智能脱扣器的结构原理

第一章智能脱扣器的结构原理

随着科学技术的不断进步，特别是电子技术、微电子技术、计算机、通信技术和电力工业自动化的飞速发展，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。塑料外壳式断路器中的智能型塑料外壳式断路器( 简称智能型断路器)的智能化优势在使用中越发突出。脱扣器作为一个部件，是电子式和智能型断路器的重要组成部分。由于脱扣器是控制器的执行部件，其性能对电子式和智能型断路器有着至关重要的作用。

智能脱扣器的主要由电源模块、电流检测调理单元、P89LPc938单片机、脱扣器检测和脱扣控制电路、I²C总线和通讯模块六大部分组成。工作时，电流互感器(空心线圈)采集三相电流和地线电流，送入整流电桥，通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，输出两路信号。一路是通过整流电桥对输入的交流信号进行滤波、转换，变成+15V直流电压，再通过7805电路和7103电路，对产生的直流电进行电压变换，产生+5V和+3V直流电源，分别给单片机和脱扣器检测电路供电。一路是从直流部分取样，通过LM324电路进行放大，并对放大信号进行取样和计算。从LM324电路放大后的取样信号，又输出两路信号。一路送往P89LPC938单片机的A／D转换器接口，单片机对信号进行数字转换、计算和判断；另一路送往Hc00和LM358电路组成的模拟脱扣检测电路，单片机将检测到的电流信号与整定值比较，判断是否脱扣，若脱扣则确定动作时间并发出控制信号及报警信号，将直接驱动脱扣电路发出跳闸信号。通过I² C总线8位远程I ／O扩展口芯片扩展了键盘接口，扩大了脱扣器整定量程，可以更大限度地对脱扣器的各种保护特性的参数进行设置和检验。提供标准RS485接口，实现与上位PC机通讯。

1.1 电源模块

智能控制器采用双电源供电，一路为自生电源，用电流互感器从主电路感应出电流，经过三相整流、滤波、稳压，输出+3V、+5 V、+15V电压，分别供单片机、电流电压采样电路及脱扣驱动机构工作，当线路电流不低于0．4倍额定电流值时，即可保证控制器的正常工作；另一路为辅助电源，选用宽电源输入的开关电源模块，不仅在主电源不能工作时提供电源，还可在断路器断开的情况下使智能脱扣器继续工作，如参数整定、状态显示和通信。同时在系统断电的情况下，我们用电池来维持单片机的低功耗状态。

1.2 电流检测调理单元

电流检测调理单元由采样电阻、整流滤波、放大电路组成。其主要功能包括对信号进行低通滤波、跟随、放大、带通滤波4个环节，这样能够去掉大部分干扰信号。采样信号通过LM324电路进行放大，然后对放大信号进行取样和计算。最后，将取样电流信号送到单片机A／D采样通道口，以使系统进行数据AD转换。

1.3 微处理器单元

单片机以其高性价比和可靠性成为智能化断路器智能控制系统的首选。微处理器单元由高性能的自带A/D 转换、看门狗监视器、I2C 串行总线和高速输入输出通道、通讯接口和标准的JTAG 程序烧写口的单片机及其外围电子电路组成。配以优化的软件, 组成的单片机控制系统所需外围元件少, 使得设计简单, 布线方便, 而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大的提高。

各交流量分别经信号输入回路、低通滤波器送到CPU 控制的多路开关, 经模数转换后, 由DB 数据总线送到数据存储器（RAM）。CPU 通过调用程序存储器（EPROM）中的程序对采集的数据进行计算, 其计算结果与存放在电可擦存储器（E2PROM）中的整定值进行比较, 作出相应的故障判断处理。再通过输入输出端口（I/O）将处理信号送到相应外设（信号与出口）发出报警信号, 或执行跳闸。微处理单元除了要完成整个系统的测量、保护、逻辑等功能外, 还具有自我故障诊断和监察的能力,当断路器本身发生故障或环境温度超过允许范围时, 能发出相应的信号显示或报警, 同时重新起动。自诊断的项目主要有EPROM出错、A/D 转换出错、环境超温、CT 断线、跳闸线圈断线、断路器拒动及触头维护。微处理单元的自诊断功能不仅大大提高了断路器的运行可靠性, 更给后期维修、故障判断工作提供了极大的方便。

1．4 脱扣器检测和脱扣控制电路

主要任务是实时检测和显示三相电路的电流、电压等参数，同时判断电流是否大于所设定的故障电流值而决定是否发出脱扣控制信号，并实时处理过载、短路、接地故障等故障信号，按保护特性要求延时或瞬时控制执行元件分断断路器，从而达到保护的目的。本设计采用过载长延时(反时限)、短路短延时(反时限+定时限)、短路瞬动三段保护，各种故障保护的电流整定值和动作时间可通过键盘设定，并存储在单片机的EEPROM中。单片机将检测到的电流值与这些整定值相比较，判断阈值是否脱扣，在A／D中断模块的每一个中断中执行瞬动保护子

程序，若超过设定的瞬动阈值，即脱扣；若未超过阈值，则继续采样。若脱扣，则先确定动作时间，再发出控制信号，同时显示故障电流、故障类型和动作时间；否则，刷新显示。为保证断路器的可靠动作，还提供模拟脱扣方式，当故障信号超过规定值时，不经过单片机的检测而直接使断路器脱扣。

1.5 显示和键盘单元

在智能化设备中, 不仅要实现自动控制, 还要能把相关信息传递给操作运行人员, 还要能够接受外部输入并做出响应。良好的用户界面是人机对话所不可缺少的, 灵活的键盘管理及直观的信息显示给用户提供了极大的便利。通过液晶屏或发光管能够适时显示各种状态和负载的参数值及故障电流、故障类型和保护动作、试验整定情况, 结合按键还可以进行保护的整定、预警值的设定、开关的试验和各种功能的检测。

1．6 通信模块

通过RS一485／RS一422收发器模块MAx3082E，脱扣器能与上位PC机进行Rs485通信，将脱扣器设置的参数、检测的电流情况、记录的重要事件等传送到上位PC机。同时，上位PC机可通过RS485通信对断路器进行遥控(断路器分、合闸)、遥测、遥调(调整保护整定值)、遥信的“四遥”功能。

第二章分析电磁干扰源