限制学生寝室使用大功率电器的新装置研究

摘 要： 由于市场上一种名为功率转换插座的装置的出现，使得学生寝室原有的限电机制失灵，不能再限制大功率纯电阻电器的使用。违章用电容易埋下安全隐患，发生用电危险。本文通过具体实验，测量出正常用电和违章用电两种情况下各项电路参数，并结合Multisim.v10.0.1对两种用电情况进行模拟，综合分析各种参数的不同，采用智能限电的理念，提出新的限电机制。结果显示，可以通过在宿舍入口处安装已编程的单片机，检测电流的大小，来判断学生寝室是否违章用电，从而在根本上限制了学生寝室私自使用大功率纯电阻电器，保障了学生寝室用电安全。

关键词： 功率转换插座 学生寝室 智能限电 功率因数 单片机

学生寝室目前为保障学生用电安全，限制学生在寝室使用大功率纯电阻电器，如暖手宝，热得快等装置。目前学生寝室配电箱中安装已编程的单片机，采用限制电压和电流最小相位角的限电机制，即当功率较大（>400W）且功率因数接近1（电压电流相位角偏小）时，单片机会切断电源电路[1]。但是当前市场上出现了一种名为功率转换插座的装置，利用电容产生无功功率，以减小大功率纯电阻电器使用时的功率因数，从而将纯电阻电器伪装成非纯电阻电器，避开单片机的限电控制。本项目的目的在于研究设计一种新型装置，从根本上解决限制学生寝室使用大功率纯电阻电器的目的。项目的最大意义在于保障学生用电安全。根据之前对于多种功率转换器的研究，了解到部分功率转换器内部没有熔断电阻，容易发生危险，且功率转换器的工作原理在于产生无功功率，无功功率在线路中不断传递，会加重学校电路的负担，加快线路老化[2]，既造成了经济损失，又埋下了安全隐患。对于使用功率转换器是否会造成电器的寿命缩短，加快内部线路老化，还在进一步研究当中。

1.功率转换插座的研究

1.1功率转换插座的内部结构

通过对不同功率转换器内部结构的研究以及元件参数的测量，不同功率转换器内部构造不同。但是通过对内部电路分析，画出电路图，其内部电路分布一致，图1为XW-03B型号的功率转换器内部电路及其元件参数。

图1 XW-03B型号的功率转换器内部电路

1.2功率转换插座的工作原理

功率转换插座利用并联在电阻上的电容产生无功功率，补偿线路中接入大功率纯电阻电器后电流和电压相位角的减小，从而减小了功率因数，因而在原有的限电机制下，大功率纯电阻电器与功率转换插座配合使用，不会造成断电。图中双向二极管的作用在于稳压，保证用电器在此电路中，置于额定电压下工作。熔断电阻的作用是在发生短路等情况下切断电路。

2.实地调研

通过电话网络及实地调查等相结合的方式，深入了解我国各地区不同高校的限电机制，以及功率转换器的使用情况，并且了解学生宿舍日常使用的电器，做成明细表。如表1，表2所示。

通过以上调研数据可得到以下实验结论：

a.各个高校宿舍均采取限电措施保障学生安全，限电额度稍高于学生宿舍用电总额，为800W～1000W。

b.以上高校学生群体中均存在使用功率转换器的现象。

c.以上可推知，各高校配电箱均采用同一机制限制大功率纯电阻电器的使用。

3.实验过程

由于当前限电机制是在宿舍配电箱处，添加了已编程的单片机。由于实验条件的限制，无法对寝室配电箱内部结构进行研究。故将探究的着手点确定为宿舍端口，并采用同配电箱相同的限电方式，即在宿舍用电总线入口处添加已编程的单片机对电路的开闭实行控制。

本文采用智能限电理念[4]，即通过单片机对用电负荷信号进行数据采集，将采集到的数据进行一系列运算和判断，从而对用户使用了违章电器进行监控。如果单片机没有检测到符合违章电器特征的负荷且总负荷小于规定的负荷，说明该用户用电是安全的电闸导通，绿灯一直亮，数码管显示当前的负荷大小；反之，单片机将输出关断信号，将电闸关闭，同时数码管显示HH，蜂鸣器报警，10秒后，单片机自动检测负荷情况，若违章电器仍然存在，单片机继续关闭电闸；若违章电器被撤去，则单片机发出导通信号，控制晶闸管恢复供电，数码管恢复显示负荷大小。

综合以上各种理论，确定了具体的研究路线：通过分析对比正常用电情况下的参数和违章用电（大功率纯电阻电器和功率转换器配合使用）情况下的参数的不同，来使单片机分析检测线路中是否存在违章用电情况。

正常用电情况：

a.所有用电器共同工作（包括四台电脑，四盏台灯，一台饮水机，四部手机充电器）。

b.四台电脑同时工作。

c.四部手机充电器共同工作。

违章用电情况：

a.XW-03B型功率转换器，500W暖手宝共同使用。

b.PZD001型功率转换器，500W暖手宝共同使用。

通过以上几种用电情况的参数，总结出正常用电情况下的功率因数范围和违章用电情况下的功率因数范围。找出其中的不同，用以指导确定新装置的限电机制。

针对以上几种用电情况的实验计算过程如下：

正常用电情况：

a.所有用电器共同工作（包括四台电脑，四盏台灯，一台饮水机，四部手机充电器）。

b.四台电脑同时工作。

功率因数=360.24W/1320W=0.273

c.四部手机充电器共同工作。

功率因数=20W/176W=0.114

违章用电情况：

4.结论

在正常用电情况下功率因数可以为1，比如单独使用台灯或者饮水机的情况。但是当功率较大时（P>300W）功率因数接近1时会断电，而违章用电情况为大功率用电，所以正常用电情况下的功率因数仅考虑功率较大时的功率因数范围。故将功率因数的范围的上限定为0.40。

通过以上实验可知：

a.正常用电情况下的功率因数范围在0.114～0.40。违章用电情况下的功率因数范围在0.142～0.228。违规用电情况下的功率因数范围在正常用电情况下的功率因数的范围之间。

b.正常用电情况下总线的电流在0A～8.44A，即0A10A。

由此确定了新装置的研究的最终技术路线：在宿舍电路入口处安装单片机，用以判断线路电流是否大于9A。当总线电流大于或等于9A，切断电源，蜂鸣器发出警报，10秒后自动恢复供电。若依旧大于9A，则再次瞬间断电，直至违章电器在线路中移除，方可恢复供电。其流程图如图2所示。

图2 智能限电流程图

参考文献：

[1]王新河，许建新.现代电力电子技术在电源中的应用是今后发展的必然趋势[J].治黄科技信息，2006，（03）.

[2]张文亮，汤广福，查鲲鹏，贺之渊.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报，2010，（04）.

[3]滕乐天，何维国，刘隽，包海龙.电力电子技术对上海电网发展的革新与挑战[J].供用电，2009，（07）.

[4]张炳武.固态继电器电参数测试技术研究和测试系统软件设计[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2007，（8）.

基金项目：四川大学大学生创新性实验计划（201210610152）。

通讯作者：陈军伟