智能型雙電源自動(dòng)切換裝置設(shè)計(jì)

許東岳

（淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集一礦，安徽 淮南232082）

智能型雙電源自動(dòng)切換裝置設(shè)計(jì)

許東岳

（淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集一礦，安徽 淮南232082）

提供一種實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓，頻率和相位的裝置，使用PIC16F886單片機(jī)作為控制單元，對(duì)常用電和備用兩路電源的電壓、過壓、欠壓或缺相實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)一路電源發(fā)生上述故障中的一項(xiàng)或數(shù)相時(shí)，控制器自動(dòng)發(fā)出命切換令，切換電機(jī)將完成供電電源切換，以保障供電不間斷，實(shí)現(xiàn)兩路電源的智能切換管理。

ATSE；PIC16F886；雙電源供電；自動(dòng)切換；智能控制

1 概述

抽風(fēng)機(jī)在煤礦具有重要作用，我礦中央?yún)^(qū)抽風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)處于安全考慮，使用風(fēng)門互鎖工藝，必須關(guān)閉在用風(fēng)機(jī)風(fēng)門的情況下，才能開啟備用風(fēng)機(jī)。而風(fēng)機(jī)風(fēng)門動(dòng)力電源分別由兩臺(tái)風(fēng)機(jī)各自低壓供電系統(tǒng)提供，當(dāng)遇到突發(fā)情況造成在用風(fēng)機(jī)故障停機(jī)時(shí)，此時(shí)，如果一路低壓突然出現(xiàn)供電故障，無法提供動(dòng)力，就會(huì)造成該路風(fēng)機(jī)風(fēng)門不能關(guān)閉，從而使得備用風(fēng)機(jī)無法正常開啟，延長(zhǎng)了井下停風(fēng)時(shí)間，嚴(yán)重影響礦井安全。出現(xiàn)此類情況時(shí)，司機(jī)必須從二樓的操作室到一樓高、低壓配電室進(jìn)行人工倒電操作，僅是上下樓的時(shí)間就近2min，人為造成倒電時(shí)間延長(zhǎng)。在這一過程中，司機(jī)很容易造成誤操作，從而人為擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)事故，延長(zhǎng)恢復(fù)供風(fēng)時(shí)間，嚴(yán)重者甚至?xí)斐娠L(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)全面癱瘓，后果將十分嚴(yán)重。因此，如何使雙電源低壓供電裝置進(jìn)行快速自動(dòng)切換對(duì)煤礦風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行意義十分重大。

以往的雙電源自動(dòng)切換開關(guān)通常僅由繼電器、刀開關(guān)以及接觸器等或加入模擬控制裝置和機(jī)械聯(lián)鎖組成，這種裝置自動(dòng)性差且不具備如缺項(xiàng)、欠壓、過壓等保護(hù)功能，另外由于繼電器本身的邏輯能力不強(qiáng)，靈活性不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)功能相對(duì)單一故障率偏高，故而無法滿足現(xiàn)代化礦井對(duì)于低壓供電系統(tǒng)自動(dòng)切換的要求。

以往的雙電源自動(dòng)切換開關(guān)通常僅由繼電器、刀開關(guān)以及接觸器等或加入模擬控制裝置和機(jī)械聯(lián)鎖組成，這種裝置自動(dòng)性差且不具備如缺項(xiàng)、欠壓、過壓等保護(hù)功能，另外由于繼電器本身的邏輯能力不強(qiáng)，靈活性不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)功能相對(duì)單一故障率偏高，故而無法滿足現(xiàn)代化礦井對(duì)于低壓供電系統(tǒng)自動(dòng)切換的要求。

本智能型雙電源自動(dòng)切換裝置（以下簡(jiǎn)稱：裝置）是一種基于PIC16F886單片機(jī)技術(shù)而研發(fā)的可以自動(dòng)對(duì)雙路供電的常用、備用電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的裝置，其功能為：當(dāng)裝置檢測(cè)到在用電源發(fā)生故障，如欠壓、過壓或缺相中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行電源切換，從而確保供電的連續(xù)性和可靠性。

2 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

雙電源自動(dòng)切換裝置由本體及智能開關(guān)控制器兩部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本體由2臺(tái)具有電動(dòng)操作結(jié)構(gòu)的斷路器，機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)及保護(hù)熔斷器等組成。機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)安裝在2臺(tái)斷路器之間，以機(jī)電雙重保護(hù)確保2臺(tái)斷路器不能同時(shí)處于合閘狀態(tài)，從而保證其安全切換，確保供電安全。智能開關(guān)控制器具有智能化、數(shù)字化、可編程、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，具有LCD顯示和數(shù)字通信等特點(diǎn)。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 工作原理

裝置以PICl6F886單片機(jī)為核心，對(duì)兩路低壓供電電源（常用、備用電源的電壓、頻率、相位）進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)常用電源發(fā)生故障如過壓、欠壓、缺相時(shí)，裝置自動(dòng)控制切換開關(guān)切換到備用電源上，從而減少故障時(shí)間，確保供電穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)中，為了保證供電可靠，除自動(dòng)工作模式外有另加入手動(dòng)工作模式，以防止自動(dòng)模式出現(xiàn)故障時(shí)可用人工方式進(jìn)行電源切換增加了安全系數(shù)。控制器組成模塊如圖2所示。

圖2 控制器的組成模塊圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選型

本設(shè)計(jì)單片機(jī)選用Microchip公司的PIC16F886型，選擇該型單片機(jī)主要基于其本身性能及完成功能需要。該型單片機(jī)具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，8KBflash閃存、256B的EEPROM和10位A/D裝換器，解決了設(shè)計(jì)中對(duì)電壓、頻率和相位等參數(shù)的檢測(cè)和信號(hào)輸入、輸出的技術(shù)要求。

3.2 頻率檢測(cè)電路

通過頻率檢測(cè)電路采集數(shù)據(jù)，送入單片機(jī)進(jìn)行比較判斷，從而得知電源頻率是否有故障。檢測(cè)電路主要由光耦元件及施密特觸發(fā)器組成，其工作原理為：從電網(wǎng)中的任選一相交流電經(jīng)變壓器變換降壓后，經(jīng)光耦元件變?yōu)橥l率的方波信號(hào)，再經(jīng)施密特觸發(fā)器將方波信號(hào)規(guī)整后送向單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量。利用單片機(jī)的輸入捕捉（CCP）功能，記錄第一個(gè)上升沿的時(shí)間t1和下一個(gè)上升沿的時(shí)間t2，則信號(hào)的周期T＝ （t2-t1）μs。為提高測(cè)量精度，采用多次測(cè)量取平均值的方法。頻率檢測(cè)電路圖如圖3所示。

圖3 頻率檢測(cè)電路圖

3.3 電壓信號(hào)采集電路

由于單片機(jī)一般只能對(duì)0～5V間的單極性電壓進(jìn)行檢測(cè)，故需對(duì)交流電壓進(jìn)行變換，電壓檢測(cè)電路如圖4所示。圖4左側(cè)為常用、備用3相4線工頻交流電源輸入的其中一相，經(jīng)過光耦P521-1耦合后，12V電源經(jīng)過光耦P521-1、1.5kΩ電阻和電位器RP分壓和分流，又經(jīng)過33μF的電容濾波，電源無故障的情況下形成3～6V之間的電壓信號(hào)，然后再送至控制板進(jìn)行電壓比較。電壓信號(hào)如果電壓低于3V為欠壓故障，高于6V為過壓故障。

圖4 電壓信息采集電路圖

3.4 過電壓比較電路

以常用過電壓比較電路為例，常用A、B、C三相電源路經(jīng)過電壓信息量采集電路采樣后，送到過電壓比較器電路進(jìn)行判斷常用A、B、C三相電源是否過電壓。

如圖5所示，以檢測(cè)A相過電壓電路為例，NA為常用A相電壓檢測(cè)輸出信號(hào)，它輸入到運(yùn)放2U1B的反相輸入端6腳，同相輸入端5腳被2DZ1穩(wěn)壓在6V，A相電壓檢測(cè)輸出信號(hào)NA和6V相比較，如果小于6V運(yùn)放單元2U1B輸出端7腳得到12V的高電平，2D1截止。在NB、NC都不過壓的條件下，使2U1A的同相輸入端3腳輸入＋12 V的高電平，反相輸入端2腳被2R8和2R9分壓到6V，2U1A的輸出端1腳為＋12V，此時(shí)光耦2U2 PS2501-1為截止?fàn)顟B(tài)，常用過壓信號(hào)輸出端NGY為高電平，電路判斷常用電源各相均未發(fā)生過壓故障；當(dāng)NA的電位高于6V則7腳輸出低電平，2D1導(dǎo)通3腳為0.7V則1腳輸出0V，光耦2U2為導(dǎo)通狀態(tài)，常用過壓信號(hào)輸出端NGY為低電平，電路判斷常用電源發(fā)生過壓故障。在圖6中我們可以看出，只要常用電壓檢測(cè)信號(hào)輸出端NA、NB、NC任何一相的電位出現(xiàn)高于6V的情況，常用過壓信號(hào)輸出端NGY就為低電平，該電路就判斷常用電源發(fā)生過壓故障。

圖5 過電壓比較電路圖

3.5 欠電壓比較電路

同樣以常用欠電壓比較電路為例，如圖6所示。常用A、B、C三相電源路經(jīng)過電壓信息量采集電路采樣后，送到欠電壓比較電路進(jìn)行判斷常用A、B、C三相電源是否欠電壓。

以檢測(cè)A相欠電壓電路為例，NA為常用A相電壓檢測(cè)輸出信號(hào)，它經(jīng)過電阻2R19（10kΩ）后輸入到運(yùn)放2U3C的同相輸入端10腳，反相輸入端9腳被電阻2R18（33.2kΩ）和2R20（10kΩ）分壓在2.78V，A相電壓檢測(cè)輸出信號(hào)NA 和2.78V相比較，如果大于2.78V運(yùn)放2U3C輸出端8腳得到12V的高電平，2D4截止，在NB、NC都不欠壓的條件下，使2U3A的同相輸入端3腳輸入＋12V的高電平，反相輸入端2腳被2R27和2R28分壓到6 V，3U3A的輸出端1腳為＋12V，此時(shí)光耦2U4 PS2501-1為截止?fàn)顟B(tài)，常用過壓信號(hào)輸出端NQY為高電平，電路判斷常用電源各相均未發(fā)生欠電壓故障；當(dāng)NA的電位低于2.78V則8腳輸出低電平，2D4導(dǎo)通3腳為0.7V則1腳輸出0V，光耦2U4為導(dǎo)通狀態(tài)，常用欠壓信號(hào)輸出端NQY為低電平，電路判斷常用電源發(fā)生欠壓故障。在圖6中我們可以看出，只要常用電壓檢測(cè)信號(hào)輸出端NA、NB、NC任何一相的電位出現(xiàn)低于2.78V的情況，常用欠壓信號(hào)輸出端NQY就為低電平，該電路就判斷常用電源發(fā)生欠壓故障。

圖6 欠電壓比較電路圖

3.6 缺相檢測(cè)電路

缺相檢測(cè)電路的功能就是當(dāng)電源發(fā)生缺相時(shí)向單片機(jī)發(fā)出故障信號(hào)，如圖7所示。其工作原理為交流電經(jīng)過整流濾波后將得到的直流用以驅(qū)動(dòng)光耦元件3U1，當(dāng)三相電正常時(shí)，光耦元件導(dǎo)通，LED燈亮。當(dāng)任一相缺相時(shí)，三極管3V1導(dǎo)通，缺相信號(hào)輸出低電平，單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)缺相檢測(cè)。

圖7 缺相檢測(cè)電路圖

3.7 通信接口

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，本設(shè)計(jì)增加了通訊接口，采用RS485接口實(shí)現(xiàn)與外界通訊的無縫對(duì)接，方便與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。根據(jù)實(shí)際需要，采用MAX485芯片作為通信控制器件，該芯片采用半雙工通訊模式，通過串口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通訊，其接口電路如圖8。

圖8 通訊接口電路圖

3.8 其他部分接口

為功能需要還設(shè)計(jì)了如消防檢測(cè)、LCD顯示、電機(jī)切換和開關(guān)量檢測(cè)等接口，方便用戶使用，提高安全性能。

3.9 開關(guān)電源電路

由于開關(guān)電源專用芯片TOP223集成度高，設(shè)計(jì)工作主要是外圍電路的設(shè)計(jì)。外圍電路由輸人整流濾波電路、箝位保護(hù)電路、變壓器、輸出整流濾波電路及反饋電路5部分組成。

本開關(guān)電源提供3路直流輸出，一路為＋12V，專供各類檢測(cè)回路；一路為＋8V，專門給繼電器供電；一路為＋5V，給單片機(jī)處理控制回路供電。為了消除電源間的相互串?dāng)n，＋12V與＋8V電源共地為模擬地，＋5V電源為數(shù)字地。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制軟件設(shè)計(jì)

本裝置中所用到的控制軟件為MPLAB＋I(xiàn)CD2環(huán)境下采用C語言編寫的，在軟件的設(shè)計(jì)上著重注意使用模塊化設(shè)計(jì)理念，其中有系統(tǒng)初始模塊，I/O模塊、報(bào)警顯示模塊、CCP頻率測(cè)量模塊、A/D采集模塊等，采用模塊化降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化。

4.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

為更好的對(duì)各種數(shù)據(jù)交互、分析、處理等，本裝置設(shè)計(jì)使用上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控管理，上位機(jī)所用監(jiān)控軟件使用C＃語言開發(fā)，運(yùn)行環(huán)境為visual studio2008。其中，上位機(jī)與下級(jí)傳輸數(shù)據(jù)使用COM口完成，通訊波特率為9 600bit/s。

［1］PIC16F886/887.數(shù)據(jù)手冊(cè)［S］.

［2］GB/T 14048.11—2008低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6-1部分：多功能電器 轉(zhuǎn)換開關(guān)電器［S］.

［3］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］李榮正，王誠杰，戴國銀.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［5］項(xiàng)新建，胡劍挺.雙電源自動(dòng)切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，19，（4）：277-280，332.

［6］王立業(yè)，駱燕燕，胡愛娣.自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計(jì)與研究［J］.江蘇電器，2007，（2）：7-9.

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TM762

B

1671-4733（2012）04-0015-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2012.04.005

2012-08-02

許東岳（1983-），男，江蘇泗洪人，助理工程師，從事煤礦機(jī)電技術(shù)工作，電話：15955439066。