1000A智能型万能式断路器设计

《1000A智能型万能式断路器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1000A智能型万能式断路器设计（48页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、毕业论文题目：1000A智能型万能式断路器设计学院：电气信息学院专业：电气工程及其自动化班级：1101学号：2011XXXXXXX学生姓名：XXXXXX导师姓名：梁锦完成日期：2015年6月15日诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名：日期：年月日閤甫2和垮篦毕业设计（论文）任务书题目1000A智能型万能式断路器设计

2、姓名XXX学院电气信息学院专业电气工程及其自动化班级XXX学号2011XXXXX指导老师梁锦职称副教授教研室主任谢卫才一、基本任务及要求：1.断路器整体结构设计。2.智能脱扣器设计，这一部分是重点，包括互感器设计计算，参量采样，输出模块设计，硬件设计，软件设计等。3.电磁兼容设计。4.各功能模块的配合，全部器件的装配。进度安排及完成时间：3月5日至3月16日：杳阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月18日至3月30日毕业实习4月1日至4月10日：总体方案的确定4月11日至5月5日:硬件系统的设计5月6日至5月20日：软件设计5月21日至6月8日：撰写毕业设计说明书（论文）6月9日至6月12日：

3、修改、装订毕业设计说明书（论文）6月13日至6月18日毕业设计答辩目录摘要.IABSTRACT.:II第1章概述.11.1 智能型万能式断路器开发的目的与意义.11.2 智能脱扣器的发展.1课题主要研究内容2第2章方案设计及断路器保护功能.32.1.1 方案的总体设计.3智能监控单元3系统总方案的设计31.2.1 电压电流测量方法的选择.4交流电参数的定义.4采样定理.61.2.2 同步采样法在交流测量中的应用.7同步采样定义.7同步采样计算公式.7万能式断路器.8断路器零部件的设计.8断路器的保护功能.12第3章硬件电路设计.153.1.1 单片机的选择.15主控单元的确定.153.1 智能

4、脱扣器电源173.2 智能脱扣器电路.173.4.1 数据采集.19信号采样、处理电路193.5.1 A/D转换电路21ADC0809简要介绍21ADC0809与单片机的接口电路233.3 键盘、显示接口电路.243.7.1 8051与PC通讯接口电路26RS-232-C接口标准27RS-232-C传输接口电路的设计27报警电路28智能脱扣器硬件功能模块介绍.29输入模块29中央控制模块29开关量输出模块29通信模块29第4章软件设计.30软件系统总流程图.33主检测子程序.34通讯中断服务子程序.34键盘中断服务子程序.35各参数测量子程序.37测电压、电流子程序.374.5.4测功率子程序

5、.38电流保护、报警、显示子程序.38电流保护程序.38报警子程序.39显示子程序.394.8单片机系统调试.39智能电器监控单元的电磁兼容性设计.414.9.1电磁兼容性的基本概念和电磁干扰的传播途径41监控单元硬件的电磁兼容性设计42电磁兼容的试验目的.44设计总结.45参考文献.46致谢.47附录:.48附录一：主要元器件明细表.48附录二：总电路图.491000A智能型万能式断路器设计摘要：本们这次主要设计的主要核心智能控制单元。该单元能自动识别断路器在工作中的状态，针对不同的状态自动调整断路器的操动机构来实现预计的开断特性，记录和显示断路器的工作状态。系统以INTELMCS-51系列

6、8051单片机为核心，通过传感器对电参数进行检测，并进行数据采集，由单片机将数据送到主机进行处理与设定值进行比较。通过检测供电线路中的电流（电压）并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号，信号经选相、采样、比较等处理后送入微处理器，微处理器内带的A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，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串行中央处理单元中，CPU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，显示故障；否则脱扣器刷新显示。关键词：智能型万能式断路器智能脱扣器8051单片机传感器电磁兼容性Designo

7、f1000AintelligentuniversalcircuitbreakerABSTRACT:Thismaincoreofthemaindesignofthecoreintelligentcontrolunit.Theunitcanautomaticidentificationcircuitbreakerintheworkstate,inviewofthedifferentstateautomaticadjustmentcircuitbreakeractuatortoachieveexpectedbreakingcharacteristic,recordanddisplaytheopera

8、tingstateofthecircuitbreaker.SystemwithIntelMCS-51series8051MCUasthecore,throughthesensorofelectricalparametersweredetectedanddataacquisition,iscomposedofasinglechipmicrocomputerthedatasenttothehostcomputerforprocessingandcompareittothesetvalue.Throughthecurrentandvoltagedetectionofpowersupplylinean

9、dtheconversionfordigitalcircuitandasinglechipcanhandlethesignallevel,signalselectedphase,sampling,comparisonofevacuationinasubtlewayprocessor,microprocessorwitha/Dconversionunitconvertstheanalogsignaltodigitalsignal,fortheCPUoflogicoperationandprocessing.Faultprotectionactioncurrentandtimesettingval

10、uesetbykeyboardcoexistinserialcentralprocessingunit,CPUwillbedetectedcurrentsignalincomparisonwiththesettingvalue,todeterminewhetherthetrip,ifthetripistodeterminetheactiontimeandsendoutthecontrolsignalandalarmsignalanddisplayoffault;otherwisereleaserefreshdisplay.Keywords:8051SingleChipMicrocomputer

11、IntelligentuniversalcircuitbreakerIntelligentreleaseSensorElectromagneticcompatibility第1章概述1.1智能型万能式断路器开发的目的与意义随着电力需求的增加，电能质量需求的日益增加。近年来，中国的电力系统和电力设备行业有了很大的发展。随着信息技术的快速发展，开关电器也经历了新一轮的升级。随着国家智能电网建设的发展，智能型万能式断路器将广泛应用于低压供配电系统作为主保护开关。智能断路器是万能式和塑料外壳式两类。也有一些特殊用途的断路器，如真空断路器，六氟化硫断路器等。智能型万能式断路器适用于交流50Hz，额定电压

12、380V（660V），在配电网200A-6300A额定电流。与传统的电路断路器的断路器相比，具有其自身的优势。多重保护功能、长延时、瞬时、短延时和故障（包括序电流和剩余电流保护）保护、分别、实现过载、短路时间延迟、大短路瞬时动作电流和接地故障保护，保护灵敏度高，易于调整各种参数，容易满足的分布线路保护的要求。此外，它具有分级保护的功能，并有较好的选择性作用的表现。1.2智能脱扣器的发展第一代的脱扣器电磁式过电流脱扣器，释放功能简单，精度低，对热继电器动作单元，依靠双金属片受热弯曲变形的跳闸信号，电流或机械通过双金属片的影响，易产生永久变形，释放工作不稳定。第二代电子脱扣器出现在上世纪70年代使

13、用的充电和放电的调节作用时间的电阻电容电路的第二代脱扣装置，通过调节电位器设定电流整定值的作用，在很大程度上提升了断路器的保护特性，但作用时间设定精度不高，没有监控，显示和网络通信功能。第三代脱扣装置出现在上世纪80年代末到90年代初。它不仅具有第二代断路器的保护功能，还增加了显示，网络通信功能，用户可以通过遥控脱扣装置的网络通信功能的手段。由于微处理器在发布应用程序，释放更多的智能，释放功能也越来越强大，它可以实时显示电路中的各种参数；可以监控，设定和修改各种保护功能的参数；也可以节省电路故障值。第四代脱扣器仍处于早期发展阶段。的一个显著特点是第四代发布网络，可以实现单主机和释放网络通信功能

14、。在第四代发行国外研究起步较早，他们第四代版本应用于电力，石油和化学工业。万能式断路器智能控制器将在世界上在以下方向发展。1. 基于现场总线技术的通信功能2. 嵌入式Web服务器，可以实现互联网/内联网在现场网络功能3电能质量监测功能1.3课题主要研究内容根据我们专业的特点和我们的实际动手能力，我们针对当前我圉的断路器发展状况及今后的社会需求，我们对智能型万能式断路器进行设计，其主要任务要求如下：1. 断路器整体结构。2. 智能脱扣器，这一部分是重点，包括互感器设计计算，参量采样，输出模块设计,硬件设计，软件设计等。3电磁兼容设计。4.各功能模块的配合，全部器件的装配。第2章方案设计及断路器保

15、护功能2.1方案的总体设计2.1.1智能监控单元根据智能断路器的基本原理，我们设计的主要核心智能控制单元，该单位可以在工作状态自动识别断路器，在不同的状态自动调整断路器操动机构为了达到预期的断裂特征，记录并显示断路器的当前运行状态，并与远程主机通信。1智能断路器操作的核心是断路器可以自动根据操作条件来实现优化运行调整的开断性能。智能操作的实现将是未来断路器发展的必然趋势，提高运行的可靠性，并延长断路器的寿命，这无疑具有较高的经济效益。实际操作经验和设计表明断路器运动特性对其性能有重要的影响，所以断路器的性能可以通过调整断路器运动特性的改变。2.智能控制单元的基本功能：（1）对断路器的工作状态自

16、动识别：对断路器工作状态的准确识别是实现智能操作的前提。过电流，过载电流，小容性电流和小电感电流。（2）自动调整断路器的操作机构：这是控制单元的核心功能。因此必须对控制单元识别中的断路器在确定的运行机制的基础上，相应调整工作状态。（3）记录并显示断路器的工作状态：由于断路器在大部分运行时间是不动作的。在此期间，该单位的任务是断路器的工作状态，要不断监测，同时，还应记录每次关闭断路器，包括开断电流大小，断裂类型和是否拒绝或拒绝这样的信息。短路也应该记录短路电流的变化过程，以便于事故分析及断路器维护电力部门，而且通过断路器累计切断电流的大小来表示断路器触头侵蚀情况。PC（4）具有通信功能与远程主机

17、：控制单元可以根据主机的断路器的开断传输给机记录的要求，与PC机通过操作命令和保护传输参数配置信息。2.1.2系统总方案的设计智能操作断路器的工作原理和整个操作过程：自适应控制单元（即智能控制单元）不断从电力系统中采集某些信息。从而判断断路器的当前工作状态，同时处于操作的准备状态。当变电站控制室由于系统故障，通过继电保护装置为分闸信号或正常运行操作的断路器发出命令，根据一定的算法得出的值与相应的断路器操作机构的工作状态是由于最佳状态的控制单元对应，并且驱动机构使操作机构调整状态，从而达到优化运行。显然，自适应控制单元是断路器的核心部件智能操作模拟量输入采样电路图2-1系统框图2.2电压电流测量

18、方法的选择2.2.1交流电参数的定义远程终端装置可用来测量单、三相(三线、四线)交流电路中的电流、电压功率等参量。为了衡量交流电做功的平均效果，工程实际中采用有效值。有效值是根据周期电流的热效应与一个恒定直流电流的热效应进行比较后定义的。在工程上常用到的交流电压、交流电流的大小都是指它们的有效值而言2.2.1.1周期交流电流有效值定义根据电工理论基础可知，电流有效值是指在一个周期内，交流电流通过纯电阻负载所产生的热量与一个直流电流在同一个纯电阻负载上产生的热量相等时，该直流电流的数值就是交流电流的有效值。根据焦耳一楞次定律，对于交流电，如果通过电阻R的电流i(t)，则它可在一个周期的时间T内的

19、发热量为：T2Q=0.24況JR(t)dt(2-1)对于直流电，在同一周期内，若通过电阻R的电流是I，则它在一个周期时间T内的发热量为：Q=0.24|2RT(2-2)如果交流电流与直流电流的发热量相等即QQ，就可得到交流电流有效值表达式为：(2-3)卡小2(皿i(t)交流电流的瞬时值(i)，则有效值为：I=JT(lisint+屮)dt2Im如果周期电流为正弦交流信号，即i(t)Imsin(2-4)如果周期电流含有多个正弦分量，即i(t)=Tkmsin(kt宀)，则有效值为:(2-5)I二Ji送【Ikmsin2(kcot+屮Qdt1Tk4Ikm交流电流第k次谐波峰值n最高次谐波次数2.2.1.2

20、周期交流电压有效值的定义周期交流电压有效值的定义与周期交流电流有效值的定义相类似，电压有效值是指在一个周期内，通过某纯电阻负载所产生的热量与一个直流电压在同一个纯电阻负载上产生的热量相等时，该直流电压的数值就是交流电压的有效值。周期交流电压有效值表达式为：(2-6)u(t)交流电压的瞬时值如果周期电流为正弦交流信号，即u(t)=Umsin(t宀)，则有效值为：UU；sint+屮)dt=Jju；=Um(2-7)n如果周期电流含有多个正弦分量，即u(t)=7Ukmsin(ktf)，则有效值为：km(2-8)1nT22u=寸匚瓦0UkmSin(k銚十屮k)dt=.TkdUkm交流电压第k次谐波峰值n

21、最高次谐波次数2.2.1.3频率(f)的计算在求功率是，根据相关资料，选择三点法算。所以我们必须先求出输出频率是多少,三点法是一种建立在三角函数变换基础上的数据拟合方法。假设被测函数是正弦函数，在等间隔采样的前提下可以利用相邻3个数据样本，导出求解信号频率的线性方程，进而拟合出方程系数，最终求出频率，推导如下。(2-9)设信号为u(t)=UmSin(t)，若则u(t)=Umsin若设2f，其中FS为米样频率，则有FsFs(2-10)(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)22兀相邻的3个数据样本可表示为Ui=Umsin：iUi1=UmSin(：i旳Ui2二UmSin(：i2旳使用三角变

22、换，有uiui2=UmSin：isin(：i2)I-2Umsin(：iv)cosv-2uidcosvU+U上所以：COSVi2Ui+令x(n)=2uii,y(n)二5山.2则得到y(n)=x(n)*cosvf=旦arccos(2_15)2二这就是我们所需要的线性方程。这里有n个方程，只有一个未知数cos用最小二乘法拟合可以得到一个较准确的斜率cosv，进而求出频率。2.2.2采样定理采样定理指出，在一定的条件下一个连续的时间信号完全可由该信号在等时间间隔点的样木值来表示，并且可以用这些样本值把该信号全部恢复出来，这就是采样定理的观点3。采样定理的内容为：若连续信号X(t)是有限带宽，其频谱的最

23、高频率为你，对X(t)采样时，若保证采样频率fs-2fm，那么，可由x(nTs)恢复出x(t)，即x(nTs)保留了x(t)的全部信息。采样定理指出若想无失真地恢复原信号，信号的采样频率fs必须不小于信号最高频率的两倍。为了保证不因采样而造成原始信号信息的丢失，应满足两个条件：第一，要求采样频率fs=1T-2仁。第二，被采样信号应是带限的。2.3同步采样法在交流测量中的应用2.3.1同步采样定义交流同步采样是指采样时间间隔Ts与被测交流信号T周期及一个周期内采样点数N之间满足关系式T二NTs。同时同步采样法需要保证采样截断区间正好等于被测连续信号周期的整数倍。交流采样主要采用积分和算法与傅立叶

24、算法进行数据分析，计算精度与采样点数和采样同步性有关，因此，数据采集多为整周期同步采样。一般采样前需要确定两个参数的数值：每周期采样的点数和采样频率。根据采样点数和采样频率的确定方式，交流同步采样的实现方法有多种。232同步采样计算公式DFT和FFT算法是对采样数据进行谐波分析的常用方法，傅立叶算法的主要公式如下(设最高次谐波为L次谐波)：Lu(t)二akcos(k0t)bksin(k0t)L八2UkC0S(kytk)(2-23)k式中，氏=2二/T。，Uk、k为第k次谐波电压的有效值和初相位。各项系数的计算公式如下：akibk-u(t)cos(k0t)dtTof/2ToTo/2Jo/2u(t

25、)sin(k0t)dtk=1,2,丄(2-24)k=1,2,丄(2-25)5=丰Jaj+bj:“k=arctanIak由已采样的离散数据，利用以上公式可以推导出各次谐波的幅值和相位，从而分析出各次谐波对于有效值计算，可用如下公式计算：fTN1Ffdk）f2（k）（2-26）,Nk式中，对电压，F取U,fi、f2取u。对电流，F取I,fi、f2取i。对有功功率，F取P，fi取u。，f?取i。2.4万能式断路器1000A智能型万能式断路器由本体和抽屉座两部分组成。断路器本体由操动机构、触头系统、灭弧室、绝缘底座、脱扣器、二次插接件和辅助开关等组成。侧视图成田字形布置，左上方设置各种附件，左下面为操

26、动机构；右上方布置灭弧室和触头系统；右下方布置有电流互感器。上下左右之间有绝缘隔离，需要联结的活动部位的间隙控制在最小值，使触头系统在分断短路电流时所产生的气体不致喷射到脱扣操动机构系统，也不会喷射到互感器，达到双重效果。正面为两层川型布置，上层左为智能控制器，中间为操动机构，右边为电动机操作和手柄。下层为三相主电路，互相间绝缘可靠，使其不可能产生相间短路。拉置指示图2-2万能式智能断路器框架图2.4.1断路器零部件的设计1000A智能型万能式断路器的零部件设计主要考虑以下三个部分：触头系统、操动机构、灭弧室。2.4.1.1触头系统的设计所谓触头系统包括触头、载流母线和软联接等部件。对触头的基

27、本要求可概括为:（1）安全可靠地接通和分断短路电流及以下的所有电流，也就是说除了接通和分断极大的电流外，断路器还应分断临界负载电流。（2）长期通过额定发热电流而不致发生过高温升；（3）达到标准规定的点寿命和机械寿命，在规定的接通和分断次数后，不致有严重的磨损。所以在设计触头系统时应该注意一下几个方面：1接触形式在实际触头设计中，断路器的触头大多采用线接触，静触头常设计成平面，而动触头设计成弧面，在分断短路电流时有利于电弧进入灭弧室；接触器由于要达到高的机械电气寿命要求，除了采用线接触的形式，也有采用多点接触的形式，如触头表面设计成网格形式，其触头要求在触头接触过程中能尽量磨掉表面的氧化层。在动

28、静触头配对时往往使静触头的硬度稍大于动触头的硬度。2触点形式根据动静触头在分断状态下的断点数，可分为单断点和双断点。在新一代低压电器设计中，趋向于采用双断点的结构形式，并通过结构创新，克服了传统意义上单断点和双断点的一些缺点。3触头结构断路器常用的有对接式触头、桥式触头和插入式触头。在这里我们选用桥式触头。桥式触头有两对触头，这对大容量（1000A以上）断路器有利，可省去笨重的软连接。4触头压力断路器的触头压力主要取决于极限短路通断能力，必须保证触头在通过短路电流时不致因电动斥力而产生跳动或引起熔焊。因此，要求触头压力要大于触头间的电动斥力。电动斥力可按下式决定：F=I2In?10-7（2-2

29、7）do式中：F-触头间的电动力（N）；I-流过触头的电流（A）；d一触头的直径（m）;do-触头接触点的直径（m）。其中而可用下式决定：d=2（2-28）、nHB式中：E一触头间接触压力（N）；HB-触头材料的布氏硬度。弧触头的压力一般取主触头的1/31/2。限流断路器的触头压力越小越好，满足触头长期的导电能力和避开电路中可能出现的起动电流。5电动补偿当分断电流增大时，按(2.1)计算出的触头压力很大，给机构设计造成困难。为了减少所需的触头压力弹簧，可采用多种型式的电动力补偿措施。采用多个触头并联是措施之一。如果有n个触头并联，则总的斥力在理论上可降低到原来的/砌。但触头并联数不宜太多，否则

30、使触头结构复杂，不利于制造和装配。另一方面，照成电流分布不均，使两侧触头电流较大，反而减小补偿的效果，也使得两侧触头发热严重。一般使得每个触头的额定电流约为250500A。6. 触头开距低压断路器所需的开距很小，在断开短路电流时不会因气隙击穿而发生电弧复燃。在决定断路器开距时，要考虑以下三点：保证断路器在断开短路电流时断路器不会因为动触头和停档碰撞引起的反弹而再次接通电路；(2) 保证断开临界电流；(3) 尽可能使灭弧室的空间得到充分利用，触头开距尽可能取大些。取触头开跑为1570mm。我们选用的是双挡触头，因此当弧触头刚接触时，主触头的开距(小开距)在25mm。7. 触头材料触头的接触电阻与

31、触头材料有直接的关系，触头材料在温度达到一定数值后，其械强度就会显著降低。为保证触头的可靠工作，触头在长期发热时的表面稳定温升不应超过有关标准规定的极限允许温升，具体数值可在相关的标准中查阅。8. 触头超程主要是主觖头的超程，它决定于传动杆的磨损和触头的磨损，必须保证在寿命终了时，主触头仍能可靠地接触，一般取26mm。9. 磁吹为了把电弧驱入灭弧室，有时要考虑磁吹，特别是在直流的情况下，加磁吹线圈是有效的灭弧措施之一。但是加磁吹线圈会使断路器的结构变的更复杂，这里我们不选用。2.4.1.2灭弧室的设计主要由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、触头、波纹管等部分组成陶瓷外壳真空灭弧室。灭弧室必须保

32、证以下性能：1. 为了可靠地熄灭电弧，燃弧时间应尽可能短：2. 有足够的热容量，使在熄灭电弧时，灭弧室的温度不致太高，防止灭弧室变形或碎裂；3. 尽可能小的飞弧距离；4. 有良好的绝缘性能，在受电弧高温灼烧后不容易碳化，而使绝缘电阻下降；5. 有足够的机械强度，能承受电弧热能产生的压力；另一方面也能承受产品在装配和运输过程中的振动而不致碎裂；6尽可能小的外型尺寸和重量。2.4.1.3断路器操动机构设计断路器的闭和与断开由机构来实现。机构包括传动机构、自由脱扣机构和主轴、脱扣轴等。1. 传动机构断路器的传动机构可分为手柄传动、杠杆传动、电磁铁传动、电动机传动和气动或液压传动五类。在选择和设计传动

33、机构时应注意到：(1) 手柄和杠杆传动的最大操作力最好不超过250N。为了满足这个要求，可以适当的选择手柄长度和转动角度；(2) 传动机构消耗功率小，为了降低大容量断路器的消耗功率，可采用储能闭合的电动机传动，这时电动机的功率可降至0.31KW;固有闭合时间小，为了缩短电动机传动储能闭合机构的固有闭合时间，可采用预储能措施。(3) 闭合断路器是冲击应尽量小。蓄能机构：采用弹簧储能，由储能弹簧、凸轮、储能杠杆、扣板和半轴组成。当扣板扣子半轴时，籍电动或手动带动凸轮顺时针方向转动，推动蓄能杠杆上的滚柱B，使蓄能杠亦顺时针方向转动，其下端则向左移动，使蓄能弹簧压缩。达到蓄能的目的。当推动凸轮到最高点

34、时，凸轮上的滚珠A被扣板锁住，能量以蓄足，这时处于预储能状态，准备断路器闭合。如要释能使断路器闭合时，借手动或释能电磁铁动作，使半轴逆时针转一角度，扣板释放。A也释放，滚珠B在弹簧力推动下迅速下降到凸轮最低凹处，完成释能动作，使断路器触头闭合。3自由脱扣机构自由脱扣机构是实现传动机构和触头系统之间的联系。自由脱扣机构再扣时，传动机构应带动触头系统一致运动，并使触头闭合。一般，自由脱扣机构分自动再扣和非自动再扣两类。自动再扣的自由脱扣机构是由手柄自身的重量或在复位弹簧作用下再扣。万能式断路器采用的就是这一类的自由脱扣机构。用若干个零件相互扣搭的自由脱扣机构可在受柄的重量下复位。其缺点是没有省力作

35、用，因此闭合操作力较大。为了消除这一缺点，现多采用四连杆变五连杆的自由脱扣机构，当机构闭合后，消除其中一个支点，从而实现自由脱扣。4. 欠电压脱扣器它分为欠电压瞬时脱扣器和欠电压延时脱口器，分励脱扣器用于远距离遥控或热继电器动作分断断路器。过电流脱扣器用于防止过载和负载侧短路。5. 电动机与手柄操动机构采用直流串激电动机作为动力源，高速电动机经齿轮和行星轮变速后带动主轴上的凸轮转动而工作。当蓄能完成后，微动开关动作，切断电动机的电源，电动机停止。手动蓄能时，蓄能手柄能带动主轴转动，但其他部分不会转动。一般手柄来回7次完成蓄图2-3操动机构原理图能操作。电动机操动机构自成一套体系，蓄能轴与主轴之

36、间通过凹凸型锲口活动联结，装配和拆卸都很方便。1释能脱扣半轴2杠杆I3连杆2储能杠杆储能弹簧凸轮7连杆18主轴9连杆310分断脱扣半轴11连杆22.4.2断路器的保护功能万能式断路器具有短路保护、过载保护和漏电保护的功能。在电器超载或非正常运行中，如出现故障，会自动断开开关，起到保护电器和线路的作用；另外带有漏电保护的断路器，具有漏电保护功能，防止人为触电。242.1断路器的三段保护1电流速断保护：当线路发生相间短路、相间短路接地故障时，能保证断路器瞬时动作的保护装置叫做电流速断保护，属于电力设备主保护。其整定值应是按躲过线路末端最大短路电流来设置，即线路末端发生短路部动作，所以不能保护线路全

37、长，它只能保护线路的一部分,系统运行方式的变化影响电流速断的保护范围。因此，瞬时电流速断保护的任务是在线路始端短路时能快速地切除故障。电流速断保护又分为瞬时电流速断保护和限时电流速断保护两种。2. 限时电流速断保护：为了弥补瞬时速断保护不能保护线路全长的缺点，常采用略带时限的速断保护，即延时速断保护。这种保护一般与瞬时速断保护配合使用，其特点与定时限过电流保护装置基本相同，所不同的是其动作时间比定时限过电流保护的整定时间短。为了使保护具有一定的选择性，其动作时间应比下一级线路的瞬时速断大一时限级差一般取0.5秒。【Tiiax图2-4电流速断保护图中1最大运行方式下d(3)2最小运行方式下d(2

38、)3保护1第一段动作电流ZsZdZs乙Id(2-29)(2-30)可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Zs.min）最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Zs.max）3. 过电流保护：当线路发生相间短路、相间短路接地故障且速断保护装置拒动或当线路电流大于最大负荷电流时，保证断路器动作的保护装置叫做过电流保护，属于电力设备后备保护，其整定值按躲过线路的最大负荷电流来设置。过电流保护又分为定时限电流保护（当限流中的电流大于整定值时，按规定时限动作的电流保护装置）和反时

39、限电流保护（当电路中的电流大于整定值时，动作时间与电流幅值成反比例关系的电流保护装置）。瞬时电流速断保护（电流I段）、限时电流速断保护（电流U段）和过电流保护（电流川段）都是反应电流增大而动作的保护，它们相互配合构成一整套保护，称做三段式电流保护。电流速断保护动作快，但存在着保护盲区，而过电流保护虽然可以保护线路全长，但存在着跳闸时间长的问题，而加入限时电流速断保护则可以弥补以上存在的不足。242.1过载保护、漏电保护过载保护：负荷过大，超过了设备本身的额定负载，产生的现象是电流过大，用电设备发热，线路长期过载会降低线路绝缘水平，甚至烧毁设备或线路。此时电流超过了电路所设定的限定额定电流，通过

40、断路器的断开保护电路安全。漏电保护：当主回路中发生漏电或绝缘破坏时，漏电保护开关可根据判断结果将主电路接通或断开的开关元件。第3章硬件电路设计通过检测供电线路中的电流（电压）并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号，信号经选相、采样、比较等处理后送入微处理器，微处理器内带的A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，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串行中央处理单元中（掉电不丢失），CPU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，显示故障电流和故障类型；否则脱扣器刷新显示。其原理框图如下：图3-1

41、智能脱扣器原理框图3.1单片机的选择3.1.1主控单元的确定MCS-51单片机的管脚功能采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而米用CHMOS制造工艺的80C51除米用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。如图3-3所示为双列直插式封装单片机管脚图。各管脚功能说明如下:1电源管脚VCC（40脚）:接+5V;VSS（20脚）：接地。2时钟信号脚XTAL1（19脚）,XTAL2（18脚）:外部时钟信号脚图3-2MCS-51单片机的管脚2. 控制线1）RST/Vpd（9脚）:当作RST使用时，为复位输入端；当作为Vpd使用时，当VCC掉电下，可作备用电源。2

42、）EA/Vpp（31脚）：EA为访问内部或外部程序储存器的选择号。对片内RPROM编程时，Vpp接入21V编程电压。3）ALE/PROG（30脚）：当访问外部储存器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位送入地址锁存器，不访问外部储存器时，ALE端仍以固定的振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号。当对片内EPROM编程时，该管脚PROG用于输入编程脉冲。4）PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号。3. 输入/输出口线1）P0口（3239脚）：双向I/O口，既可接地址锁存器作低8位地址I/O口使用也可以作数据I/O口使用。能驱动8个LSTTL负载。2）P1口（18脚）：具有内部上位电阻的8位准

43、双向I/O口，可驱动4个LSTTL负载。3）P2口（2128脚）：8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，在接收外部存储器时，P2口作为地址高8位。能驱动4个LSTTL负载。4）P3口（1017脚）：8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，其每一位又有如下特殊功能：P30（RXD）:串行口输入端。P31（TXD）:串行口输出端。P32（INTO）:外部中断0输入端，低电平有效。P33（INT1）:外部中断1输入端，低电平有效。P34（TO）:定时/计数器0外部事件计数输入端。P35（T1）:定时/计数器1外部事件计数输入端。P36（WR）:外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P37（RD）：外部

44、数据存储器读选通信号，低电平有效。3.2智能脱扣器电源该电源采用变压器供电，变压器原边电压取进线侧的任意两相间的线电压。变压器的副边电压经过整流桥整流、电容滤波和稳压芯片线性稳压，产生脱扣器的工作电源。主电源如图3.2所示，由于线性稳压电路和隔离电路输出电压的精度比较高，纹波比较小，所以该电路的输出电压可以作为5V基准电压。3.3智能脱扣器电路智能化脱扣器脱扣电路的结构如图3-4所示,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。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

45、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，每一相使用两个比较器来完成。电流信号Ia、lb、Ic的幅值同参考电平VRE和VRE进行比较。比较器采用LM393其输出是集电极开路的，因此图中所有电压比较器输出并联起来，通过一个上拉电阻接VCC实现线与功图3-4智能脱扣器电路图在正常情况下，微处理器没有发出脱扣信号且电流信号的幅值

46、在基准电压范围内,则比较器的并联输出UTRIP被上拉电阻拉高,否则只要任一电压比较器输出为低,则UTRIP被拉低。UTRIP信号接脉宽检测电路，进行抗干扰处理，如果UTRIP的低脉冲维持一定的宽度，则单稳态触发器被触发,UOUT输出一定宽度的脉冲通过驱动电路使磁通变换器打开，从而分断断路器。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。脉宽检测电路的工作原理如下：UTRIP、UTHUQU

47、OUT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脉宽检测电路及工作波形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R5R6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UC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UTRIP1出低

48、脉冲宽度保持一定的时间才能使UOU触发。如果UTRIP的脉冲过窄，UTH电压达不到2/3VCC,则UOU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。3.4数据采集数据采集模块，主要用于远程终端装置的数据采集和控制。它采集计算并向远方发送线电压Uab、Ucb；采集计算并向远方发送相电流Ia、Ic。3.4.1信号采样、处理电路3.4.1.1选相电路选相电路就是用多路转换开关来选择要测量的哪一相。这里选用CD4052实现多路模拟信号的输入。(1) CD4052的引脚CD4052采用16脚双列直插式封装，CD4052为4通道双刀结构形式，因此可以同时驱动两个通道，并且允许双向使用，既可用

49、于多到一的切换输出，也可用于一到多的输出切换。开关接通哪一通道，有输入的2位地址码AB来决定。“INH是禁止端，当“INH=1时，各通道均不接通。芯片功能其真值表如表3-2所示。表3-1CD4052真值表输入接通通道INHABXY000000011101022011331XX不通不通(2)CD4051与8051的接口电路CD4052与8051的接口电路如图3-7所示，用P1.0、P1.1控制A、B选择通道。如果是4路模拟输入信号，经过CD4052选择后，从CD4052的X、丫口输出到模拟信号处理块。该模块主要完成模拟量到数字量的转换。图3-5CD4052与8051的接口电路341.2过零比较电

50、路测频率几功率因数时，为了把正弦信号变成脉冲信号。需要设计过零比较电路，电路如图3-8所示。图3-5过零比较电路图示电路中，当Us0时,ls0,Uo=Uom当Us0时,lsv0,Uo=-UomR仁Rp=100k,LM311为单比较器，D1,D2的作用为:对同相输入的共模信号过大的限幅保护.加输入限幅保护的原因是：当运算放大器的共模输入信号电压过大时，会引起运算放大器输入的损坏.另外，当运算放大器受到强的干扰信号时，共模信号过大，产生自锁现象，自锁产生时，也会损坏运放器件，因此，要加限幅保护。3.4.1.3采样/保持电路对模拟信号进行模数转换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间。

51、当输入信号频率较高时，会造成较大的转换误差。为了防止这种误差的产生，所以我们在A/D转换开始前将信号电平保持住，所以需要采用一个采样/保持器。在采样/保持电路中采样/保持器采用美国MAXIM公司生产的LF398芯片，LF398采样/保持器，工作电源电压范围从i5V到8V，扑捉时间小于10卩其基本组成电路其工作原理：当控制信号为高电平，模拟开关K闭合，输入信号通过放大器A1向电容C充电，可经放大器A2输出，此时为采样阶段。当控制信号为低电平时，模拟开关K断开，电容C就将模拟开关断开前瞬间的输入信号保持下来，并经过A2输出，此时为保持阶段。本设计中采样/保持电路的应用如图3-10所示3.5A/D转

52、换电路A/D转换电路是数据采样的实现。在电力系统中的电流或电压的模拟，以及微机系统只能处理数字量，因此必须将模拟量转换为数字量。在模拟量转换成数字量，由于电子技术的发展，A/D转换器，采样数据可以有以下四种形式：逐次逼近式A/D转换器和电压频率转换器（VFC），基于PWM（脉冲宽度测量）数据采集单元和高速数据采集系统。本设计采用A/D转换器ADC0809。3.5.1 ADC0809简要介绍ADC0808与ADC0809的内部结构、外部管脚完全相同，但精度不同。ADC0808的最大不可调误差为/2LSB，而ADC0809的最大不可调误差为LSB。3.5.1.1 ADC0809的功能特点ADC08

53、09为逐次逼近式A/D转换器，具有8个模拟量输入通道。它能与计算机的大部分总线兼容，可在程序的控制下选择8个模入通道之一进行A/D转换，然后把得到的8位二进制数据送到计算机的数据总线，供CPU处理。其功能特点如下：1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100卩甜钟为640KHZ时）,130sS时钟为500KHz时）。4）单个+5V电源供电。5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度。7）低功耗，约15mW。3.5.1.2芯片结构组成ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图

54、所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。3.5.1.3芯片引脚功能ADC0809采用28管脚双列直插式封装，引脚布置如图3-12所示。图3-8ADC0809芯片引脚图芯片引脚说明如下：IN0IN7:8路模拟量输入端。OUT1OUT8:8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC:3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE:地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。START:A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EO

55、C:A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE:数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLOCK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF(+)、REF(-):基准电压。Vcc:电源，单一+5V。GND:地。D。D7:数字量输出。D0为最高位，D7为最低位。3.5.1.4操作过程ADC0809操作过程如下：(1) 首先通过ALE和ADDA、ADDB、ADDC地址信号线把欲选通的模拟量输入通道地址输送入ADC0809并锁存。(2) 发送A/D启动信号STAR

56、T，脉冲上升沿复位，在启动脉冲下降沿开始转换。(3) A/D转换完成后，EOC=1，可利用这一信号向CPU请求中断，或在查询方式下待CPU查询EOC信号为“1后进行读数服务。CPPU通过发出0E信号读取A/D转换结果。3.5.2 ADC0809与单片机的接口电路ADC0809芯片内含三态输出缓冲器，且片外有三态缓冲器控制端OE,它的输出端可以直接接到计算机的数据总线上，只需要解决通道选择、启动转换和输出允许的控制信号即可。表3-5为ADC0809的I/O特性。由于ADC0809片内无时钟，可利用8051的ALE信号经D触发器2分频后，提供给ADC0809的时钟信号CLK端，ALE信号频率为80

57、51时钟频率的1/6,若8051时钟频率为6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHz，在2分频后，ADC0809的时钟频率为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。ADC0809的8路模拟通道选择信号由8051的数据/地址复用线F0.。P.2提供，P2.7作为ADC0809的片选信号，WR和.7起控制ADC0809通道地址锁存和转换启动，RD和P2.7一起控制ADC0809的三态输出缓冲器。在读取转换结果时，如果采用软件延时法，则ADC0809的转换结束信号EOC输出端可悬空；如果采用查询法，EOC需接8051的I/O口。当8051通过I/O口读得EOC有效时，便读取转换结果；如果

58、采用中断法，则EOC反向接8051的lNT0（P32）或NT,（B.3）引脚即可。3.6键盘、显示接口电路键盘、显示接口电路采用INTEL8279作为接口芯片。该芯片能对显示器实现自动扫描，能自动识别键盘的键号，大大减轻了CPU的负担，因此，在单片机应用系统中获得了广泛的应用。（1）8279简介INTEL8279是一种通用可编程的键盘、显示器接口芯片，它能完成键盘输入和数码显示控制两种接口功能。键盘部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘借口，能主动对键盘定时扫描，自动去抖动，自动识别按键并给出编码。显示部分能分别对发光二极管、荧光数码管及其他显示器件提供按扫描方式工作的显示接口，最

59、多可支持16位的数码或字符显示。8279的芯片引脚图如图3-14所示。（2）引脚功能说明8279引脚按功能分类共有4种类型： 与CPU接口的引脚类：与CPU接口的引脚包括数据总线D0D7、系统时钟CLK、复位线RESET、片选线CS、地址线A0、中断请求线IRQ、读写控制线RD、WR及电源地线，共17条。 与键盘接口类：与键盘接口相关的引脚包括TL0TL7,用于读取列线的信号电平；位移线SHIFT,通常用于上下键功能；控制/选通线CNTL/STB,用于扩充键开关的控制功能，共10条。 与显示器接口类：与显示器接口相关的引脚包括A组显示信号线OUTA0OUTA3和B组显示信号线OUTB0OUTB

60、3，两组可独立使用，也可组合使用；此外还有一条消隐信号线BD，用于数字切换时的显示消隐。引脚数目为9条。 扫描类：扫描类引脚共4条，用于键盘、显示器的扫描驱动，可程序设定为编码输出（16中取1）或译码输出（4中取1）。引脚数为4。图3-108279芯片引脚图（3）8279与8051接口电路8279键盘显示接口应用电路如图3-15所示，根据课题要求，设计一个38键盘即能满足要求，显示器为8位显示器，为了增加信号的驱动能力，电路采用了2个驱动器74LS244。键盘键值的确定：图中规定扫描线为列线，回复线（RL0RL7）为行线，故其键值为00H17H，键号与键值及功能对应关系如表3-6所示。图3-1

61、1键盘、显示接口电路表3-3键号与键值及功能对应关系表键号对应键值功能键号对应键值功能090H9H数字键输入数据P11H显示功率A0AH选择A相参数M12H输入上限值B0BH选择B相参数N13H输入下限值C0CH选择C相参数14H小数点输入数据F0DH显示频率W15H输入数据H0EH显示功率因数R16H消除报警/复位U0FH显示电压T17H发送数据I10H显示电流3.78051与PC通讯接口电路大多数控制系统都是把PC机作为上位机，单片机系统作为下位机。单片机系统必须把采集的数据传输给PC机，以便进行存储和处理。PC机几乎都具有RS-232-C接口，因此，单片机通过RS-232-C口与PC机通

62、信最方便，也是最常用的方法。鉴于8051单片机输入，输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS-232-C标准串行接口，二者电气规范不一致，因此要完成PC机的数据通讯，必须进行接口扩展。3.7.1RS-232-C接口标准RS-232-C是一种串行通信总线标准，是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，只要设备都具有RS-232-C标准接口，则不需要任何转换电路，就可以互相插接起来。这个标准仅保证硬件兼容而没有软件兼容。此外，在进行数据传输的时候，由于线路损耗和干扰，传输距离一般不超过15m。一个完整的RS-232-C接口有22根线，采用一种标准的“D型保护壳的25针插头座。而在微机通信中，通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚用一个九芯连接器连接，。表3-7给出了这9根引脚的定义。表3-4RS-232-C信号定义JIS名称说明FG信号地，该引脚为所有电路提供参考电位TXD数据发送引脚，数据传送时，发送数据由该引脚发出，在不传送数据时，异步串行通信接口维持该脚为逻辑“1”RXD数据接收引脚，来自通信线路的数据信息由引脚进入接收设备RTS要求发送数据，用于通知Modem计算机请求发送数据CTS回应对方发送的RTS的发送许可，告诉对方可以发送DSR告知本机的待命状态，用于通知计算机，Modem准备好DTR告知数据终