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新款智能類(lèi)斷路器的性能的概述論文
斷路器由6部分組成:電源、大電流[3]的信號(hào)采樣、微處理系統(tǒng)、線(xiàn)路的通斷控制、無(wú)線(xiàn)通信、界面顯示,電源部分直接將220V交流電轉(zhuǎn)換為可供控制模塊和微處理系統(tǒng)使用的工作電源;大電流的信號(hào)采樣通過(guò)零序電流互感器,并結(jié)合模擬電子技術(shù)中的信號(hào)放大和調(diào)整,為微處理器系統(tǒng)提供正確可靠的信號(hào);微處理系統(tǒng)由Atmega16單片機(jī)和外部接口電路組成,對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、儲(chǔ)存,實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)和輔助功能;線(xiàn)路的通斷控制通過(guò)光耦和晶閘管[4]的組合,用小電流來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流的通斷[5];無(wú)線(xiàn)通信模塊的設(shè)立可以通過(guò)一個(gè)終端設(shè)備控制來(lái)控制多個(gè)斷路器的工作,可以進(jìn)行大規(guī)模地統(tǒng)一管理,在斷路器上安裝一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信模塊,當(dāng)終端發(fā)出指令時(shí),它可以接受指令,并執(zhí)行指令相應(yīng)的動(dòng)作;界面顯示模塊筆者用液晶顯示加9個(gè)數(shù)字鍵來(lái)做,可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng),便于用戶(hù)自己設(shè)置合適的值以及相應(yīng)的操作;同時(shí)在界面顯示旁邊會(huì)有一個(gè)開(kāi)關(guān),可以用來(lái)手動(dòng)復(fù)位。
硬件功能模塊的設(shè)計(jì)
電源模塊設(shè)計(jì)本研究的電源采用直接接入零火線(xiàn),通過(guò)lnk306芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)化,通過(guò)調(diào)整電阻值來(lái)獲得控制模塊所需要的13V電壓,實(shí)現(xiàn)了220V到13V的直接轉(zhuǎn)換[6],從而無(wú)需另外給予斷路器單獨(dú)供電,由于微處理系統(tǒng)需要5V的電壓供電,通過(guò)78M05芯片來(lái)轉(zhuǎn)化。信號(hào)采樣模塊的設(shè)計(jì)本研究通過(guò)在零火線(xiàn)上各用一個(gè)零序電流互感器,采集零火線(xiàn)上的實(shí)時(shí)電流,將其轉(zhuǎn)換為可控單片機(jī)識(shí)別的電壓信號(hào),通過(guò)LM358的放大倍數(shù)調(diào)整采樣的精度。微處理系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)微處理系統(tǒng)模塊主要包括Atmega16單片機(jī)[7],JTAG口,3盞顯示不同情況的燈,通過(guò)JTAG口可以進(jìn)行程序的燒入和修改,3盞燈的變化可以顯示此時(shí)線(xiàn)路的狀況?刂颇K的設(shè)計(jì)因?yàn)槭谴箅娏鞯目刂疲瑐鹘y(tǒng)意義上的繼電器就不能用了,這里用雙向晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn),它能通過(guò)大電流,而且雙向晶閘管可以很方便地閉合和斷開(kāi),由于大電流的操作危險(xiǎn)性高,筆者用了光耦來(lái)進(jìn)行隔離,筆者通過(guò)一個(gè)三極管作為開(kāi)關(guān),通過(guò)單片機(jī)控制三極管的導(dǎo)通和斷開(kāi),而實(shí)現(xiàn)光耦的導(dǎo)通與斷開(kāi),從而實(shí)現(xiàn)了用小電流控制大電流的目的。本研究通過(guò)雙向晶閘管來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)斷路器的脫扣器還可以避免產(chǎn)生由于線(xiàn)路通斷產(chǎn)生的高壓電弧。電弧的產(chǎn)生是由于斷路器切斷通有電流的回路時(shí),只要電源電壓大于10V~20V,電流大于80mA~100mA,在動(dòng)、靜觸頭分開(kāi)瞬間,觸頭間隙就會(huì)出現(xiàn)電弧。此時(shí),觸頭雖然已經(jīng)分開(kāi),但是電路中的電流還在繼續(xù)流通,只有熄滅電弧,電路才真正斷開(kāi)。如果用雙向晶閘管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脫扣器,就能避免電弧的產(chǎn)生。首先,晶閘管是一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān),不存在觸頭;其次,雙向晶閘管的斷開(kāi)需要在線(xiàn)路中的電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)才能斷開(kāi),也就是說(shuō)晶閘管的斷開(kāi)瞬間,線(xiàn)路中是沒(méi)有電流的,這樣就能避免電弧的產(chǎn)生。最后,雙向晶閘管的介質(zhì)是半導(dǎo)體,對(duì)于電弧的產(chǎn)生也有一定的抑制作用。所以,本研究通過(guò)采用雙向晶閘管,線(xiàn)路中可以成功避免電弧的產(chǎn)生。在一系列的測(cè)驗(yàn)中,晶閘管承受了20A~3000A電流的沖擊,都沒(méi)有電弧的產(chǎn)生,同時(shí)晶閘管本身沒(méi)有出現(xiàn)損壞,安全性非常高。無(wú)線(xiàn)通信模塊的設(shè)計(jì)最后筆者要將產(chǎn)品應(yīng)用于家用電器中,并將和電表綁定,這樣不但可以保護(hù)家用電器,而且還可以便于供電局對(duì)電表的管理,無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍是200m,可以在每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)終端,通過(guò)這個(gè)終端來(lái)控制這個(gè)小區(qū)的所有斷路器的控制,通過(guò)終端發(fā)出命令,無(wú)線(xiàn)模塊接受命令,并把命令傳遞給微處理系統(tǒng),微處理系統(tǒng)接受命令,并執(zhí)行相應(yīng)的操作。界面顯示模塊的設(shè)計(jì)為方便用戶(hù)的操作,筆者將設(shè)計(jì)人性化的界面顯示,筆者用液晶1602來(lái)作為顯示屏,配以9個(gè)數(shù)字鍵來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作,在顯示屏中,筆者將有以下功能:平時(shí),界面將顯示當(dāng)前線(xiàn)路中的漏電流值和過(guò)載值,如果筆者需要對(duì)其操作,開(kāi)始時(shí),筆者將進(jìn)行設(shè)備連接狀況的自我檢測(cè),如果連接正常,界面上將顯示其正常,然后進(jìn)入主頁(yè)面,主頁(yè)面中有以下幾項(xiàng):①漏電流值設(shè)置;②過(guò)載電流值設(shè)置;③密碼設(shè)置;④刪除記錄;⑤聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。
軟件功能模塊的設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的輸入量有以下幾個(gè)部分:通過(guò)采樣模塊采集過(guò)來(lái)的信號(hào),3盞燈的信號(hào)輸出,光耦的控制信號(hào),無(wú)線(xiàn)通信模塊的命令信號(hào),外界按鍵的信號(hào)。采樣部分,筆者先進(jìn)行5次預(yù)采樣,然后采樣167次,通過(guò)求平均值來(lái)獲得采樣值,從而可以避免有些沒(méi)用的采樣,使采樣精度更加準(zhǔn)確[8];界面顯示部分,由于液晶1602智能顯示兩行,筆者將采用翻頁(yè)的形式進(jìn)行菜單的顯示。該系統(tǒng)的整個(gè)程序流程就是程序初始化后進(jìn)入到主循環(huán),通過(guò)讀取采樣程序部分的數(shù)值,與預(yù)定數(shù)值進(jìn)行比較,并顯示到其界面上,通過(guò)終端控制或者自動(dòng)執(zhí)行或手動(dòng)控制來(lái)進(jìn)行故障處理。程序結(jié)構(gòu)具有模塊化和子程序化的特點(diǎn),同時(shí)在程序中加入了抗干擾處理。軟件程序分為如下部分。主程序主程序主要包括系統(tǒng)的整個(gè)工作原理,包括開(kāi)始階段的對(duì)線(xiàn)路電流進(jìn)行采樣[9],終端的控制,報(bào)警,自動(dòng)保護(hù)家用電器,界面的顯示及應(yīng)答相應(yīng)的操作。采樣程序采樣程序主要包括采樣通道的選擇以及對(duì)此通道數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ),在這里,筆者將對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行不間斷的采樣,由于一些不穩(wěn)定因素的干擾,在剛開(kāi)始采樣時(shí),采集到的數(shù)據(jù)可能會(huì)不準(zhǔn)確,筆者對(duì)線(xiàn)路先進(jìn)行5次的預(yù)采樣[10],在舍棄5次預(yù)采樣后,筆者通過(guò)獲得167個(gè)采樣值,然后取其平均值的方法來(lái)確定其為輸入給微處理系統(tǒng)的采樣值[11],這樣可以使數(shù)據(jù)更加精確,可以排除一些干擾。無(wú)線(xiàn)通信程序該程序是為了實(shí)現(xiàn)終端對(duì)斷路器的遠(yuǎn)程遙控,它分為兩個(gè)子程序:發(fā)送程序和接收程序,當(dāng)微處理系統(tǒng)接受到無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)出的信號(hào)時(shí)[12],微處理系統(tǒng)將執(zhí)行信號(hào)所對(duì)應(yīng)的指令,如此,筆者只用一個(gè)終端設(shè)備即可集成管理多個(gè)斷路器的工作。界面顯示程序?yàn)榱烁臃奖銖V大用戶(hù)的使用,筆者在這款產(chǎn)品中增加了界面顯示的功能,通過(guò)9個(gè)按鍵控制液晶顯示屏的顯示來(lái)提供各種選擇,該程序把界面和整個(gè)產(chǎn)品的功能鏈接成一個(gè)整體,通過(guò)讀取鍵盤(pán)鍵入值來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的程序響應(yīng)并顯示在液晶顯示屏上[13]。定時(shí)程序在斷路器的國(guó)標(biāo)中有時(shí)間—電流動(dòng)作特性要求,而且定時(shí)功能的增加也可以防止偶爾的突發(fā)失誤造成的斷路器微處理系統(tǒng)的誤判,筆者設(shè)置為“當(dāng)斷路器的采樣值在警告值范圍內(nèi)持續(xù)一定時(shí)間后就要斷開(kāi)線(xiàn)路”,否則不斷開(kāi),當(dāng)在危險(xiǎn)值時(shí),必須在0。1s內(nèi)斷開(kāi)線(xiàn)路,當(dāng)正常時(shí)保持工作。
測(cè)試結(jié)果
根據(jù)以上原理,筆者設(shè)計(jì)了一款智能型大電流斷路器,它將要在電路中電流在64A以下能持續(xù)正常工作,超過(guò)100A時(shí)斷開(kāi)斷路器斷開(kāi)線(xiàn)路。同時(shí),筆者要求它能承受3000A電流的短暫沖擊而不損壞器件,筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列電流測(cè)試,測(cè)試結(jié)果(表略)
結(jié)束語(yǔ)
智能型大電流斷路器性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的斷路器產(chǎn)品,所設(shè)計(jì)的智能測(cè)控單元以Atmega16單片機(jī)為核心構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、運(yùn)算和處理,可獲得各種不同的保護(hù)特性,易于修改,無(wú)線(xiàn)通信模塊的設(shè)計(jì)使得斷路器使用的控制更加規(guī)范化,界面模塊的設(shè)計(jì)使得它的操
作性更具有人性化和方便化,它的大電流特性和電源模塊部分使它能更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和家庭用電。當(dāng)然,這款斷路器還有許多需要筆者繼續(xù)改進(jìn)的地方,如對(duì)于采樣的精度控制,溫度的變化導(dǎo)致器件的一定程度的損害,從而使部分功能無(wú)法正常工作,如何在無(wú)線(xiàn)通信中盡可能地實(shí)現(xiàn)抗干擾等等,這些問(wèn)題都可以在以后的研究中得到解決。未來(lái)筆者將把這款斷路器與家用電表綁定,通過(guò)電流信號(hào)來(lái)控制斷路器,從而控制電表,這樣將減少大量查抄電表的人工,將會(huì)解放大量的勞動(dòng)力,產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
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