一種可遙控的頻率監(jiān)測(cè)及保護(hù)設(shè)備

朱銘和

(南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

用電頻率是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),由于我國(guó)的用電設(shè)備都按照50Hz 來設(shè)計(jì),所以過高的頻率會(huì)對(duì)負(fù)載(尤其是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備)造成一定的損傷,比如設(shè)備局部過熱,絕緣加速老化的問題,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)苯訐p壞設(shè)備,引發(fā)事故。而目前市場(chǎng)上針對(duì)家用電器(比如公牛插座)主要為過電流保護(hù)設(shè)備,對(duì)于頻率保護(hù)暫時(shí)沒有一套成熟的、普及的裝置。本文針對(duì)用戶側(cè)220V 下,如何對(duì)電能的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)出發(fā),設(shè)計(jì)出一種可遙控的頻率監(jiān)測(cè)及保護(hù)裝置,改善用電設(shè)備因長(zhǎng)期工作在過高或過低的頻率而壽命減少的狀況。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)是一種實(shí)用的頻率監(jiān)測(cè)與保護(hù)設(shè)備,裝置可以針對(duì)50W 以下的負(fù)載進(jìn)行保護(hù),主要為一些對(duì)頻率有要求的用電設(shè)備而設(shè)計(jì)。首先,裝置的啟動(dòng)與關(guān)閉受WiFi 開關(guān)模塊控制,用戶可通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；其次,裝置采用自供電,不外設(shè)直流電池組裝置進(jìn)行供電；接著,對(duì)電能信號(hào)進(jìn)行采樣,輸入運(yùn)算電路；之后,經(jīng)電路中的單片機(jī)運(yùn)算后,輸出電信號(hào),一部分用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管電路,顯示當(dāng)前實(shí)際頻率,另一部分用于驅(qū)動(dòng)繼電保護(hù)電路,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)負(fù)載的目的。在負(fù)載端口,設(shè)置了USB接口與2 孔插座接口,分別為小功率負(fù)載和大功率負(fù)載供電。當(dāng)裝置被遠(yuǎn)程關(guān)斷后,負(fù)載端口也會(huì)失電,避免負(fù)載在沒有裝置保護(hù)的情況下接入220V 配電端,造成不必要的損壞。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要包括電源、WiFi 開關(guān)模塊、信號(hào)源、運(yùn)算電路、繼電器電路和負(fù)載,信號(hào)源與運(yùn)算電路的輸入端連接,繼電器電路、數(shù)碼管顯示電路與運(yùn)算電路的輸出端相連。其中電源與WiFi 開關(guān)模塊、運(yùn)算電路依次串聯(lián),電源為WiFi 開關(guān)模塊與負(fù)載直接供電。

整體結(jié)構(gòu)圖中,運(yùn)算電路的供電受到WiFi 開關(guān)模塊的控制,運(yùn)算電路的輸入端得到信號(hào)源輸送的信號(hào),然后從不同的輸出端送出電信號(hào),用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示電路與繼電器電路；數(shù)碼管在運(yùn)算電路的驅(qū)動(dòng)下能夠顯示出當(dāng)前實(shí)際的頻率,繼電器電路會(huì)在運(yùn)算電路的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)接通負(fù)載或是斷開負(fù)載。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

WiFi 開關(guān)模塊的型號(hào)為YS-BL1K；電源中的AC-DC 整流模塊型號(hào)為HLK-20M12,其余均為變壓器；運(yùn)算電路的單片機(jī)型號(hào)為8G1k80A7719802029.xa; 繼電器電路中繼電器為松樂原裝繼電器和JQX-58F·220V/60A 功率繼電器；數(shù)碼管顯示電路中的數(shù)碼管為4 位8 段,驅(qū)動(dòng)芯片為TM1650。

2.2 信號(hào)源電路。信號(hào)源電路采用一個(gè)10:1 的變壓器,將配電網(wǎng)用戶側(cè)220V 電壓降為22V 左右,再經(jīng)過電阻與兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管,將正弦信號(hào)波形整流為5V 的近似脈沖波形,從I01 輸出。該電路簡(jiǎn)單易操作,器件的成本低,采樣的信號(hào)可靠,能夠作為合適信號(hào)源。信號(hào)源的電路圖如圖2。

圖2 信號(hào)源電路

2.3 電源。電源主要分為直流低壓部分220AC/12DC 與交流高壓部分,其中直流低壓部分為WiFi 模塊與運(yùn)算電路供電,交流高壓部分為負(fù)載供電。如圖3 所示,I04/I05 輸出端與WiFi開關(guān)模塊直接連接,經(jīng)WiFi 開關(guān)模塊繼電器后與運(yùn)算電路連接。I01/I02 輸出端經(jīng)繼電器電路中的繼電器后與負(fù)載連接。該電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,既能夠?qū)崿F(xiàn)裝置中不同模塊的自供電,也可以實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。電源電路如圖3。

圖3 電源電路

2.4 運(yùn)算電路。運(yùn)算電路為模塊化電路,其中的單片機(jī)型號(hào)為8G1k80A7719802029.xa,具體功能為驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示電路與繼電器電路。運(yùn)算電路的信號(hào)源輸入端與信號(hào)源的輸出端連接,運(yùn)算電路的輸出端I01 與數(shù)碼管顯示電路連接,使數(shù)碼管顯示出頻率數(shù)值；運(yùn)算電路輸出端I02 輸出高電平或低電平,用于驅(qū)動(dòng)繼電器電路,高電平使繼電器動(dòng)作,負(fù)載與電源斷開,低電平使繼電器不動(dòng)作,負(fù)載與電源繼續(xù)接通。觸發(fā)開關(guān)S3 用于選擇模式,模式共有4 種：A≤f、f≤A、A≤f≤B、f≤A 且f≥B；觸發(fā)開關(guān)S4 用于選擇數(shù)碼管上數(shù)位(從左向右,可循環(huán)),觸發(fā)開關(guān)S5 用于設(shè)定數(shù)位上的數(shù)值(從0 至9,可循環(huán))。運(yùn)算電路的功能示意圖如圖4 所示。

圖4 運(yùn)算電路

圖5 繼電器電路

2.5 繼電器電路。繼電器電路由門極放大電路、電流繼電器、功率繼電器組成。電流繼電器為松樂原裝2 路繼電器,功率繼電器為JQX-58F·220V/60A,電平端輸入運(yùn)算電路輸出的電平信號(hào),門極放大電路在高電平信號(hào)下關(guān)斷三級(jí)管,電流繼電器不動(dòng)作,負(fù)載與電源繼續(xù)連接；在低電平信號(hào)下開通三級(jí)管,電流繼電器動(dòng)作,負(fù)載與電源斷開,完成保護(hù)。其中,NC/COM/NO端口為小功率(5W)設(shè)備接口,NC1/COM1/NO1 為大功率(50W)設(shè)備接口。繼電器電路如圖5。

3 裝置整體的設(shè)計(jì)效果

設(shè)計(jì)效果：

虛線框內(nèi)為完整裝置,裝置對(duì)外有電源線1 與負(fù)載接口2。電源線1 采用2 孔插頭,可直接插入插座,獲取電能,負(fù)載接口分為兩種類型：USB 接口與兩孔插座,USB 接口由于小功率設(shè)備,兩孔插座用于大功率設(shè)備。數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能,顯示當(dāng)前的實(shí)際電能頻率。負(fù)載接口經(jīng)繼電器電路與電源相連,負(fù)載電源受到繼電器控制,可實(shí)現(xiàn)頻率保護(hù)功能。

裝置簡(jiǎn)圖如圖6、裝置具體結(jié)構(gòu)圖如圖7。

圖6 裝置簡(jiǎn)圖

圖7 裝置具體結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

介紹了一種可遙控的頻率監(jiān)測(cè)及保護(hù)裝置,根據(jù)配電網(wǎng)用戶側(cè)220V 電能的實(shí)際頻率。結(jié)合運(yùn)算電路設(shè)定的保護(hù)模式與保護(hù)范圍,輸出高或低電平,使負(fù)載在頻率正常時(shí)保持與電源接通,在頻率異常時(shí)使負(fù)載與電源斷開,實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的。該裝置具有模塊化,成本低,體積小,可遙控開與關(guān),無需外置電源電路等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)具有較大的實(shí)際意義。