智能電器課程設(shè)計

1、等級:湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱 電器智能化原理及應(yīng)用 課題名稱 智能脫扣器脫扣電路設(shè)計 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學(xué) 號 2010 姓 名 指導(dǎo)教師 梁錦 楊青 2013 年 12 月 20 日湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱 電器智能化原理及應(yīng)用 課 題 智能脫扣器脫扣電路設(shè)計 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 201001010523 指導(dǎo)老師 梁錦 楊青 審 批 謝 衛(wèi) 才 任務(wù)書下達(dá)日期 2013 年 12 月 8 日任務(wù)完成日期 2013 年 12 月 20 日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：1. 設(shè)計出智能脫扣器的脫扣電路。2具有模擬脫扣和數(shù)字脫扣功能。設(shè)計

2、要求：1. 給出整體設(shè)計框圖，畫出整機(jī)原理圖；2. 給出具體設(shè)計思路，畫出電路圖；3. 執(zhí)行元件采用磁通變換器；4. 增加抗干擾措施；5. 編寫設(shè)計說明書；主 要 設(shè) 計 條 件1提供實驗箱一臺；2必要的元器件和導(dǎo)線等；3計算機(jī)。說 明 書 格 式1. 課程設(shè)計封面；2. 任務(wù)書；3. 說明書目錄；4. 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖；5. 電路設(shè)計；6. 編寫設(shè)計說明書；7. 總結(jié)與體會；8. 附錄；9. 參考文獻(xiàn)；10. 整機(jī)原理圖。 進(jìn) 度 安 排十五周星期一：下達(dá)設(shè)計任務(wù)書，介紹課題內(nèi)容與要求；十五周星期一十五周星期五：查找資料，確定設(shè)計方案，畫出草圖。十六周星期一上午十六周星期二：電路

3、設(shè)計，打印出圖紙。 十六周星期三：書寫設(shè)計報告；十六周星期四：書寫設(shè)計報告；十六周星期五：答辯。參 考 文 獻(xiàn)1. 曹金根，金佩琪. 低壓電器與低壓開關(guān)柜. 北京：人民郵電出版社 20012. 周茂祥主編. 低壓電器設(shè)計手冊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19923. 王汝文，宋政湘，揚偉. 電器智能化原理及應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，20034孫傳友，孫曉斌，漢澤西等.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計.北京:航空航天大學(xué)出版社，20025鄒積巖.智能電器.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，20066 Klaus Kosack 著,胡明忠, 胡沫非譯.SIEMENS低壓開關(guān)電器和開關(guān)設(shè)備手冊. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199

4、97白同云,呂曉德. 電磁兼容設(shè)計. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，20018低壓電器、電工技術(shù)雜志等雜志 目 錄 第1章 緒論- 1 -1.1 引言- 1 -1.2 脫扣器概述- 1 -1.3 智能脫扣器的發(fā)展- 2 -1.3.1脫扣器現(xiàn)狀- 2 -1.3.2智能脫扣器發(fā)展趨勢- 3 -第2章 智能脫扣器的整體設(shè)計- 4 -2.1智能脫扣器的設(shè)計原理- 4 -2.2 智能脫扣器的工作原理- 5 -2.3智能脫扣器組成- 5 -第3章 智能脫扣器的脫扣電路設(shè)計- 7 -3.1 模擬脫扣電路- 7 -3.2數(shù)字脫扣電路- 9 -第4章 磁通變換器的功能及結(jié)構(gòu)- 11 -總結(jié)與體會- 13 -附 錄-

5、 14 -參考文獻(xiàn)- 15 -第1章 緒論1.1 引言隨著人們對電力的需求日益增加，對電能質(zhì)量的要求日益提高。近年來，我國電力系統(tǒng)及電力設(shè)備行業(yè)得到了長足的發(fā)展。伴隨著計算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)電器領(lǐng)域正經(jīng)歷新一輪的更新?lián)Q代，新概念電器層出不窮。其中最能代表時代發(fā)展的、也是發(fā)展最為迅速的是智能化電器。產(chǎn)品逐漸趨于智能化、模塊化、組合化，將不同功能的模塊按不同的需求組合，是當(dāng)今低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。智能型脫扣器由于采用了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、控制理論、傳感技術(shù)與通訊技術(shù)等，使其功能更趨完善。除實現(xiàn)了各種保護(hù)功能外，還有監(jiān)察顯示功能、故障記錄功能、通訊等各種輔助功能，現(xiàn)已在配電系統(tǒng)

6、中得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2 脫扣器概述早期的脫扣器為電磁式的，其工作原理是利用雙金屬片在流過電流時發(fā)熱變形而使脫扣器動作，這類脫扣器制造調(diào)整困難，精度低和可靠性差。60年代，美國開始研制電子脫扣器，并應(yīng)用于低壓斷路器。電子脫扣器具有保護(hù)功能多、延時精度高、選擇性好、整定范圍大和返回系數(shù)高等特點。此外還可以增加接地保護(hù)，過載保護(hù)功能，使低壓電器的保護(hù)特性更完善，性能得到了提高。此后國外先進(jìn)工業(yè)國家相繼開發(fā)出多種電子脫扣器，從分立元件、集成電路發(fā)展到利用微型計算機(jī)技術(shù)的智能脫扣器。我國的智能脫扣器研究起步較晚，但在科技人員的不懈努力下已取得很大成績，開發(fā)出了多種產(chǎn)品并形成了系列化，在功能上也已達(dá)

7、到了一定水平。傳統(tǒng)的斷路器保護(hù)功能是通過脫扣器中機(jī)械系統(tǒng)的動作來實現(xiàn)的，其效果也不夠理想。為了防止用電設(shè)備故障以及在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時損壞用電設(shè)備，在傳統(tǒng)斷路器的 基礎(chǔ)上逐步開發(fā)出更可靠和更具保護(hù)性能的斷路器。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路的出現(xiàn)，大大縮小了普通電子電路的體積，因而出現(xiàn)了以專用集成電路為基礎(chǔ)的多功能脫扣器，從而促進(jìn)了多功能斷路器的發(fā)展。同時微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也為低壓電器的智能化提供了條件。智能脫扣器是智能斷路器的核心部件，它不僅能夠提供普通斷路器的各種保護(hù)功能，還能實時顯示電路中的各種參數(shù)(電流、電壓、功率、功率因數(shù)等)，以及和PC機(jī)進(jìn)行通信等功能。1.3 智能脫扣器的發(fā)展1

8、.3.1脫扣器現(xiàn)狀脫扣器是斷路器發(fā)展而發(fā)展。我國90年代前脫扣器產(chǎn)品以電磁式和熱式為主，有少量電子式和智能化脫扣器產(chǎn)品。而國外脫扣器電子化和智能化研究和制造方面則走前面，現(xiàn)大約領(lǐng)先我國510年。智能化脫扣器能使斷路器具有更強(qiáng)大功能。我國新研制開發(fā)DW45系列等產(chǎn)品脫扣器已具有與工控機(jī)、PLC等通訊功能，能提供開關(guān)狀態(tài)、三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)。通信化方面，各國都比較重視采用比較成熟現(xiàn)場總線技術(shù)。我國當(dāng)前主要采用FCS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。智能化脫扣器可實現(xiàn)過電流，電壓和分勵等傳統(tǒng)脫扣器功能。硬件上，微處理器模塊、輔助功能模塊和執(zhí)行單元都可以是相同，對電流和電信號處理、顯示等不同，可以軟

9、件設(shè)計里實現(xiàn)。另外，過電流保護(hù)功能需要配置過電流信號檢測單元，而電壓保護(hù)則需配置電源、整波濾波、穩(wěn)壓、欠壓延時等單元，分勵功能只須增加一個開關(guān)即可。1.3.2智能脫扣器發(fā)展趨勢國內(nèi)外電器廠商已推向市場新產(chǎn)品和研究動態(tài)來看，智能脫扣器具有以下發(fā)展趨勢：1.智能化脫扣器產(chǎn)品化：即將智能脫扣器做成相對斷路器獨立通用性產(chǎn)品，使其使用范圍限于某種斷路器，脫扣器檢測和維修也會相對簡單。以前斷路器產(chǎn)品測試必須斷路器整個設(shè)備裝配完成后才能進(jìn)行，而脫扣器產(chǎn)品化以后，其測試可以獨立于斷路器進(jìn)行，這使整個斷路器測試程序大為簡化，而測試時間也大為減少。2. 脫扣器電子化：半導(dǎo)體集成技術(shù)，微電子和計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，智

10、能脫扣器控制能力越來越強(qiáng)，將從常規(guī)電壓、電流、功率等電參數(shù)智能化檢測與控制，發(fā)展到對諸如觸頭材料磨損量，滅弧室溫升等非電參數(shù)檢測與控制等方面。3. 智能化和可通信化：智能化與電子化最大區(qū)別就是其采用了微處理器。具有應(yīng)用軟件，這樣硬件不變情況下具備較大適用性和升級能力，可通信化是脫扣器產(chǎn)品中加入相關(guān)檢測、判斷和通信等芯片或電路，使脫扣器各種狀態(tài)和工作參數(shù)能較好傳輸媒質(zhì)(如現(xiàn)場總線、串口線等)與線路上其它電氣設(shè)備進(jìn)行信息交流，以適應(yīng)當(dāng)前電氣設(shè)備智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢，而采用現(xiàn)場總線則使技術(shù)上有了較統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也使脫扣器測試、檢測和維修等有了更多參考數(shù)據(jù)。電氣產(chǎn)品檢測、工作電路集成化芯片化也是當(dāng)前趨勢

11、。第2章 智能脫扣器的整體設(shè)計2.1智能脫扣器的設(shè)計原理低壓斷路器在供配電系統(tǒng)中的主要作用是對線路中的過載、短路、接地等故障進(jìn)行保護(hù)，它通過檢測單元獲取主線路中的電流、電壓信號，經(jīng)脫扣器的邏輯控制單元分析判斷后發(fā)出信號控制斷路器的動作。斷路器的動作與否和斷路器的動作時間取決于脫扣器的控制線號。智能脫扣器的設(shè)計也是基于這個原理，但邏輯控制單元由高性能的單片機(jī)及其外圍電子電路組成、檢測單元由空心互感器和信號處理電路組成。其原理框圖如下：電流互感器信號處理操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行輸出驅(qū)動電路閥值設(shè)定瞬時檢測模擬脫扣隔離電路A/D轉(zhuǎn)換邏輯運算脫扣信號輸出圖2.1 智能脫扣器原理框圖 2.2 智能脫扣器的工作原理

12、主線路上的空心電流互感器檢測供電線路中的電流并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號和單片機(jī)可處理的電平信號，經(jīng)隔離后進(jìn)入采樣和保持電路，經(jīng)濾波、放大等處理后送入微處理器， 微處理器內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，供CPU進(jìn)行邏輯運算與處理；各種故障保護(hù)的動作電流和時間的整定值通過鍵盤設(shè)定并存于EEPROM中；CPU將檢測到的電流信號與整定值比較，判斷是否脫口。若脫口，則發(fā)控制信號和警報信號，顯示故障電流和故障類型，否則，脫扣器刷新顯示，并進(jìn)行自我診斷和檢測。2.3智能脫扣器組成本設(shè)計的智能脫扣器采用單片機(jī)作為主控單元，使其控制其它外圍電路來實現(xiàn)各種功能。硬件設(shè)計的總體思路是:智能脫扣器通過互感器

13、將主電路的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電路可以處理的電平信號:將信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的直流電壓信號;中央處理單元則對這些信號進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、運 算和處理，運算結(jié)果和整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的電平信號，這些信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動脫扣器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。此外，還應(yīng)設(shè)計模擬電路以使電路出現(xiàn)短路電流時，脫扣器能瞬時動作。硬件電路主要包括以下幾個部分，如圖3.1所示: 單片機(jī)模塊電流檢測模塊模擬脫扣模塊脫扣輸出模塊人機(jī)交互模塊 磁通變換器通訊模塊圖2.2 智能脫扣器系統(tǒng)框圖智能脫扣器主要由模擬脫扣模塊、電流檢測模塊、STC12C5A60S2單片機(jī)、人機(jī)交互模塊和脫扣輸出模塊、磁通變換器和通訊模塊

14、七大部分組成。邏輯控制單元由高性能的單片機(jī)及其外圍電子電路組成。在工作時，智能化脫扣器通過空心電流互感器將主線路的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成模 擬電路可處理的電平信號，信號處理單元則對這些信號濾波和采樣；采樣信號單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(AD)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；CPU根據(jù)這些信號進(jìn)行邏輯運算和處理，運算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的邏輯電平信號，這些信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使斷路器動作。各種故障保護(hù)的動作電流和時間整定值通過人機(jī)交互模塊的鍵盤設(shè)定。預(yù)先存儲在EEPROM中，并可以在應(yīng)用中隨時進(jìn)行修改。脫扣器所需的信號由空芯互感器提供。采樣信號的準(zhǔn)確度直接影響脫扣器的保護(hù)和顯示精

15、度。傳統(tǒng)鐵芯互感器線性度小，當(dāng)出現(xiàn)大電流時，其二次輸出與一次電流不成線性關(guān)系，造成欠保護(hù)及顯示與實際電流值不符。本設(shè)計采用空芯互感器，具有寬范圍的線性度，可保證脫扣器實時處理、顯示線路中的各種情況。第3章 智能脫扣器的脫扣電路設(shè)計智能化脫扣器脫扣電路的結(jié)構(gòu)在微處理器脫扣控制電路的基礎(chǔ)上，加入了模擬脫扣電路，作為后備保護(hù)。模擬脫扣電路用于系統(tǒng)上電初期的短路電流保護(hù)和系統(tǒng)運行期間特大短路電流的保護(hù)。3.1 模擬脫扣電路微處理器在上電初期要進(jìn)行上電初始化，無法實現(xiàn)保護(hù)。模擬脫扣電路采用硬件比較器電路可以快速判斷出斷路器接通時出現(xiàn)短路的情況，并做出相應(yīng)的動作進(jìn)行保護(hù)。在微處理器運行期間，模擬脫扣電路實

16、現(xiàn)特大短路電流的判斷，如果出現(xiàn)特大短路電流，微處理器沒有來得及反應(yīng)，則模擬脫扣電路可作出相應(yīng)的判斷和動作。因此數(shù)字脫扣和模擬脫扣相結(jié)合，兩者互補，增加了脫扣器的可靠性。模擬脫扣電路采用比較器鑒幅電路來實現(xiàn)，每一相使用一個比較器來完成。如圖3.1所示：圖3.1 模擬脫扣電路的結(jié)構(gòu)圖采用上述比較器鑒幅電路，在實際系統(tǒng)運行中由于干擾的存在，比較器的輸出會出現(xiàn)一些不必要的窄脈沖，如果直接接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，會產(chǎn)生誤動作。為了消除干擾，在比較器的輸出端加了脈寬檢測電路，該電路由一個555器件組成，輸出接由另一個555器件構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。如圖3.2所示。脈寬檢測電路的工作原理如下：UTRIP、UTH、

17、UQ、UOUT表示圖中各個結(jié)點。UTRIP來自電壓比較器并聯(lián)的輸出端。在正常情況下，比較器輸出高阻，此時圖中NPN三極管導(dǎo)通，UTH被三極管嵌位在其飽和電壓03V以下，UQ輸出高電平。當(dāng)電流越限或單片機(jī)發(fā)出脫扣指令，比較器輸出將把UTRIP拉低，則NPN三極管截止，此時接UTH的電容通過電阻R5、R6開始充電，UTH電壓升高。如果UTRIP低脈沖保持一定的寬度，UTH隨著電容充電上升并達(dá)到23Vcc，則UQ輸出低電平，觸發(fā)其后由個555器件構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，UOUT輸出一個一定寬度的脈沖。由電路的工作波形可知，由于電容充電需要一定的時間，因此該脈寬檢測電路只有在UTRIP輸出低脈沖寬度保持一定

18、的時間才能使UOUT觸發(fā)。如果UTRIP的脈沖過窄，UTH電壓達(dá)不到23Vcc，則UOUT不會觸發(fā)，因此通過該電路可以消除前級比較器出現(xiàn)的干擾問題。上述電容充電使UTH電壓上升到23Vcc的時間為T0，設(shè)充電電阻為R，電容為C，則T0ln3RC1.1RC (1)充電電阻由R5和R6串聯(lián)而成。即R(R5+R6)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的輸出OUT的寬度T1。T111RC (2)其中R、C為相應(yīng)的充電電阻值和電容值。上述電路中的電容電阻值根據(jù)實際比較器輸出脈沖的情況適當(dāng)?shù)娜≈?。圖3.2 脈寬檢測與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路3.2數(shù)字脫扣電路 電流互感器將主線路的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電路可處理的電平信號，信號處理單

19、元則對這些信號濾波和采樣；采樣信號單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(AD)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；CPU根據(jù)這些信號進(jìn)行邏輯運算和處理，運算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的邏輯電平信號，這些信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使斷路器動作。各種故障保護(hù)的動作電流和時間整定值通過人機(jī)交互模塊的鍵盤設(shè)定。預(yù)先存儲在EEPROM中，并可以在應(yīng)用中隨時進(jìn)行修改。脫扣器所需的信號由空芯互感器提供。采樣信號的準(zhǔn)確度直接影響脫扣器的保護(hù)和顯示精度。傳統(tǒng)鐵芯互感器線性度小，當(dāng)出現(xiàn)大電流時，其二次輸出與一次電流不成線性關(guān)系，造成欠保護(hù)及顯示與實際電流值不符。本設(shè)計采用空芯互感器，具有寬范圍的線性度，可保證脫扣器實時處

20、理、顯示線路中的各種情況。圖3.3 數(shù)字脫扣電路如圖所示，單片機(jī)控制信號是由單片機(jī)直接輸出的，所以可以不經(jīng)過脈寬檢測電路直接接到單穩(wěn)態(tài)輸入端，然后驅(qū)動磁通變換器工作，實現(xiàn)脫扣功能。第4章 磁通變換器的功能及結(jié)構(gòu)智能脫扣器已廣泛應(yīng)用于低壓斷路器，而磁通變換器(Flux Transfer Trip )作為智能脫扣器的重要部件，對智能脫扣器的工作性能、結(jié)構(gòu)小型化及可靠性有重要作用。低壓斷路器智能脫扣器的執(zhí)行元件采用特殊的磁通變換器，因為它由電流互感器通過電容器來供電，故要求磁通變換器動作靈敏、功耗低。磁通變換器是一種小型儲能式脫扣裝置，由于利用了永磁存儲的能量，所以僅需很小的功率脈沖即可使其動作，圖

21、4.1為工作原理圖。永久磁鐵產(chǎn)生的磁通r及對應(yīng)的吸力使動鐵芯處于吸持位置，而當(dāng)電流i通過線圈產(chǎn)生的磁通抵消了r時，就可使動鐵芯在彈簧力Fs作用下動作，故其與一般電磁機(jī)構(gòu)的動作原理不同，它是靠永磁產(chǎn)生的力使變換器處于釋放位置，而依靠彈簧力使其動作，推動斷路器的脫扣鉤。圖4.1 磁通交換器的原理圖由圖4.1可知，磁通交換器由動鐵芯、靜鐵芯、電磁線圈、彈簧、永磁體以及磁通交換器外殼等組成。應(yīng)用于智能脫扣器上的磁通變換器是一種利用永磁貯能的小型電磁執(zhí)行元件，與傳統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)不同，它靠永磁提供動鐵芯保持力，而由彈簧力提供動鐵芯操作力。磁通變換器的設(shè)計要求是體積小、動作快、動作功率低、工作可靠性高。采用靜、動態(tài)二階段優(yōu)化設(shè)計可達(dá)到磁通變換器的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。實現(xiàn)磁通變換器的優(yōu)化設(shè)計對提高智能斷路器的性能，結(jié)構(gòu)小型化和工作可靠性有重要作用。總結(jié)與體會通過本次課程設(shè)計，讓我學(xué)會了很多，讓我了解到智能脫扣器的系統(tǒng)組成，以及智能電器的模擬脫扣和數(shù)字脫扣的設(shè)計。在一開始的設(shè)計上只有數(shù)字脫扣器，后來通過向老師請教，上網(wǎng)查資料，翻閱相關(guān)書籍了解到。僅僅數(shù)字脫扣還是不夠的，因為微處理器在上電初期要進(jìn)行上電初始化，無法實現(xiàn)保護(hù)。而模擬脫扣電路采用硬件比較器電路可以快速判斷出斷路器接通時出現(xiàn)短路的情況，并做出相應(yīng)的動作