0 引言

    目前國內(nèi)家用單相保護(hù)器多為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，在異常情況排除后，需人工進(jìn)行合閘操作，自動(dòng)化程度較低。同時(shí)，當(dāng)中性線斷線、相線與中性線接反引起供電過壓或欠壓時(shí)^[2]，起到保護(hù)作用的斷路器卻因沒有實(shí)時(shí)電壓檢測而無法保護(hù)電氣設(shè)備，造成用戶損失。所以研究一種具備實(shí)時(shí)電壓監(jiān)測與自恢復(fù)功能的低壓保護(hù)器具有可觀的市場前景。

1 功能設(shè)計(jì)

    新型自恢復(fù)低壓保護(hù)器的模型如圖1所示，它利用過欠壓檢測電路實(shí)現(xiàn)入戶電壓實(shí)時(shí)采樣并通過快速有效值算法在嵌入式控制器計(jì)算出當(dāng)前電壓有效值，依此判斷是否需要自動(dòng)回復(fù)狀態(tài)。推桿位置檢測電路通過微動(dòng)開關(guān)獲取保護(hù)器當(dāng)前推桿的位置狀態(tài)，并配合改進(jìn)型H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而利用傳動(dòng)裝置推動(dòng)保護(hù)器分合閘。開關(guān)電源采用小功率設(shè)計(jì)，提供12 V和5 V兩種電壓。此裝置是對(duì)現(xiàn)有手動(dòng)機(jī)械式低壓斷路保護(hù)器的升級(jí)改造，通過與其并列安裝，利用搖臂直接提升自動(dòng)化能力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    裝置是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪組來帶動(dòng)保護(hù)器搖臂推桿完成分合閘操作。在圖2所示的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)中直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過三級(jí)齒輪的多方向嚙合完成轉(zhuǎn)動(dòng)平面的變換，并通過齒輪比實(shí)現(xiàn)變速。在內(nèi)部利用“半月形”齒輪內(nèi)咬合驅(qū)動(dòng)搖臂推桿，進(jìn)而帶動(dòng)保護(hù)器分合閘。為了能瞬時(shí)斷開線路，裝置內(nèi)安裝了脫扣機(jī)構(gòu)，利用小型電磁裝置實(shí)現(xiàn)線路異常時(shí)的聯(lián)動(dòng)斷開。

3 電路設(shè)計(jì)

    設(shè)備硬件按功能主要分為：小功率開關(guān)電源、核心控制單元、單相電壓檢測電路、位置檢測電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和通信接口等。

3.1 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

    由于設(shè)備尺寸較小，電源設(shè)計(jì)時(shí)選用了PI公司的TinySwitchⅢ集成開關(guān)電源芯片TNY276，以實(shí)現(xiàn)18 W以內(nèi)的小功率電源。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)高壓功率MOS管和電源控制器，具有較好的輸出特性。設(shè)計(jì)時(shí)，單相電輸入端通過2個(gè)壓敏電阻實(shí)現(xiàn)600 V內(nèi)瞬時(shí)高壓保護(hù)，經(jīng)整流后利用TNY276和開關(guān)變壓器構(gòu)成反激式開關(guān)電源，在次級(jí)利用穩(wěn)壓管、光耦器、電阻組成控制器的反饋電路，并將輸出電壓穩(wěn)壓在12 V，提供最大1.5 A電流。而各類芯片所需的5 V電壓則由后級(jí)78L05提供，具體電路如圖3所示。

3.2 核心控制單元

    核心控制單元采用飛思卡爾公司的Kinetis KE04微控制器，該芯片是一款A(yù)RM Cortex_M0+內(nèi)核的32位控制器，可在復(fù)雜電氣噪聲環(huán)境中保持較高穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)時(shí)，利用芯片內(nèi)部振蕩器和FLL模塊將內(nèi)核頻率設(shè)置為48 MHz，利用7個(gè)數(shù)字引腳讀取外圍開關(guān)量，同時(shí)芯片連接485總線通信接口、電機(jī)控制接口、指示燈接口等電路，完成手控操作、單相電壓檢測、預(yù)付費(fèi)信號(hào)檢測、脫扣電路控制等操作。

3.3 實(shí)時(shí)電壓檢測電路

    單相電壓檢測是自恢復(fù)功能的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)采用片內(nèi)直接采樣方法，在電路上單相電通過電阻分壓的方式將L和N相電壓加載至集成雙運(yùn)放MCP6002的VIN_A+、VIN_A-引腳?？紤]到電源具有隔離設(shè)計(jì)和前后級(jí)無法共地等情況，利用B路運(yùn)放結(jié)構(gòu)將降壓后的N相電壓維持在2.5 V左右，并提供與后級(jí)電路的共地基準(zhǔn)，電路結(jié)構(gòu)如圖4。

4 自恢復(fù)功能設(shè)計(jì)

    自恢復(fù)功能是通過判斷當(dāng)前電壓所在的區(qū)間，并控制電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械推桿而實(shí)現(xiàn)的。操作時(shí)先通過采樣電路獲得電壓樣本值，再利用快速有效值算法計(jì)算當(dāng)前相電壓并與過欠壓閾值進(jìn)行比較。若超過限定值則使能脫扣電路控制保護(hù)器分閘，反之可通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪組恢復(fù)合閘狀態(tài)，因而電壓有效值計(jì)算的速度與準(zhǔn)確性決定了斷路器自恢復(fù)功能的實(shí)時(shí)性和有效性。本文就快速有效值計(jì)算的方法及改進(jìn)措施進(jìn)行分析。

4.1 有效值計(jì)算方法分析

    假設(shè)瞬時(shí)輸入電壓為正弦交流信號(hào)：

    可見有效值與瞬時(shí)最大值有密切關(guān)系。若采用傳統(tǒng)的全周期采樣，在一周期內(nèi)可得到電壓最大值U_m，進(jìn)而利用式(2)可計(jì)算獲得有效值，但這種方式的數(shù)據(jù)精度與采樣間隔有較大關(guān)系，當(dāng)采樣過于稀疏時(shí)，在一周期內(nèi)獲得的采樣最大值并不準(zhǔn)確，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性降低，而要彌補(bǔ)這種缺陷就必須增加采樣點(diǎn)數(shù)，這樣就會(huì)犧牲處理時(shí)間，不適合實(shí)時(shí)性要求高或電壓瞬時(shí)波動(dòng)的場合^[4]。

4.2 快速有效值算法

    為了解決全周期采樣的局限性，使用了一種基于導(dǎo)數(shù)的有效值快速計(jì)算方法。對(duì)交流信號(hào)瞬時(shí)表達(dá)式(1)求導(dǎo)，得到：

    綜合式(4)、式(5)可見，采用該方法僅需2個(gè)采樣值即可計(jì)算出有效值，極大降低了系統(tǒng)處理時(shí)間，提高了實(shí)時(shí)性。但由于電網(wǎng)中存在較大的諧波分量，尤其是當(dāng)采樣值正好處在干擾處或處在峰值毗鄰的兩側(cè)時(shí)，這種連續(xù)2點(diǎn)采樣的計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大誤差。

4.3 算法改進(jìn)

    針對(duì)采樣位置可能引入的誤差，提出了改進(jìn)方法：采樣時(shí)，每次連續(xù)采樣至少3個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)u₁、u₂、u₃，并確保這些點(diǎn)處在同一單調(diào)區(qū)間內(nèi)，將u₁和u₂、u₂和u₃順序代入式(4)、式(5)，計(jì)算出2個(gè)電壓有效值，最后做簡單的算術(shù)平均濾波，以減少偶然誤差。為了獲得較好的抗干擾能力，也可以在圖4的采樣電路中增加前置濾波電路^[1]，或者采用多次計(jì)算平滑濾波的方式。

    在采樣頻率方面，需要對(duì)采樣周期Ts進(jìn)行限制，防止由于兩次采樣過近引起瞬時(shí)值導(dǎo)數(shù)u′=0。本例采樣電路中瞬時(shí)相電壓降壓在2.5 V左右，采集的模擬信號(hào)可表示為u=2.5sin100πt，使用片內(nèi)12位AD采樣后可得最小分辨率為(11位有效數(shù)值)，因而兩次相鄰的采樣值差要大于最小分辨值，即|2.5sin100πt-2.5sin100π(t+T_s)|>0.001 22，可得，T_s>1.55 μs。

    設(shè)定輸入電壓為220 V/50 Hz，采樣間隔100 μs，其在改進(jìn)算法下的計(jì)算結(jié)果如表1。

5 樣機(jī)測試與分析

    按照自恢復(fù)式過欠壓保護(hù)器報(bào)批標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測試時(shí)，主要檢驗(yàn)過欠壓動(dòng)作與自恢復(fù)功能的有效性。測試電路連接如圖5所示，其中TA是自耦變壓器，T為變壓器，D為樣機(jī)。測試樣品與機(jī)械式斷路器并列安裝，實(shí)物連接如圖6所示。

    進(jìn)行過壓動(dòng)作與恢復(fù)測試時(shí)，設(shè)置樣機(jī)D在斷路狀態(tài)且不連接負(fù)載，分別調(diào)節(jié)TA1和TA2，使T1輸出Ue，T2調(diào)節(jié)到增加的電壓值。先閉合K1、K3，斷開K2，對(duì)試品施加Ue，裝置合閘，然后閉合K2，觀察樣機(jī)動(dòng)作。重復(fù)上述步驟對(duì)表2規(guī)定的過壓動(dòng)作值進(jìn)行試驗(yàn)（在每一次操作之后，電壓恢復(fù)至Ue）。

    進(jìn)行欠壓動(dòng)作與恢復(fù)測試時(shí)，樣機(jī)D初始狀態(tài)處于閉合位置且不連接負(fù)載，調(diào)節(jié)自耦變壓器TA1和TA2，將T1輸出為0.70Ue，T2輸出0.15Ue。先閉合K1、K3，同時(shí)斷開K2，對(duì)試品施加0.70Ue電壓，要求試品D在5 s內(nèi)分閘鎖死。然后閉合K2，使試驗(yàn)電壓不間斷地提高到0.85Ue，測試樣機(jī)能否在20 s時(shí)間內(nèi)自動(dòng)復(fù)位合閘狀態(tài)。隨后重復(fù)上述操作調(diào)整T1輸出的電壓范圍從220 V~60 V變化，隨后加入T2電壓后恢復(fù)至195.5 V，觀測裝置能否恢復(fù)，其測試結(jié)構(gòu)如表3所示。

6 結(jié)論

    自恢復(fù)式單相過欠壓保護(hù)器通過對(duì)現(xiàn)有斷路器的改造，利用電控機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)了欠壓(60 V～160 V)和過壓(260 V～440 V)的斷路保護(hù)以及恢復(fù)功能，具有較高的自動(dòng)化分合恢復(fù)能力，為家用電網(wǎng)終端的智能化升級(jí)提供了一種有效的途徑。同時(shí)利用改進(jìn)的快速有效值計(jì)算，使得裝置對(duì)電壓的實(shí)時(shí)波動(dòng)較為敏感，其測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。目前該裝置已投入小批量生產(chǎn)，應(yīng)用于居民小區(qū)電網(wǎng)終端的改造與測試。

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作者信息:

李元熙1，2，楊國華1，2，鄒修國3

(1.江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 無錫214153；

2.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214153；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京210031)