等級:湖南工程學院等級:課程設計課程名稱電器智能化原理及應用課題名稱智能脫扣器脫扣電路設計專業電氣工程及其自動化班級學號2010姓名指導教師2013年12月20日

湖南工程學院課程設計任務書課程名稱電器智能化原理及應用課題智能脫扣器脫扣電路設計專業班級學生姓名學號指導老師審批任務書下達日期2013年12月8日任務完成日期2013年12月20日設計內容與設計要求設計內容：1.設計出智能脫扣器的脫扣電路。2．具有模擬脫扣和數字脫扣功能。設計要求：給出整體設計框圖，畫出整機原理圖；給出具體設計思路，畫出電路圖；執行元件采用磁通變換器；增加抗干擾措施；編寫設計說明書；主要設計條件1．提供實驗箱一臺；2．必要的元器件和導線等；3．計算機。說明書格式課程設計封面；任務書；說明書目錄；設計總體思路，基本原理和框圖；電路設計；編寫設計說明書；總結與體會；附錄；參考文獻；整機原理圖。進度安排十五周星期一：下達設計任務書，介紹課題內容與要求；十五周星期一——十五周星期五：查找資料，確定設計方案，畫出草圖。十六周星期一上午——十六周星期二：電路設計，打印出圖紙。十六周星期三：書寫設計報告；十六周星期四：書寫設計報告；十六周星期五：答辯。參考文獻1.曹金根，金佩琪.低壓電器與低壓開關柜.北京：人民郵電出版社20012.周茂祥主編.低壓電器設計手冊.北京：機械工業出版社，19923.王汝文，宋政湘，揚偉.電器智能化原理及應用.北京：電子工業出版社，20034．孫傳友，孫曉斌，漢澤西等.測控系統原理與設計.北京:航空航天大學出版社，20025．鄒積巖.智能電器.北京:機械工業出版社，20066．KlausKosack著,胡明忠,胡沫非譯.SIEMENS低壓開關電器和開關設備手冊.北京:機械工業出版社,19997．白同云,呂曉德.電磁兼容設計.北京：北京郵電大學出版社，20018．《低壓電器》、《電工技術雜志》等雜志目錄TOC\o"1-3"\h\u25503第1章緒論 -1-313641.1引言 -1-134801.2脫扣器概述 -1-242501.3智能脫扣器的發展 -2-61991.3.1脫扣器現狀 -2-166581.3.2智能脫扣器發展趨勢 -3-4410第2章智能脫扣器的整體設計 -4-83322.1智能脫扣器的設計原理 -4-49662.2智能脫扣器的工作原理 -5-142932.3智能脫扣器組成 -5-30018第3章智能脫扣器的脫扣電路設計 -7-60783.1模擬脫扣電路 -7-202773.2數字脫扣電路 -9-32386第4章磁通變換器的功能及結構 -11-6195總結與體會 -13-6725附錄 -14-5324參考文獻 -15-13-緒論1.1引言隨著人們對電力的需求日益增加，對電能質量的要求日益提高。近年來，我國電力系統及電力設備行業得到了長足的發展。伴隨著計算機技術及信息技術的飛速發展，開關電器領域正經歷新一輪的更新換代，新概念電器層出不窮。其中最能代表時代發展的、也是發展最為迅速的是智能化電器。產品逐漸趨于智能化、模塊化、組合化，將不同功能的模塊按不同的需求組合，是當今低壓電器產品的發展趨勢。智能型脫扣器由于采用了計算機技術、數字處理技術、控制理論、傳感技術與通訊技術等，使其功能更趨完善。除實現了各種保護功能外，還有監察顯示功能、故障記錄功能、通訊等各種輔助功能，現已在配電系統中得到了廣泛的應用。1.2脫扣器概述早期的脫扣器為電磁式的，其工作原理是利用雙金屬片在流過電流時發熱變形而使脫扣器動作，這類脫扣器制造調整困難，精度低和可靠性差。60年代，美國開始研制電子脫扣器，并應用于低壓斷路器。電子脫扣器具有保護功能多、延時精度高、選擇性好、整定范圍大和返回系數高等特點。此外還可以增加接地保護，過載保護功能，使低壓電器的保護特性更完善，性能得到了提高。此后國外先進工業國家相繼開發出多種電子脫扣器，從分立元件、集成電路發展到利用微型計算機技術的智能脫扣器。我國的智能脫扣器研究起步較晚，但在科技人員的不懈努力下已取得很大成績，開發出了多種產品并形成了系列化，在功能上也已達到了一定水平。傳統的斷路器保護功能是通過脫扣器中機械系統的動作來實現的，其效果也不夠理想。為了防止用電設備故障以及在供電網絡出現異常時損壞用電設備，在傳統斷路器的基礎上逐步開發出更可靠和更具保護性能的斷路器。隨著微電子技術的發展，集成電路的出現，大大縮小了普通電子電路的體積，因而出現了以專用集成電路為基礎的多功能脫扣器，從而促進了多功能斷路器的發展。同時微型計算機技術的發展也為低壓電器的智能化提供了條件。智能脫扣器是智能斷路器的核心部件，它不僅能夠提供普通斷路器的各種保護功能，還能實時顯示電路中的各種參數(電流、電壓、功率、功率因數等)，以及和PC機進行通信等功能。1.3智能脫扣器的發展1.3.1脫扣器現狀脫扣器是斷路器發展而發展。我國90年代前脫扣器產品以電磁式和熱式為主，有少量電子式和智能化脫扣器產品。而國外脫扣器電子化和智能化研究和制造方面則走前面，現大約領先我國5～10年。智能化脫扣器能使斷路器具有更強大功能。我國新研制開發DW45系列等產品脫扣器已具有與工控機、PLC等通訊功能，能提供開關狀態、三相電流、電壓、功率因數、有功功率等參數。通信化方面，各國都比較重視采用比較成熟現場總線技術。我國當前主要采用FCS現場總線系統。智能化脫扣器可實現過電流，電壓和分勵等傳統脫扣器功能。硬件上，微處理器模塊、輔助功能模塊和執行單元都可以是相同，對電流和電信號處理、顯示等不同，可以軟件設計里實現。另外，過電流保護功能需要配置過電流信號檢測單元，而電壓保護則需配置電源、整波濾波、穩壓、欠壓延時等單元，分勵功能只須增加一個開關即可。1.3.2智能脫扣器發展趨勢國內外電器廠商已推向市場新產品和研究動態來看，智能脫扣器具有以下發展趨勢：1.智能化脫扣器產品化：即將智能脫扣器做成相對斷路器獨立通用性產品，使其使用范圍限于某種斷路器，脫扣器檢測和維修也會相對簡單。以前斷路器產品測試必須斷路器整個設備裝配完成后才能進行，而脫扣器產品化以后，其測試可以獨立于斷路器進行，這使整個斷路器測試程序大為簡化，而測試時間也大為減少。脫扣器電子化：半導體集成技術，微電子和計算機技術迅猛發展，智能脫扣器控制能力越來越強，將從常規電壓、電流、功率等電參數智能化檢測與控制，發展到對諸如觸頭材料磨損量，滅弧室溫升等非電參數檢測與控制等方面。智能化和可通信化：智能化與電子化最大區別就是其采用了微處理器。具有應用軟件，這樣硬件不變情況下具備較大適用性和升級能力，可通信化是脫扣器產品中加入相關檢測、判斷和通信等芯片或電路，使脫扣器各種狀態和工作參數能較好傳輸媒質(如現場總線、串口線等)與線路上其它電氣設備進行信息交流，以適應當前電氣設備智能化及網絡化發展趨勢，而采用現場總線則使技術上有了較統一標準，也使脫扣器測試、檢測和維修等有了更多參考數據。電氣產品檢測、工作電路集成化芯片化也是當前趨勢。

第2章智能脫扣器的整體設計2.1智能脫扣器的設計原理低壓斷路器在供配電系統中的主要作用是對線路中的過載、短路、接地等故障進行保護，它通過檢測單元獲取主線路中的電流、電壓信號，經脫扣器的邏輯控制單元分析判斷后發出信號控制斷路器的動作。斷路器的動作與否和斷路器的動作時間取決于脫扣器的控制線號。智能脫扣器的設計也是基于這個原理，但邏輯控制單元由高性能的單片機及其外圍電子電路組成、檢測單元由空心互感器和信號處理電路組成。其原理框圖如下：電流互感器電流互感器信號處理操作機構執行輸出驅動電路閥值設定瞬時檢測模擬脫扣隔離電路A/D轉換邏輯運算脫扣信號輸出圖2.1智能脫扣器原理框圖2.2智能脫扣器的工作原理主線路上的空心電流互感器檢測供電線路中的電流并將其轉換成數字信號和單片機可處理的電平信號，經隔離后進入采樣和保持電路，經濾波、放大等處理后送入微處理器，微處理器內帶A/D轉換單元將模擬量信號轉換成數字量信號，供CPU進行邏輯運算與處理；各種故障保護的動作電流和時間的整定值通過鍵盤設定并存于EEPROM中；CPU將檢測到的電流信號與整定值比較，判斷是否脫口。若脫口，則發控制信號和警報信號，顯示故障電流和故障類型，否則，脫扣器刷新顯示，并進行自我診斷和檢測。2.3智能脫扣器組成本設計的智能脫扣器采用單片機作為主控單元，使其控制其它外圍電路來實現各種功能。硬件設計的總體思路是:智能脫扣器通過互感器將主電路的電壓、電流信號轉換成模擬電路可以處理的電平信號:將信號轉換成單片機可處理的直流電壓信號;中央處理單元則對這些信號進行采樣、模數轉換、運算和處理，運算結果和整定值比較后輸出符合預設保護特性的電平信號，這些信號經放大后可直接驅動脫扣器的執行機構動作。此外，還應設計模擬電路以使電路出現短路電流時，脫扣器能瞬時動作。硬件電路主要包括以下幾個部分，如圖3.1所示:單片機模塊單片機模塊電流檢測模塊模擬脫扣模塊脫扣輸出模塊人機交互模塊磁通變換器通訊模塊圖2.2智能脫扣器系統框圖智能脫扣器主要由模擬脫扣模塊、電流檢測模塊、STC12C5A60S2單片機、人機交互模塊和脫扣輸出模塊、磁通變換器和通訊模塊七大部分組成。邏輯控制單元由高性能的單片機及其外圍電子電路組成。在工作時，智能化脫扣器通過空心電流互感器將主線路的電壓、電流信號轉換成模擬電路可處理的電平信號，信號處理單元則對這些信號濾波和采樣；采樣信號單片機內部的模數轉換模塊(A／D)轉換成數字信號；CPU根據這些信號進行邏輯運算和處理，運算結果與整定值比較后輸出符合預設保護特性的邏輯電平信號，這些信號經放大后可直接驅動斷路器的執行機構使斷路器動作。各種故障保護的動作電流和時間整定值通過人機交互模塊的鍵盤設定。預先存儲在EEPROM中，并可以在應用中隨時進行修改。脫扣器所需的信號由空芯互感器提供。采樣信號的準確度直接影響脫扣器的保護和顯示精度。傳統鐵芯互感器線性度小，當出現大電流時，其二次輸出與一次電流不成線性關系，造成欠保護及顯示與實際電流值不符。本設計采用空芯互感器，具有寬范圍的線性度，可保證脫扣器實時處理、顯示線路中的各種情況。

第3章智能脫扣器的脫扣電路設計智能化脫扣器脫扣電路的結構在微處理器脫扣控制電路的基礎上，加入了模擬脫扣電路，作為后備保護。模擬脫扣電路用于系統上電初期的短路電流保護和系統運行期間特大短路電流的保護。3.1模擬脫扣電路微處理器在上電初期要進行上電初始化，無法實現保護。模擬脫扣電路采用硬件比較器電路可以快速判斷出斷路器接通時出現短路的情況，并做出相應的動作進行保護。在微處理器運行期間，模擬脫扣電路實現特大短路電流的判斷，如果出現特大短路電流，微處理器沒有來得及反應，則模擬脫扣電路可作出相應的判斷和動作。因此數字脫扣和模擬脫扣相結合，兩者互補，增加了脫扣器的可靠性。模擬脫扣電路采用比較器鑒幅電路來實現，每一相使用一個比較器來完成。如圖3.1所示：圖3.1模擬脫扣電路的結構圖采用上述比較器鑒幅電路，在實際系統運行中由于干擾的存在，比較器的輸出會出現一些不必要的窄脈沖，如果直接接單穩態觸發電路，會產生誤動作。為了消除干擾，在比較器的輸出端加了脈寬檢測電路，該電路由一個555器件組成，輸出接由另一個555器件構成的單穩態觸發電路。如圖3.2所示。脈寬檢測電路的工作原理如下：UTRIP、UTH、UQ、UOUT表示圖中各個結點。UTRIP來自電壓比較器并聯的輸出端。在正常情況下，比較器輸出高阻，此時圖中NPN三極管導通，UTH被三極管嵌位在其飽和電壓0．3V以下，UQ輸出高電平。當電流越限或單片機發出脫扣指令，比較器輸出將把UTRIP拉低，則NPN三極管截止，此時接UTH的電容通過電阻R5、R6開始充電，UTH電壓升高。如果UTRIP低脈沖保持一定的寬度，UTH隨著電容充電上升并達到2／3Vcc，則UQ輸出低電平，觸發其后由個555器件構成的單穩態電路，UOUT輸出一個一定寬度的脈沖。由電路的工作波形可知，由于電容充電需要一定的時間，因此該脈寬檢測電路只有在UTRIP輸出低脈沖寬度保持一定的時間才能使UOUT觸發。如果UTRIP的脈沖過窄，UTH電壓達不到2／3Vcc，則UOUT不會觸發，因此通過該電路可以消除前級比較器出現的干擾問題。上述電容充電使UTH電壓上升到2／3Vcc的時間為T0，設充電電阻為R，電容為C，則T0≈ln3RC≈1.1RC(1)充電電阻由R5和R6串聯而成。即R＝(R5+R6)。單穩態觸發電路的輸出OUT的寬度T1。T1≈1．1RC(2)其中R、C為相應的充電電阻值和電容值。上述電路中的電容電阻值根據實際比較器輸出脈沖的情況適當的取值。圖3.2脈寬檢測與單穩態觸發電路3.2數字脫扣電路電流互感器將主線路的電壓、電流信號轉換成模擬電路可處理的電平信號，信號處理單元則對這些信號濾波和采樣；采樣信號單片機內部的模數轉換模塊(A／D)轉換成數字信號；CPU根據這些信號進行邏輯運算和處理，運算結果與整定值比較后輸出符合預設保護特性的邏輯電平信號，這些信號經放大后可直接驅動斷路器的執行機構使斷路器動作。各種故障保護的動作電流和時間整定值通過人機交互模塊的鍵盤設定。預先存儲在EEPROM中，并可以在應用中隨時進行修改。脫扣器所需的信號由空芯互感器提供。采樣信號的準確度直接影響脫扣器的保護和顯示精度。傳統鐵芯互感器線性度小，當出現大電流時，其二次輸出與一次電流不成線性關系，造成欠保護及顯示與實際電流值不符。本設計采用空芯互感器，具有寬范圍的線性度，可保證脫扣器實時處理、顯示線路中的各種情況。圖3.3數字脫扣電路如圖所示，單片機控制信號是由單片機直接輸出的，所以可以不經過脈寬檢測電路直接接到單穩態輸入端，然后驅動磁通變換器工作，實現脫扣功能。

第4章磁通變換器的功能及結構智能脫扣器已廣泛應用于低壓斷路器，而磁通變換器(FluxTransferTrip)作為智能脫扣器的重要部件，對智能脫扣器的工作性能、結構小型化及可靠性有重要作用。低壓斷路器智能脫扣器的執行元件采用特殊的磁通變換器，因為它由電流互感器通過電容器來供電，故要求磁通變換器動作靈敏、功耗低。磁通變換器是一種小型儲能式脫扣裝置，由于利用了永磁存儲的能量，所以僅需很小的功率脈沖即可使其動作，圖4.1為工作原理圖。永久磁鐵產生的磁通Φr及對應的吸力使動鐵芯處于吸持位置，而當電流i通過線圈產生的磁通Φ抵消了Φr時，就可使動鐵芯在彈簧力Fs作用下動作，故其與一般電磁機構的動作原理不同，它是靠永磁產生的力使變換器處于釋放位置，而依靠彈簧力使其動作，推動斷路器的脫扣鉤。圖4.1磁通交換器的原理圖由圖4.1可知，磁通交換器由動鐵芯、靜鐵芯、電磁線圈、彈簧、永磁體以及磁通交換器外殼等組成。應用于智能脫扣器上的磁通變換器是一種利用永磁貯能的小型電磁執行元件，與傳統的電磁機構不同，它靠永磁提供動鐵芯保持力，而由彈簧力提供動鐵芯操作力。磁通變換器的設計要求是體積小、動作快、動作功率低、工作可靠性高。采用靜、動態二階段優化設計可達到磁通變換器的優化設計目標。實現磁通變換器的優化設計對提高智能斷路器的性能，結構小型化和工作可靠性有重要作用。

總結與體會通過本次課程設計，讓我學會了很多，讓我了解到智能脫扣器的系統組成，以及智能電器的模擬脫扣和數字脫扣的設計。在一開始的設計上只有數字脫扣器，后來通過向老師請教，上網查資料，翻閱相關書籍了解到。僅僅數字脫扣還是不夠的，因為微處理器在上電初期要進行上電初始化，無法實現保護。而模擬脫扣電路采用硬件比較器電路可以快速判斷出斷路器接通時出現短路的情況，并做出相應的動作進行保護。同時在微處理器運行期間，模擬脫扣電路實現特大短路電流的判斷，如果出現特大短路電流，微處理器沒有來得及反應，則模擬脫扣電路可作出相應的判斷和動作。因此數字脫扣和模擬脫扣相結合，兩者互補，增加了脫扣器的可靠性。通過這次課程設計，還讓我了解到了磁通交換器作為智能脫扣器的重要部件，對智能脫扣器的工作性能、結構小型化及可靠性有重要作用。盡管這次設計中還有很多不足之處，但是這次課程設計讓我收獲很大，在此特別感謝老師對我在課程設計中的悉心指導和熱情幫助，同時還要感謝各個學科的任課老師的教導。

附錄

參考文獻1.鄒積巖.智能電器.北京：機械工業出版社，20062.王汝文，宋政湘，楊偉.電器智能化原理及應用.北京：電子工業出版社，20033.王銘，張峰．智能脫扣器的設計及其保護特性的研究．電工技術雜志.2005，5．4.許亞正．變壓器及中低壓網絡數字式保護．北京：中國水利水電出版社．2004．5.王富東，王家善，邵光慶，唐春潮．智能化斷路器的開發．低壓電器．2002，2.6.馮繼鋒．塑料外殼式斷路器的發展．低壓電器，2002，4電氣信息學院課程設計評分表項目評價優良中及格差設計方案合理性與創造性（10%）開發板焊接及其調試完成情況*（10%）硬件設計或軟件編程完成情況（20%）硬件測試或軟件調試結果*(10%)設計說明書質量(20%)答辯情況(10%)完成任務情況(10%)獨立工作能力(10%)出勤情況(10%)綜合評分指導教師簽名：________________日期：________________注：=1\*GB3①表中標*號項目是硬件制作或軟件編程類課題必填內容；=2\*GB3②此表裝訂在課程設計說明書的最后一頁。課程設計說明書裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、評分表、附件（非16K大小的圖紙及程序清單）。基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式以太網防盜報警系統基于51單片機的嵌入式Internet系統的設計與實現單片機監測系統在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現與應用單片機在高樓恒壓供水系統中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發HYPERLINK"/detail.ht