基于電工實(shí)驗(yàn)的保護(hù)和考核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉嬌 吳瓊

摘要：針對電工實(shí)驗(yàn)中存在因線路連接不當(dāng)造成的安全隱患及考核標(biāo)準(zhǔn)的不完善，提出了一種基于電工實(shí)驗(yàn)的保護(hù)和考核系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過過壓、過流及漏電保護(hù)電路對電工實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和保護(hù)，同時考核電路對實(shí)驗(yàn)時間、出錯次數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測和實(shí)時查詢。通過測試，該電工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有很大的實(shí)用價值，對電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電工實(shí)驗(yàn) 過壓保護(hù) 過流保護(hù) 漏電保護(hù) 考核電路

中圖分類號：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A？？？？文章編號：1007-9416（2016）05-0000-0

1前言

“電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”是高校電氣類專業(yè)的一門主干實(shí)踐類課程。電工實(shí)驗(yàn)以電源為載體，大部分場合使用的是220V或380V的交流電，實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性。而參加電工實(shí)驗(yàn)的學(xué)生絕大部分是新手，實(shí)踐能力偏弱，對于安全用電的概念處于模糊階段。因此，在電工實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，安全用電就成為一個不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。

本文就實(shí)驗(yàn)中常見的幾種錯誤設(shè)計(jì)保護(hù)措施。如設(shè)備漏電、電路短路、負(fù)載過輕、電壓過高、儀表超量程等。針對電工實(shí)驗(yàn)中的安全隱患及考核要求，本文設(shè)計(jì)了一套基于電工實(shí)驗(yàn)的保護(hù)和考核的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由保護(hù)模塊與考核模塊兩大部分組成，保護(hù)模塊又分過壓保護(hù)、儀表超量程保護(hù)、過流及短路保護(hù)、漏電保護(hù)，各模塊都有聲光報(bào)警功能，用來提示搭建的實(shí)驗(yàn)電路存在故障。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

配電箱的三相電經(jīng)交流接觸器KM、三相調(diào)壓器輸出后，每相電源再經(jīng)電流互感器后與零線一并提供給實(shí)驗(yàn)裝置。交流接觸器的線圈由AC220V供電，各模塊電路中都有一個直流繼電器，將繼電器的一個常閉端（NC）串聯(lián)在交流接觸器線圈的供電電路中。漏電保護(hù)模塊有一個端子要與實(shí)驗(yàn)裝置的金屬外殼連接在一起，用來檢測設(shè)備是否有漏電現(xiàn)象。所有的保護(hù)電路都有一個接口與考核電路相接，用來記錄實(shí)驗(yàn)過程中的錯誤操作。各模塊的工作電源由配電箱直接供給，因此，即使實(shí)驗(yàn)過程中有非正常操作使交流接觸器斷開，各保護(hù)電路還能正常運(yùn)行。

3 模塊電路分析

由圖1可以看出保護(hù)模塊由過壓保護(hù)、儀表超量程保護(hù)、過流及短路保護(hù)、漏電保護(hù)組成。

3.1 過壓保護(hù)、過流保護(hù)、儀表保護(hù)模塊

在電工實(shí)驗(yàn)過程中，由于接線的疏忽或者對電路的不熟悉，最容易犯的毛病就是220V與380V電源的混淆使用導(dǎo)致超過負(fù)載的額定電壓，錯誤操作都可能會給人身安全或財(cái)產(chǎn)帶來損失。

這三個模塊的故障保護(hù)及報(bào)警原理相似，如圖2所示。圖2-（a）中端口L3、L4是繼電器的常閉觸點(diǎn)，串聯(lián)在交流接觸器工作線圈的火線上。比較器的反相輸入端接一個電位器，可以調(diào)節(jié)反相輸入端的電位，為保護(hù)電路設(shè)置閾值電壓。比較器的同相輸入端連接各模塊采樣到的信號。在正常狀態(tài)下，L3、L4是相通的，交流接觸器可以正常啟動。節(jié)點(diǎn)RELAY電壓與VCC電壓相同，圖2-（b）中的蜂鳴器與LED不工作，三極管Q2截止，端口*-Protect輸出低電平。

若同相端的電壓大于閾值電壓（反相端的電位），比較器輸出高電平，三極管Q1飽和導(dǎo)通，使繼電器吸合。此時L3、L4斷開，交流接觸器因線圈斷電而斷開觸點(diǎn)，切斷實(shí)驗(yàn)設(shè)備的供電。因?yàn)閿嚯姾蟊Ｗo(hù)模塊無輸入信號，即比較器同相端無輸入信號，比較器輸出低電平。但在繼電器吸合時，其常開端閉合，使其線圈經(jīng)復(fù)位按鈕連接在一個閉合回路中而繼續(xù)保持吸合狀態(tài)。此時聲光報(bào)警模塊也連接到閉合回路中，將持續(xù)報(bào)警且交流接觸器不能啟動，三極管Q2導(dǎo)通，*-Protect端口輸出一個高電平到考核模塊上，引起單片機(jī)的中斷，報(bào)警記錄增加一次。直到按了復(fù)位按鈕，切斷回路才能停止報(bào)警，交流接觸器才能啟動。

3.2 漏電保護(hù)模塊

盡管實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶有漏電保護(hù)開關(guān)，可以有效防止人身觸電事故發(fā)生。但若由于實(shí)驗(yàn)連接線的絕緣層破損或?qū)Ь€有毛刺等原因使設(shè)備帶電，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備接地又不好，這樣是不會引起漏電保護(hù)開關(guān)的動作，從而也會發(fā)生觸電。此模塊就是為預(yù)防這種意外的發(fā)生而設(shè)計(jì)的，其原理圖如圖3所示。

圖3中555芯片組成一個施密特觸發(fā)器，正常狀態(tài)下，外殼沒有漏電，三極管Q3截止，555的第2、6腳輸入電壓與芯片電源電壓相同，輸出端第3腳為低電平，三極管Q4截止，繼電器K1、K2都不工作，L2、L3相通，實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常供電。

當(dāng)外殼有漏電現(xiàn)象，則此電壓經(jīng)R1、R2分壓、整流、濾波后輸入到三極管Q3的基極上致Q3導(dǎo)通，555第2、6腳電壓降為低電平，輸出端第3腳輸出高電平使三極管Q4導(dǎo)通，從而繼電器K1、K2吸合，L2、L3斷開，實(shí)驗(yàn)設(shè)備斷電，有效防止學(xué)生觸電。該模塊的聲光報(bào)警與記數(shù)信號輸出的原理同前面分析一樣。

該系統(tǒng)的另一個功能就是可以對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量的考核。該模塊是以AT89C52為主控的，可實(shí)現(xiàn)四大主要功能。 定時功能、記錄功能、查詢功能以及時鐘功能。

4 實(shí)驗(yàn)操作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

5 結(jié)語

本文從電工實(shí)驗(yàn)的安全與考核兩個方面出發(fā)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，解決了各種安全隱患，安全方面考慮了設(shè)備接地不良的漏電保護(hù)，可以減小觸電風(fēng)險(xiǎn)；考核方面實(shí)行定時控制、故障記錄、密碼保護(hù)，使考核更具有公正性。通過了對電工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的可行性。此外，該研究設(shè)計(jì)對其他電工實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)具有一定的實(shí)際參考價值。

參考文獻(xiàn)

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