基于智能控制的低壓斷路器機電一體化設(shè)計

徐謙 湖南工程學院

基于智能控制的低壓斷路器機電一體化設(shè)計

徐謙 湖南工程學院

本文基于智能控制技術(shù)，進一步分析了抵押斷路器機電一體化設(shè)計的相關(guān)問題。本次研究主要分為三方面內(nèi)容，首先介紹了基于智能控制的低壓斷路器機電一體化設(shè)計的基本設(shè)計目標，之后分別從硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩方面入手，對低壓斷路器機電一體化設(shè)計的基本思路進行闡述。從實施情況來看，本文所設(shè)計的機電一體化低壓斷路器具有實施可行性，能滿足多種工況下的生產(chǎn)要求，值得在更多地區(qū)做進一步推廣。

智能控制 低壓斷路器 機電一體化

前言：低壓斷路器是現(xiàn)階段電路系統(tǒng)中低壓配電網(wǎng)的核心組成部分，不僅能直接接通、分段正常的負載電流與過載電流，還能接通、分段短路電流，因此在整個電網(wǎng)體系中發(fā)揮著重要作用。在智能控制的大環(huán)境下，如何進一步提高低壓斷路器運行性能已經(jīng)成為相關(guān)人員關(guān)注的重點。

1 基于智能控制的低壓斷路器機電一體化整體設(shè)計思想

1.1 低壓斷路器的基本要求與技術(shù)指標

（1）基本要求

本文所設(shè)計的低壓斷路器要具有以下幾點功能：①保護功能。保護功能是低壓斷路器的核心指標之一，因此在設(shè)計中，必須要保證低壓斷路器具有良好的保護能力，能夠?qū)崿F(xiàn)短路瞬時保護、過載長延時反時限保護、欠壓保護等。②測量與運行監(jiān)測功能。低壓斷路器能實時測量各種電網(wǎng)數(shù)據(jù)資料，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到控制中心。因此，低壓斷路器所要監(jiān)測的指標主要包括：一路線電壓、電網(wǎng)頻率等；同時，低壓斷路器還能實時反映電網(wǎng)的運行情況，針對電網(wǎng)運行中的故障能在第一時間發(fā)出警報，并上傳故障狀態(tài)信息。

（2）技術(shù)指標

①電源指標。本文所設(shè)計的低壓斷路器采用外界交流380V電源或直流24V的電源。

②測量指標。電流達到2．5級，頻率、電壓等常規(guī)數(shù)據(jù)均為1級。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

基于智能控制的低壓斷路器主要由微處理器、信號采集電路、電源、鍵盤等多個部分組成，在綜合控制的情況下，由輸出執(zhí)行電路完成具體的操作，方便上級單位實現(xiàn)智能控制。總體而言，基于智能控制的低壓斷路器機電一體化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于智能控制的低壓斷路器基本結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了能進一步提高低壓斷路器的基本性能，使其能更加快速、準確的反饋相關(guān)信息，在設(shè)計中決定采用MSP430F449單片機，該單片機具有強大的片內(nèi)外設(shè)，并且能夠為系統(tǒng)創(chuàng)造良好、穩(wěn)定的工作環(huán)境，具有更加強大的信息處理能力。

2 低壓斷路器機電一體化硬件設(shè)計分析

2.1 信號采集模塊

信息采集模塊主要負責收集三相電流、三項電壓等基本資料，同時還擔負著監(jiān)控中線故障、采集中線電壓的基本功能。在綜合考慮上述功能需求的基礎(chǔ)上，本文所設(shè)計的信號采集模塊主要依靠電壓互感器、電流互感器等分別采樣電壓、電流等基本資料，并且要求信號所采樣的頻率能大于2kHz。當互感器輸出的電壓小于該數(shù)值，電壓在通過LM324時會得到放大，之后通過A/D采樣；如果互感器輸出電壓比較大，則LM324在輸出時會出現(xiàn)飽和問題，此時直接由A/D采樣即可。

在本文設(shè)計中，所設(shè)計的采樣頻率為2kHz，能按照0．5ms/次的頻率進行數(shù)據(jù)采集，每周期都會采集20點資料。這種信息采集方法不僅在最大程度上保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的實時性，還能有效避免采集失真現(xiàn)象發(fā)生，保證系統(tǒng)運行質(zhì)量。同時，本文創(chuàng)造性的將MSP430F449單片機設(shè)置在低壓斷路器中，依靠該單片機的信息處理能力，集成A/D采樣模塊，這種設(shè)計能進一步簡化外圍電路設(shè)計開發(fā)過程，具有良好的應用價值。

2.2 電壓穩(wěn)定模塊

本文所設(shè)計的電流互感器供電與輔助電源相結(jié)合的模式，共同構(gòu)建了電壓穩(wěn)定模塊，通過這種冗余供電的方式，來滿足低壓斷路器的供電需求。自供電方式是由信號采集單元中的鐵心互感器中取電，正常工作時輔助電源不工作，只有當自生電源故障或線路中電流較小不足以供電時，才采用輔助電源供電。

2.3 硬件抗干擾設(shè)計

在硬件抗干擾設(shè)計中，硬件抗干擾技術(shù)是最常見的技術(shù)手段，通過“防”和“抗”兩方面來抑制干擾，通過降低系統(tǒng)對干擾的敏感性或者直接阻斷干擾，達到預期的防護目的。

（1）屏蔽技術(shù)。屏蔽技術(shù)的關(guān)鍵，就是通過在兩個空間區(qū)域之間設(shè)置金屬隔離，抑制電磁場耦合。這種方法較為常見，在低壓斷路器硬件抗干擾設(shè)計中，通過將智能控制模塊設(shè)置在金屬外殼內(nèi)部，就能有效組織干擾電磁直接影響智能模功能，達到保護的效果。（2）保護性抗干擾措施。為保護智能控制器免受浪涌、雷擊的襲擊，在變壓器二次側(cè)、電流傳感器及電壓互感器輸出端都并接了雙極性瞬變電壓抑制器TVS。TVS的正向伏安特性為普通二極管特性，反向為雪崩二極管特性，當TVS兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端間阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收一個大電流從而把兩端間的電壓鉗位在一個預定的數(shù)值上，保護后面的電路元器件不受瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞。

3 低壓斷路器機電一體化軟件設(shè)計分析

在基于智能控制的低壓斷路器機電一體化軟件設(shè)計中，考慮到低壓斷路器的主要監(jiān)控對象是電壓與電流，并且無論是對信號的檢測還是對電力設(shè)備的保護，都會系統(tǒng)運行提出了很高的要求。因此在軟件設(shè)計中，必須要保證軟件具有實時性、高效性等特點。

本文所使用的將MSP430F449單片機支持C語言開發(fā)，也支持匯編語言開發(fā)，兩者相比，匯編語言具有實時性強的特點，并且對內(nèi)存空間的占有量需求小，因此在設(shè)計中具有更高的應用價值。

總體而言，本文所設(shè)計的基于智能控制的低壓斷路器機電一體化軟件系統(tǒng)是一個模塊化系統(tǒng)，通過將整個復雜的程序按照模塊化的特點進行整體劃分，使其成為具有獨立運行能力的程序化模塊，各個模塊能夠?qū)崿F(xiàn)單獨運行、調(diào)試。

根據(jù)智能控制的相關(guān)要求，本文認為需要采用自上而下的無限循環(huán)方式，因此在軟件設(shè)計中，考慮到低壓斷路器的特殊功能要求，本文所設(shè)計的主程序主要完成初始化、通信數(shù)據(jù)幀處理、采樣數(shù)據(jù)處理、故障保護處理、LCD刷新顯示等，其中初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、ADC12模塊初始化、TimerA和TimerB初始化、單片機10口的初始化和LCD初始化等。中斷程序包括：定時器中斷、鍵盤中斷、通信中斷等。在整個軟件系統(tǒng)中，充分考慮到模塊化系統(tǒng)設(shè)計的要求，上文所提出的系統(tǒng)功能都會以模塊的形式存在，并且不同模塊之間都會數(shù)據(jù)鏈連接，最終實現(xiàn)對低壓斷路器的有效控制。

結(jié)論：本文主要分析了基于智能控制的低壓斷路器機電一體化設(shè)計的相關(guān)問題，從本次研究結(jié)果可知，本文所設(shè)計的低壓斷路器不僅保留了傳統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)點，還綜合了很多現(xiàn)代化技術(shù)，尤其是智能控制技術(shù)，整個技術(shù)的設(shè)計充分考慮了不同環(huán)境下低壓斷路器運行的要求，并且通過保護裝置與系統(tǒng)，有效的保證了設(shè)備運行，為提高電網(wǎng)運行質(zhì)量奠定良好基礎(chǔ)。

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