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新款智能類斷路器的性能概述論文
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)、線路的通斷控制、無(wú)線通信、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，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)在零火線上各用一個(gè)零序電流互感器，采集零火線上的實(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；⑥自檢。
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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