明备用电源自动投入实验台主回路设计与制作

郭改琴

(西安理工大学水利水电学院， 陕西 西安 710048)

0 引 言

备用电源自动投入装置是电力系统自动化专业和发输电自动化专业的主要学习内容之一，也是实践教学环节中的重要组成部分。近年来国内有些教学仪器开发商已经开发了明备用电源自动投装置的相关实验。但是，已开发的实验台最大特点是元器件集成度过高，在做实验的过程中只是简单地插线连接电路，学生只知道实验原理和过程，并不能在实验过程中增强自身的实践动手能力，更谈不上设计与创新。这与目前高等教育的初衷是相悖的，因此能够开发增强学生的实践技能和创新技能的综合实验台必将具有更加广阔的市场前景和商业开发价值。本文就是在我国高等教育科学发展的最新理念下，进行明备用电源自动投入装置主回路的开发，这不仅能锻炼学生的设计能力，同时也增强了实际动手能力。在将理论与现实进行结合的过程中，独立解决遇到的各种复杂问题，更是增强了学生分析问题和解决问题的能力。

1 明备用电源自动投入装置主回路设计

明备用电源自动投入装置就是在多路电源同时具备正常供电的情况下，有一部分电源已经投入运行，也有一部分电源未投入，只是作为备用电源来使用，只有当工作电源(投入运行电源)因故不能正常工作时，备用电源(未投入运行电源)才自动投入的一种自动装置[1]。如图1中的(a)、(b)、(c)所示均属于明备用电源自动投入装置主回路图。例如在(b)图中，正常工作时，1QF和2QF闭合，3QF和4QF断开，当T1发生故障时，1QF和2QF同时断开，3QF和4QF同时闭合；或者正常工作时，3QF和4QF闭合，1QF和2QF断开，当T2发生故障时， 3QF和4QF同时断开，1QF和2QF同时闭合，以保证对外供电的可靠性和电能质量[2]。

图1 明备用电源自动投入装置主回路线

1.1 主回路面板的选择

面板的材料有很多种，例如木头、铁皮、塑料、有机玻璃、亚克力板等材质。由于亚克力板具有极佳的透明度、优良的耐候性、优异的综合性能、无毒性以及加工性能良好等优点，同时考虑到需要打孔安装LED灯以及视觉观赏效果。在不影响实验效果的前提下，为使实验成本最小化，经过多次计算和实验，最终确定使用面板尺寸为50×50×5 mm的亚克力板，这样便于将来给标准实验台上安装。亚克力板做主回路面板在钻孔时相对比较容易，它的前后表面均有一层牛皮纸粘在上面，防止了安装过程中磨损与划伤，很好的保护了面板。

1.2 主回路LED灯的选择

LED(Light-Emtting-Diode中文意思是发光二极管)是能够将电能转换为可见光的一种半导体。它与传统的灯泡比较起来具有以下优点：点亮无延迟，响应速度快；极强的抗震性能；发光热量小；发光纯度高；光束集中，易于控制；超长寿命；耗电量低等优点。所以主回路选用LED灯组合而成。

因为主回路中线路具有通电和断电两种状态，可以分别用红色和绿色两种颜色的LED灯分别表示。如果用LED灯来组成主回路，那么一种情况是用单色LED灯摆放成紧紧相邻的两组主回路形状；另一种是使用具有红、绿两种颜色的双色LED灯摆放成一组主回路形状，显然选择后者要比前者简单且投资减少，因此选用后者。双色的LED灯具有三个引脚，有共阴极和共阳极两种产品，为布置线路的方便和整体协调美观，选用共阴极脚的LED灯，如图2所示。考虑到整个控制回路中要使用235个LED灯以及电源所能承受的最大电流，经多次分析、比较，最终选择的LED参数如下：胶体直径5 mm，总高5.2 mm，帽沿1.0 mm；红色灯的额定电压为1.9 V～2.5 V的直流电压，绿色灯的额定电压为3.0 V～3.4 V的直流电压，额定电流约为20 mA的具有红色和绿色两种颜色的LED灯。该灯具有三个引脚，中间的一个是共阴极引脚，两边各有一个引脚，长短不一，其中长引脚是红颜色灯的正极，短引脚是绿颜色灯的正极。

图2 具有三个引脚的LED灯

1.3 主回路面板的设计

明备用电源自动投入装置如图1所示，有很多形式，为制作方便，采用了类似(b)图的结构。考虑到亚克力板热融化性、表示变压器的两个相交圆、表示断路器的触点、对外输出线路的箭头、钻孔时手持钻机难以稳定等因素，在布置LED灯时，将每相邻两个LED灯中心的间距设置为9.6 mm，用CAD绘制的明备用电源自动投入装置安装LED灯的主回路设计图如图3所示。

图3 明备用电源自动投入装置安装LED

1.4 主回路LED灯电路的设计

实际制作的明备用电源自动投入装置主回路面板如图4所示(a是正面实物拍照图，b是反面实物拍照图)，其共可分为三部分。

第一部分是图形最顶端的左右两电源部分，共由21×2=42个双色LED灯组成，在使用的过程中，因为只用到了红色灯光，因此控制绿光短引脚就需要剪掉。将剩余两个引脚中的负极引脚串联起来，将控制红颜色的长引脚并联起来并用导线引出一个接线端口，记为2。

第二部分是位于左边线路和右边线路两个断路器之间的部分，包含了各自所在回路的变压器。表示断路器的斜向部分6个LED灯只有绿色灯指示，因此多余出来表示红色的长引脚需要剪掉，在此位置用导线分别引出一个接线端口，记为3和4。包括断路器下方的线路和变压器，此接口共由46×2=92个绿色LED灯组成。表示断路器横向的4个LED灯只有红灯指示，因此多余出来的表示绿色的短引脚就需要剪掉，在此位置用导线分别引出一个接线端口，记为5和6。包括断路器下方的线路和变压器，此接口共由44×2=88个红色LED灯组成。从断路器向下引出的导线均需要红、绿两种颜色表示通电和断电状态，故三个引脚均需保留，将这部分显示红颜色的长引脚并联起来之后再与断路器横向部分的4个LED灯的长引脚并联，显示绿颜色的短引脚并联起来后再与断路器斜向部分的6个LED灯的短引脚并联，中间表示负极的引脚全部串联起来。

第三部分是左右两个供电线路下方断路器之间的部分。表示断路器斜向部分6个LED灯只有绿色灯指示，因此多余出来表示红色的长引脚需要剪掉，在此位置用导线分别引出一个接线端口，记为7和8。包括断路器和其下方的输电线路，此接口共由93个绿色LED灯组成。同样表示断路器横向部分4个LED灯只有红灯指示，因此多余出来的表示绿色的短引脚就需要剪掉，在此位置用导线分别引出一个接线端口，记为9和10。包括断路器和下方的输电线路，此接口共由89个红色LED灯组成。从断路器向下引出的输电线路均需要红、绿两种颜色表示通电和断电状态，故三个引脚均需保留，将这部分显示红颜色的长引脚并联起来之后再与断路器横向部分的4个LED灯的长引脚并联，显示绿颜色的短引脚并联起来后再与断路器斜向部分的6个LED灯的短引脚并联，中间表示负极的引脚全部串联起来。最后将所有线路中表示负极的引脚全部串联起来，在此位置用导线引出一个接线端口，记为1。

在主回路面板的右侧安装一个具有12个接线端口的接线端子排，从预留的10个导线接口处各引出一根较长导线(1号导线用绿色，其余9个均用红色)接到端子排上。采用相对编号法对导线进行编号，从1编写到10，标写在长8 mm的U型软管上，并穿到导线两端。剩余两个接线端口为LED灯的直流电源正极和负极接口。选择端子时，考虑到面板的实际尺寸，采用了具有15 mm长的小型塑料端子排，如图4中(b)所示。

在使用的过程中只需要把上述端子排的10个引出线和控制回路的输出端对应相连即可。

图4 实际制作的明备用电源自动投入装置主回路面板

1.5 主回路LED 灯电源的选择

控制回路共由231个LED灯组成，如图4中(a)所示。按照每个灯额定电流20 mA计算，并联后的最大总电流达到了4 A以上。由于购买的红色LED灯的额定电压为1.9 V～2.5 V，绿色LED灯的额定电压为3.0～3.4 V，额定电流约为20 mA。所以就选择了3 V，2 A的两个直流变压器电源，并将它们的正极和负极分别连在一起。由于LED灯的质量问题，购买的产品工作电压不正常，经多次测定发现，绿色灯需要3.8 V的直流电压，红色灯需要2.6 V的直流电压。所以购买的直流变压器电源不能满足要求，因此采用了在共阴极上串联限流电阻的方法。为使红色灯和绿色灯均能正常工作，经过20多次的反复试验，最终将限流电阻定为300欧姆。如图2所示。

2 电阻焊接及主回路LED灯控制面板安装

LED灯与电阻焊接的过程中需要将共阴极引脚剪短至10 mm长，然后和已经剪短的10 mm电阻端线一端焊接起来。在焊接时采用质量很好的焊丝，使得原本艰巨的工作变得简单轻松。限流电阻的另一端长度不变，其他两个阳极的长度也不变化，如图5所示。根据设计的主回路图，在亚克力板上用手钻进行钻孔时，考虑到工作时手的抖动和钻孔过程中产生的热量使摩擦面变软或者热融化，实际使用直径4.5 mm的钻头。考虑到安装方便和显示美观，每个孔之间的中心间距设置为9.6 mm。将已经串接好电阻的LED灯安装在钻好孔的亚克力板上，如图4(a)所示。为了防止LED灯安装不牢固和容易松动等情况，在灯的引脚和连线处采用了胶枪融化棒棒胶的方法固定LED灯，此面板共用了15条棒棒胶。由于极脚较长容易发生挤压，在面板

背面的四个角落安装了4个12 cm长的螺栓，同时在面板的背面外围用胶粘了9个矩形长条泡沫垫，这样就有效的保护了面板上的LED灯背面线路和相关引出线，如图4(b)所示。将安装好的LED灯按照显示要求，组装成具有10个接口的电路，其中第1个是整个回路的阴极接口，用绿色导线引出。其余9个如上述电路设计所示，用红色导线引出。然后将各引出导线编号引至端子排。为了固定LED灯和引出线，用线扎捆绑导线后，采用胶枪融化棒棒胶的方法进行无缝填充固定，如图4(b)所示。

图5 LED灯阴极焊接电阻

3 结 语

明备用电源自动投入装置综合实验台主回路的开发，涉及到了许多专业知识。第一，需要应用CAD绘制主回路图，并要会进行定距等分功能，断路器、变压器以及对外输电线路等的绘制均需要很强的绘图功底。第二，LED灯的选择牵扯到很多电学专业方面知识，灯的参数与实际校验不相符时的处理办法，限流电阻的选择，设计过程中遇到的疑难问题的解决办法。根据实际控制要求，LED灯的分组和将导线引进端子排时的相对编号法也是很专业的问题。第三，在面板上用小型手钻打孔、LED灯阴极电阻的焊接和胶枪的使用方法等实际操作过程也必将增强学生的实际动手能力，更有利于学生对明备用电源自动投入装置的更深刻理解。最后，该实验台安全、可靠、成本低，因此具有很强的开发价值。

该装置主回路的设计只是备用电源自动投装置综合实验台开发的一小部分内容，今后将陆续发表明备用电源自动投入装置实验台LED灯的控制回路设计、暗备用电源自动投入装置的主回路和控制回路的设计以及单片机控制的交流电压遥控调节的设计。

参考文献：

[1] 曹利刚.发输电自动化[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2] 钱 武，李生明.电力系统自动装置[M].北京：中国水利水电出版社，2004.