值，在此时双击侧边孔中的按钮，灯变为蓝色，此时在9通道输出S_BUS信号，同时蓝色字迹对应的端口为相应通道的PWM信号脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的是非常有效，从而达到控制的目的。

3.5电源模块

本收集装置采用的是四组电池并联，48v、10000Ha给驱动电机供电。直流电源有正负两个电极，正极的电势高，负极的电势低；当两个电极与电路连通后，直流电源能维持两个电极之间的恒定电势差，从而在外电路中形成由正极到负极的恒定电流。要使直流电源两极间的电势差保持恒定必须使在外电路中由正极流到负极的正电荷，在电源内部逆着电场力的方向，由负极返回到正极去。这个过程不能靠静电力，只能靠某种与静电力方向相反的“非静电力””来实现。因此，电源就是一种提供非静电力的装置，通过非静电力做功，把非电能转化为正负电极之间的电势能，从而为整个装置供电。

3.6取油模块

本装置采用的是24V油泵，是一种直接用直流24V电源作为动力，具有自吸能力的容积泵。又称柔性泵、柔性齿轮泵。

主要由内齿转子、外齿转子、泵体、和直流电机等部件组成。内外齿转子采用航天科技材料制造，这样大大提高耐油、耐磨和耐腐蚀性，并增强了其自吸能力扩大了使用范围。原理是内外齿转子在啮合过程中产生二次啮合作用，自动形成几个独立的封闭空间，内齿转子和外齿转子的啮合旋转，各空间容积发生变化，这种容积变化将液体吸入或排出各个空间，随着内外齿转子的不断旋转，液体的不断吸入和排出泵体便形成泵的吸排废油作用。

3.7稳压模块

降压转换器是一种开关模式电源，是一类包含开关通常是MOSFET以快速打开和关闭电路的设备，快速切换是可以产生方波，如果开关的占空比设置为50%，即开关在50%的时间内处于开启状态，则平均电压将为输入的50%。

方波需要平滑，以提供有用的功率，通常电感器和电容器串联使用以实现此功能，这种组合称为LC低通滤波器电感器的特性可以平滑电流，而电容器则可以抵抗电压的突然变化，组合效应产生具有低纹波的相对平滑的电压输出。降压转换器的另一个必要组件是将二极管或其他开关与电感器并联，这是为了补偿电感的功能，电感中的电流不能瞬间改变，保护开关管不被过载损坏。

降压转换器还包含附加电路，以确保稳定的输出电压，该转换器使用带有负反馈的闭环控制方案来监控电压输出，并动态调整开关的占空比以调节输出电压。稳压模块主要是为了给直流泵与油位传感器进行供电，保证其正常的工作状态。

3.7软件设计

设计采用 Keil5进行编程实现。设计中系统软件包括主函数和电机驱动函数。对单片机和一些外围器件需要进行初始化才能正常使用的器件进行初始化和重新赋值一些变量，初始化完后进去死循环，如果不进入死循环程序运行一次就会退出，如果加入死循环程序就会不断地进行循环达到实时检测执行的目的，程序主要完成系统、遥控模块初始化和控制电机运作等功能。系统初始化由定时器 10 ms 的定时，对单片机和遥控模块等进行初始化和重新赋值。初始化完后进入主程序。首先检查是否接收到遥控信号，如有信号则单片机对其进行处理。通过单片机 I/O 口发送出处理好的信号从而改变电机驱动模块对电机提供电源的电压值达到控制电机的目的。

4、整体调试展示

实物整体图，调试及展示。

5、结论展望

针对变压器检测用废油的收集，所设计的装置可以实现对变压器废油的远程遥控收集以及送到指定地点进行排放，并且使用了微处理器等，可以实现自动化的操作方法，但是还有以下几点可以提升的地方。

1）目前使用的抽油装置以及废油箱检测油位传感器是独立于微控制器以外的，导致不能将全部功能集中到一个遥控器上，后续可以提升。

2）虽然所设计的装置对于微处理器的选用是选择了单片机作为核心处理，可以控制驱动装置，但是对于速度的控制后期会提升到精确点停。

该装置的设计实现，可以对变压器运维提供直接的操作帮助，为变电站的日常运维做出一定的贡献。

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作者简介：聂磊，男，汉族，驻马店市，本科，工程师，研究方向：变电运维。