智能開關(guān)設(shè)備 保護(hù)模塊關(guān)鍵技術(shù)研究

李珂

摘要：智能開關(guān)設(shè)備在國民經(jīng)濟(jì)的各部門和能源領(lǐng)域均占有非常重要的位置，起著不可或缺的作用。智能開關(guān)設(shè)備的主要發(fā)展趨勢是高性能、高可靠、小型化、電子化、數(shù)字化、組合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化及網(wǎng)絡(luò)化，其核心是智能化和網(wǎng)絡(luò)化，而現(xiàn)代智能化和網(wǎng)絡(luò)化的智能開關(guān)設(shè)備即是現(xiàn)代智能智能開關(guān)設(shè)備。換言之，智能化已成為智能開關(guān)設(shè)備發(fā)展過程中不可阻擋的趨勢。本文對開關(guān)設(shè)備的智能化設(shè)計主要分為動態(tài)特性調(diào)控、智能化保護(hù)和數(shù)據(jù)通信三大部分，其中智能化保護(hù)又分為恒壓保護(hù)、過流保護(hù)以及溫度保護(hù)。具體流程為：進(jìn)入程序后首先進(jìn)行恒壓保護(hù)環(huán)節(jié)，在輸入電壓環(huán)節(jié)引入閉環(huán)系統(tǒng)，通過對占空比的設(shè)置，保證輸入的平均電壓恒定，然后進(jìn)行開關(guān)設(shè)備主程序部分的 PWM輸出環(huán)節(jié)，在 PWM輸出之后，進(jìn)行過流保護(hù)，將采樣電阻兩端電壓進(jìn)行測量，如果超出額定電壓，即電流超過恒定電流，則關(guān)閉 PWM輸出，將占空比調(diào)為0，如果正常，則繼續(xù)進(jìn)行下一步，進(jìn)行溫度的采集和恒溫保護(hù)。

關(guān)鍵詞：智能設(shè)備;保護(hù)模塊

1 過流及過熱的危害

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，可能發(fā)生各種各樣的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，其中昀危險的故障是各種類型的短路故障，而昀常見的不正常運(yùn)行狀態(tài)是過載。過載也稱為過負(fù)荷，是指主線路中的運(yùn)行電流高于發(fā)熱額定工作電流的一種非正常工作狀態(tài)。過載電流不至于馬上對線路和電氣設(shè)備造成損害，但如果長時間存在會使導(dǎo)體發(fā)熱，對電氣設(shè)備將造成很多影響。

電氣設(shè)備發(fā)熱可能引發(fā)的危害分以下幾個方面：（1）長期發(fā)熱導(dǎo)致絕緣材料在超過額定溫度的情況下工作，會加速絕緣材料的老化，縮短絕緣材料的壽命，還會使絕緣材料的電氣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不斷降低，導(dǎo)致非正常的工作狀態(tài);（2）對于很多金屬而言，長期發(fā)熱會影響其機(jī)械強(qiáng)度，使其拉伸強(qiáng)度不斷下降，從而引發(fā)變形或損壞;（3）發(fā)熱情況下的接觸部分電阻會持續(xù)增大，造成持續(xù)發(fā)熱，從而引發(fā)更嚴(yán)重的問題。由于過載故障并不是瞬間給系統(tǒng)造成破壞性危害，考慮到系統(tǒng)擁有一定的熱容量，當(dāng)故障電流在系統(tǒng)中的發(fā)熱沒有超過這個限度時，允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。如果過載電流持續(xù)存在，發(fā)熱超過系統(tǒng)的允許界限時，繼續(xù)運(yùn)行就會產(chǎn)生危險，此時要進(jìn)行保護(hù)動作。這樣做的目的也是增加整個系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因?yàn)橛袝r過載由臨時故障產(chǎn)生，很多情況下一段時間后會自動解除，因此在系統(tǒng)熱容量允許的情況下繼續(xù)運(yùn)行，避免了因?yàn)橐恍┎槐匾拈_斷造成的不便。

2 過流保護(hù)的原理及硬件設(shè)計

過流保護(hù)是利用采樣電阻對線圈電流進(jìn)行采樣，然后利用 PIC單片機(jī)的比較功能判斷是否發(fā)生過流，并采取不同的方法進(jìn)行保護(hù)的過程。過流保護(hù)電路主要由以下幾部分組成：分壓模塊、電流采樣模塊、保護(hù)動作模塊。分壓模塊由 1KΩ和 10KΩ的兩個電阻組成，由于采樣部分電阻為 8V到12V，PIC單片機(jī)所能采集的昀大電壓為5V，所以在此用1：11的分壓模塊進(jìn)行分壓。再將經(jīng)過分壓的電壓引入 PIC單片機(jī)。

電流采樣模塊采用的是采樣電阻測電壓的方法，由于電流變化的過程中伴隨著溫度的變化，而溫度的改變會引起線圈電阻的改變，所以利用測量線圈兩端的電壓來測電流的方法是不可取的。這里我們引入采樣電阻測量電流，將采樣電阻串聯(lián)在線圈電阻上，利用采樣電阻值固定的特點(diǎn)，對采樣電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣，然后引入 PIC單片機(jī) I/O口進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，從而由采樣電壓計算通過線圈的電流。

在保護(hù)動作模塊中，將采樣電壓引入 PIC單片機(jī)后，需要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，過流判定，過流時還需要進(jìn)行 PWM電壓輸出的關(guān)閉。具體方法將在過流保護(hù)軟件部分給出。

3 過流保護(hù)的軟件設(shè)計

過流保護(hù)的軟件設(shè)計主要分為 A/D轉(zhuǎn)換模塊和 PWM輸出模塊。

由于 PIC單片機(jī)只具有一個 A/D轉(zhuǎn)換通道，而恒壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)都需要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，所以這里采用三個 I/O口分時占用一個 A/D轉(zhuǎn)換通道的方式，以保證不同功能輪流工作，互不干擾。

A/D轉(zhuǎn)換模塊中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為信號的 10位二進(jìn)制表示。該模塊使用模擬輸入，這些輸入通過多路開關(guān)連接到同一個采樣和保持電路。采樣保持電路的輸出與轉(zhuǎn)換器的輸入相連接。轉(zhuǎn)換器通過逐次逼近法產(chǎn)生 10位二進(jìn)制結(jié)果，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在 ADC結(jié)果寄存器（ADRESL和 ADRESH）中?？赏ㄟ^軟件方式選擇 VDD或施加在外部參考引腳上的電壓作為 ADC參考電壓。如圖 1為 ADC的框圖。

PIC單片機(jī)具有專用的 PWM輸出模塊，PWM模式可以產(chǎn)生不同頻率和占空比的脈寬調(diào)制信號。在脈寬調(diào)制（PWM）模式下，CCP模塊會在CCP1引腳上產(chǎn)生大 10位分辨率的 PWM輸出信號。PWM周期可通過寫Timer2的 PR2寄存器來指定。PWM周期可由公式（1）計算。

PWM周期=[（PR2）+1]*4*Josc*（TMR預(yù)分頻值）（1）

通過將 10位值寫入多個寄存器來指定 PWM占空比：CCPR1L寄存器和 CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位。CCPR1L包含高 8位而 CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位包含低 2位?？梢栽谌魏螘r候?qū)懭?CCPR1L和CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位。在周期結(jié)束（即 PR2和 TMR2寄存器發(fā)生匹配）前占空比值不會被鎖存到 CCPR1H中。當(dāng)使用 PWM時，CCPR1H寄存器是只讀的。

在過流保護(hù)設(shè)計中，首先將采集到的電壓進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換，得到十位的二進(jìn)制數(shù)存在 ADRESL和 ADRESH中，然后將得到的電壓數(shù)值與額定閾值進(jìn)行比較，若小于額定閾值，則繼續(xù)工作，若大于額定閾值，則將 CCPR1L位置零，從而關(guān)閉 PWM電壓輸出，切斷電路。其軟件流程圖如圖 2所示。

4 結(jié)論

本文基于 PIC的計算和控制功能，采用對線圈電流和溫度采樣并進(jìn)行監(jiān)控的方法，實(shí)現(xiàn)了發(fā)生過流和過熱情況時自動切斷電源的功能。實(shí)現(xiàn)了智能開關(guān)設(shè)備工作過程中的自動保護(hù)和調(diào)節(jié)以及對智能開關(guān)設(shè)備內(nèi)部各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控的功能，提高了智能開關(guān)設(shè)備工作的穩(wěn)定性和安全性，可以應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)榷喾N場合，提高整體系統(tǒng)的安全性能。

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