智能电器课程设计.docx
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智能电器课程设计
等级:
湖南工程学院
课程设计
课程名称电器智能化原理及应用
课题名称智能脱扣器脱扣电路设计
专业电气工程及其自动化
班级
学号2010
姓名
指导教师梁锦杨青
2013年12月20日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称电器智能化原理及应用
课题智能脱扣器脱扣电路设计
专业班级
学生姓名
学号201001010523
指导老师梁锦杨青
审批谢卫才
任务书下达日期2013年12月8日
任务完成日期2013年12月20日
设计内容与设计要求
设计内容：
1.设计出智能脱扣器的脱扣电路。
2．具有模拟脱扣和数字脱扣功能。
设计要求：
1.给出整体设计框图，画出整机原理图；
2.给出具体设计思路，画出电路图；
3.执行元件采用磁通变换器；
4.增加抗干扰措施；
5.编写设计说明书；
主要设计条件
1．提供实验箱一台；
2．必要的元器件和导线等；
3．计算机。
说明书格式
1.课程设计封面；
2.任务书；
3.说明书目录；
4.设计总体思路，基本原理和框图；
5.电路设计；
6.编写设计说明书；
7.总结与体会；
8.附录；
9.参考文献；
10.整机原理图。
进度安排
十五周星期一：
下达设计任务书，介绍课题内容与要求；
十五周星期一——十五周星期五：
查找资料，确定设计方案，画出草图。
十六周星期一上午——十六周星期二：
电路设计，打印出图纸。
十六周星期三：
书写设计报告；
十六周星期四：
书写设计报告；
十六周星期五：
答辩。
参考文献
1.曹金根，金佩琪.低压电器与低压开关柜.北京：
人民邮电出版社2001
2.周茂祥主编.低压电器设计手册.北京：
机械工业出版社，1992
3.王汝文，宋政湘，扬伟.电器智能化原理及应用.北京：
电子工业出版社，2003
4．孙传友，孙晓斌，汉泽西等.测控系统原理与设计.北京:
航空航天大学出版社，2002
5．邹积岩.智能电器.北京:
机械工业出版社，2006
6．KlausKosack著,胡明忠,胡沫非译.SIEMENS低压开关电器和开关设备手册.北京:
机械工业出版社,1999
7．白同云,吕晓德.电磁兼容设计.北京：
北京邮电大学出版社，2001
8．《低压电器》、《电工技术杂志》等杂志
第1章绪论
1.1引言
随着人们对电力的需求日益增加，对电能质量的要求日益提高。
近年来，我国电力系统及电力设备行业得到了长足的发展。
伴随着计算机技术及信息技术的飞速发展，开关电器领域正经历新一轮的更新换代，新概念电器层出不穷。
其中最能代表时代发展的、也是发展最为迅速的是智能化电器。
产品逐渐趋于智能化、模块化、组合化，将不同功能的模块按不同的需求组合，是当今低压电器产品的发展趋势。
智能型脱扣器由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、传感技术与通讯技术等，使其功能更趋完善。
除实现了各种保护功能外，还有监察显示功能、故障记录功能、通讯等各种辅助功能，现已在配电系统中得到了广泛的应用。
1.2脱扣器概述
早期的脱扣器为电磁式的，其工作原理是利用双金属片在流过电流时发热变形而使脱扣器动作，这类脱扣器制造调整困难，精度低和可靠性差。
60年代，美国开始研制电子脱扣器，并应用于低压断路器。
电子脱扣器具有保护功能多、延时精度高、选择性好、整定范围大和返回系数高等特点。
此外还可以增加接地保护，过载保护功能，使低压电器的保护特性更完善，性能得到了提高。
此后国外先进工业国家相继开发出多种电子脱扣器，从分立元件、集成电路发展到利用微型计算机技术的智能脱扣器。
我国的智能脱扣器研究起步较晚，但在科技人员的不懈努力下已取得很大成绩，开发出了多种产品并形成了系列化，在功能上也已达到了一定水平。
传统的断路器保护功能是通过脱扣器中机械系统的动作来实现的，其效果也不够理想。
为了防止用电设备故障以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠和更具保护性能的断路器。
随着微电子技术的发展，集成电路的出现，大大缩小了普通电子电路的体积，因而出现了以专用集成电路为基础的多功能脱扣器，从而促进了多功能断路器的发展。
同时微型计算机技术的发展也为低压电器的智能化提供了条件。
智能脱扣器是智能断路器的核心部件，它不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能实时显示电路中的各种参数（电流、电压、功率、功率因数等），以及和PC机进行通信等功能。
1.3智能脱扣器的发展
1.3.1脱扣器现状
脱扣器是断路器发展而发展。
我国90年代前脱扣器产品以电磁式和热式为主，有少量电子式和智能化脱扣器产品。
而国外脱扣器电子化和智能化研究和制造方面则走前面，现大约领先我国5～10年。
智能化脱扣器能使断路器具有更强大功能。
我国新研制开发DW45系列等产品脱扣器已具有与工控机、PLC等通讯功能，能提供开关状态、三相电流、电压、功率因数、有功功率等参数。
通信化方面，各国都比较重视采用比较成熟现场总线技术。
我国当前主要采用FCS现场总线系统。
智能化脱扣器可实现过电流，电压和分励等传统脱扣器功能。
硬件上，微处理器模块、辅助功能模块和执行单元都可以是相同，对电流和电信号处理、显示等不同，可以软件设计里实现。
另外，过电流保护功能需要配置过电流信号检测单元，而电压保护则需配置电源、整波滤波、稳压、欠压延时等单元，分励功能只须增加一个开关即可。
1.3.2智能脱扣器发展趋势
国内外电器厂商已推向市场新产品和研究动态来看，智能脱扣器具有以下发展趋势：
1.智能化脱扣器产品化：
即将智能脱扣器做成相对断路器独立通用性产品，使其使用范围限于某种断路器，脱扣器检测和维修也会相对简单。
以前断路器产品测试必须断路器整个设备装配完成后才能进行，而脱扣器产品化以后，其测试可以独立于断路器进行，这使整个断路器测试程序大为简化，而测试时间也大为减少。
2.脱扣器电子化：
半导体集成技术，微电子和计算机技术迅猛发展，智能脱扣器控制能力越来越强，将从常规电压、电流、功率等电参数智能化检测与控制，发展到对诸如触头材料磨损量，灭弧室温升等非电参数检测与控制等方面。
3.智能化和可通信化：
智能化与电子化最大区别就是其采用了微处理器。
具有应用软件，这样硬件不变情况下具备较大适用性和升级能力，可通信化是脱扣器产品中加入相关检测、判断和通信等芯片或电路，使脱扣器各种状态和工作参数能较好传输媒质（如现场总线、串口线等）与线路上其它电气设备进行信息交流，以适应当前电气设备智能化及网络化发展趋势，而采用现场总线则使技术上有了较统一标准，也使脱扣器测试、检测和维修等有了更多参考数据。
电气产品检测、工作电路集成化芯片化也是当前趋势。
第2章智能脱扣器的整体设计
2.1智能脱扣器的设计原理
低压断路器在供配电系统中的主要作用是对线路中的过载、短路、接地等故障进行保护，它通过检测单元获取主线路中的电流、电压信号，经脱扣器的逻辑控制单元分析判断后发出信号控制断路器的动作。
断路器的动作与否和断路器的动作时间取决于脱扣器的控制线号。
智能脱扣器的设计也是基于这个原理，但逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成、检测单元由空心互感器和信号处理电路组成。
其原理框图如下：
图2.1智能脱扣器原理框图
2.2智能脱扣器的工作原理
主线路上的空心电流互感器检测供电线路中的电流并将其转换成数字信号和单片机可处理的电平信号，经隔离后进入采样和保持电路，经滤波、放大等处理后送入微处理器，微处理器内带A/D转换单元将模拟量信号转换成数字量信号，供CPU进行逻辑运算与处理；各种故障保护的动作电流和时间的整定值通过键盘设定并存于EEPROM中；CPU将检测到的电流信号与整定值比较，判断是否脱口。
若脱口，则发控制信号和警报信号，显示故障电流和故障类型，否则，脱扣器刷新显示，并进行自我诊断和检测。
2.3智能脱扣器组成
本设计的智能脱扣器采用单片机作为主控单元，使其控制其它外围电路来实现各种功能。
硬件设计的总体思路是:
智能脱扣器通过互感器将主电路的电压、电流信号转换成模拟电路可以处理的电平信号:
将信号转换成单片机可处理的直流电压信号;中央处理单元则对这些信号进行采样、模数转换、运算和处理，运算结果和整定值比较后输出符合预设保护特性的电平信号，这些信号经放大后可直接驱动脱扣器的执行机构动作。
此外，还应设计模拟电路以使电路出现短路电流时，脱扣器能瞬时动作。
硬件电路主要包括以下几个部分，如图3.1所示:
图2.2智能脱扣器系统框图
智能脱扣器主要由模拟脱扣模块、电流检测模块、STC12C5A60S2单片机、人机交互模块和脱扣输出模块、磁通变换器和通讯模块七大部分组成。
逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成。
在工作时，智能化脱扣器通过空心电流互感器将主线路的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的电平信号，信号处理单元则对这些信号滤波和采样；采样信号单片机内部的模数转换模块（A／D）转换成数字信号；CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构使断路器动作。
各种故障保护的动作电流和时间整定值通过人机交互模块的键盘设定。
预先存储在EEPROM中，并可以在应用中随时进行修改。
脱扣器所需的信号由空芯互感器提供。
采样信号的准确度直接影响脱扣器的保护和显示精度。
传统铁芯互感器线性度小，当出现大电流时，其二次输出与一次电流不成线性关系，造成欠保护及显示与实际电流值不符。
本设计采用空芯互感器，具有宽范围的线性度，可保证脱扣器实时处理、显示线路中的各种情况。
第3章智能脱扣器的脱扣电路设计
智能化脱扣器脱扣电路的结构在微处理器脱扣控制电路的基础上，加入了模拟脱扣电路，作为后备保护。
模拟脱扣电路用于系统上电初期的短路电流保护和系统运行期间特大短路电流的保护。
3.1模拟脱扣电路
微处理器在上电初期要进行上电初始化，无法实现保护。
模拟脱扣电路采用硬件比较器电路可以快速判断出断路器接通时出现短路的情况，并做出相应的动作进行保护。
在微处理器运行期间，模拟脱扣电路实现特大短路电流的判断，如果出现特大短路电流，微处理器没有来得及反应，则模拟脱扣电路可作出相应的判断和动作。
因此数字脱扣和模拟脱扣相结合，两者互补，增加了脱扣器的可靠性。
模拟脱扣电路采用比较器鉴幅电路来实现，每一相使用一个比较器来完成。
如图3.1所示：
图3.1模拟脱扣电路的结构图
采用上述比较器鉴幅电路，在实际系统运行中由于干扰的存在，比较器的输出会出现一些不必要的窄脉冲，如果直接接单稳态触发电路，会产生误动作。
为了消除干扰，在比较器的输出端加了脉宽检测电路，该电路由一个555器件组成，输出接由另一个555器件构成的单稳态触发电路。
如图3.2所示。
脉宽检测电路的工作原理如下：
UTRIP、UTH、UQ、UOUT表示图中各个结点。
UTRIP来自电压比较器并联的输出端。
在正常情况下，比较器输出高阻，此时图中NPN三极管导通，UTH被三极管嵌位在其饱和电压0．3V以下，UQ输出高电平。
当电流越限或单片机发出脱扣指令，比较器输出将把UTRIP拉低，则NPN三极管截止，此时接UTH的电容通过电阻R5、R6开始充电，UTH电压升高。
如果UTRIP低脉冲保持一定的宽度，UTH随着电容充电上升并达到2／3Vcc，则UQ输出低电平，触发其后由个555器件构成的单稳态电路，UOUT输出一个一定宽度的脉冲。
由电路的工作波形可知，由于电容充电需要一定的时间，因此该脉宽检测电路只有在UTRIP输出低脉冲宽度保持一定的时间才能使UOUT触发。
如果UTRIP的脉冲过窄，UTH电压达不到2／3Vcc，则UOUT不会触发，因此通过该电路可以消除前级比较器出现的干扰问题。
上述电容充电使UTH电压上升到2／3Vcc的时间为T0，设充电电阻为R，电容为C，则
T0≈ln3RC≈1.1RC
（1）
充电电阻由R5和R6串联而成。
即R＝（R5+R6）。
单稳态触发电路的输出OUT的宽度T1。
T1≈1．1RC
（2）
其中R、C为相应的充电电阻值和电容值。
上述电路中的电容电阻值根据实际比较器输出脉冲的情况适当的取值。
图3.2脉宽检测与单稳态触发电路
3.2数字脱扣电路
电流互感器将主线路的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的电平信号，信号处理单元则对这些信号滤波和采样；采样信号单片机内部的模数转换模块（A／D）转换成数字信号；CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构使断路器动作。
各种故障保护的动作电流和时间整定值通过人机交互模块的键盘设定。
预先存储在EEPROM中，并可以在应用中随时进行修改。
脱扣器所需的信号由空芯互感器提供。
采样信号的准确度直接影响脱扣器的保护和显示精度。
传统铁芯互感器线性度小，当出现大电流时，其二次输出与一次电流不成线性关系，造成欠保护及显示与实际电流值不符。
本设计采用空芯互感器，具有宽范围的线性度，可保证脱扣器实时处理、显示线路中的各种情况。
图3.3数字脱扣电路
如图所示，单片机控制信号是由单片机直接输出的，所以可以不经过脉宽检测电路直接接到单稳态输入端，然后驱动磁通变换器工作，实现脱扣功能。
第4章磁通变换器的功能及结构
智能脱扣器已广泛应用于低压断路器，而磁通变换器（FluxTransferTrip）作为智能脱扣器的重要部件，对智能脱扣器的工作性能、结构小型化及可靠性有重要作用。
低压断路器智能脱扣器的执行元件采用特殊的磁通变换器，因为它由电流互感器通过电容器来供电，故要求磁通变换器动作灵敏、功耗低。
磁通变换器是一种小型储能式脱扣装置，由于利用了永磁存储的能量，所以仅需很小的功率脉冲即可使其动作，图4.1为工作原理图。
永久磁铁产生的磁通Φr及对应的吸力使动铁芯处于吸持位置，而当电流i通过线圈产生的磁通Φ抵消了Φr时，就可使动铁芯在弹簧力Fs作用下动作，故其与一般电磁机构的动作原理不同，它是靠永磁产生的力使变换器处于释放位置，而依靠弹簧力使其动作，推动断路器的脱扣钩。
图4.1磁通交换器的原理图
由图4.1可知，磁通交换器由动铁芯、静铁芯、电磁线圈、弹簧、永磁体以及磁通交换器外壳等组成。
应用于智能脱扣器上的磁通变换器是一种利用永磁贮能的小型电磁执行元件，与传统的电磁机构不同，它靠永磁提供动铁芯保持力，而由弹簧力提供动铁芯操作力。
磁通变换器的设计要求是体积小、动作快、动作功率低、工作可靠性高。
采用静、动态二阶段优化设计可达到磁通变换器的优化设计目标。
实现磁通变换器的优化设计对提高智能断路器的性能，结构小型化和工作可靠性有重要作用。
总结与体会
通过本次课程设计，让我学会了很多，让我了解到智能脱扣器的系统组成，以及智能电器的模拟脱扣和数字脱扣的设计。
在一开始的设计上只有数字脱扣器，后来通过向老师请教，上网查资料，翻阅相关书籍了解到。
仅仅数字脱扣还是不够的，因为微处理器在上电初期要进行上电初始化，无法实现保护。
而模拟脱扣电路采用硬件比较器电路可以快速判断出断路器接通时出现短路的情况，并做出相应的动作进行保护。
同时在微处理器运行期间，模拟脱扣电路实现特大短路电流的判断，如果出现特大短路电流，微处理器没有来得及反应，则模拟脱扣电路可作出相应的判断和动作。
因此数字脱扣和模拟脱扣相结合，两者互补，增加了脱扣器的可靠性。
通过这次课程设计，还让我了解到了磁通交换器作为智能脱扣器的重要部件，对智能脱扣器的工作性能、结构小型化及可靠性有重要作用。
尽管这次设计中还有很多不足之处，但是这次课程设计让我收获很大，在此特别感谢老师对我在课程设计中的悉心指导和热情帮助，同时还要感谢各个学科的任课老师的教导。
附录
参考文献
1.邹积岩.智能电器.北京：
机械工业出版社，2006
2.王汝文，宋政湘，杨伟.电器智能化原理及应用.北京：
电子工业出版社，2003
3.王铭，张峰．智能脱扣器的设计及其保护特性的研究．电工技术杂志.2005，5．
4.许亚正．变压器及中低压网络数字式保护．北京：
中国水利水电出版社．2004．
5.王富东，王家善，邵光庆，唐春潮．智能化断路器的开发．低压电器．2002，2.
6.冯继锋．塑料外壳式断路器的发展．低压电器，2002，4
电气信息学院课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性（10%）
开发板焊接及其调试完成情况*（10%）
硬件设计或软件编程完成情况（20%）
硬件测试或软件调试结果*（10%）
设计说明书质量（20%）
答辩情况（10%）
完成任务情况（10%）
独立工作能力（10%）
出勤情况（10%）
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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