基于智能控制的低压断路器机电一体化设计

徐谦 湖南工程学院

基于智能控制的低压断路器机电一体化设计

徐谦 湖南工程学院

本文基于智能控制技术，进一步分析了抵押断路器机电一体化设计的相关问题。本次研究主要分为三方面内容，首先介绍了基于智能控制的低压断路器机电一体化设计的基本设计目标，之后分别从硬件设计与软件设计两方面入手，对低压断路器机电一体化设计的基本思路进行阐述。从实施情况来看，本文所设计的机电一体化低压断路器具有实施可行性，能满足多种工况下的生产要求，值得在更多地区做进一步推广。

智能控制 低压断路器 机电一体化

前言：低压断路器是现阶段电路系统中低压配电网的核心组成部分，不仅能直接接通、分段正常的负载电流与过载电流，还能接通、分段短路电流，因此在整个电网体系中发挥着重要作用。在智能控制的大环境下，如何进一步提高低压断路器运行性能已经成为相关人员关注的重点。

1 基于智能控制的低压断路器机电一体化整体设计思想

1.1 低压断路器的基本要求与技术指标

（1）基本要求

本文所设计的低压断路器要具有以下几点功能：①保护功能。保护功能是低压断路器的核心指标之一，因此在设计中，必须要保证低压断路器具有良好的保护能力，能够实现短路瞬时保护、过载长延时反时限保护、欠压保护等。②测量与运行监测功能。低压断路器能实时测量各种电网数据资料，并将相关数据上传到控制中心。因此，低压断路器所要监测的指标主要包括：一路线电压、电网频率等；同时，低压断路器还能实时反映电网的运行情况，针对电网运行中的故障能在第一时间发出警报，并上传故障状态信息。

（2）技术指标

①电源指标。本文所设计的低压断路器采用外界交流380V电源或直流24V的电源。

②测量指标。电流达到2．5级，频率、电压等常规数据均为1级。

1.2 基本结构

基于智能控制的低压断路器主要由微处理器、信号采集电路、电源、键盘等多个部分组成，在综合控制的情况下，由输出执行电路完成具体的操作，方便上级单位实现智能控制。总体而言，基于智能控制的低压断路器机电一体化结构如图1所示。

图1 基于智能控制的低压断路器基本结构

在结构设计中，为了能进一步提高低压断路器的基本性能，使其能更加快速、准确的反馈相关信息，在设计中决定采用MSP430F449单片机，该单片机具有强大的片内外设，并且能够为系统创造良好、稳定的工作环境，具有更加强大的信息处理能力。

2 低压断路器机电一体化硬件设计分析

2.1 信号采集模块

信息采集模块主要负责收集三相电流、三项电压等基本资料，同时还担负着监控中线故障、采集中线电压的基本功能。在综合考虑上述功能需求的基础上，本文所设计的信号采集模块主要依靠电压互感器、电流互感器等分别采样电压、电流等基本资料，并且要求信号所采样的频率能大于2kHz。当互感器输出的电压小于该数值，电压在通过LM324时会得到放大，之后通过A/D采样；如果互感器输出电压比较大，则LM324在输出时会出现饱和问题，此时直接由A/D采样即可。

在本文设计中，所设计的采样频率为2kHz，能按照0．5ms/次的频率进行数据采集，每周期都会采集20点资料。这种信息采集方法不仅在最大程度上保证了系统数据分析的实时性，还能有效避免采集失真现象发生，保证系统运行质量。同时，本文创造性的将MSP430F449单片机设置在低压断路器中，依靠该单片机的信息处理能力，集成A/D采样模块，这种设计能进一步简化外围电路设计开发过程，具有良好的应用价值。

2.2 电压稳定模块

本文所设计的电流互感器供电与辅助电源相结合的模式，共同构建了电压稳定模块，通过这种冗余供电的方式，来满足低压断路器的供电需求。自供电方式是由信号采集单元中的铁心互感器中取电，正常工作时辅助电源不工作，只有当自生电源故障或线路中电流较小不足以供电时，才采用辅助电源供电。

2.3 硬件抗干扰设计

在硬件抗干扰设计中，硬件抗干扰技术是最常见的技术手段，通过“防”和“抗”两方面来抑制干扰，通过降低系统对干扰的敏感性或者直接阻断干扰，达到预期的防护目的。

（1）屏蔽技术。屏蔽技术的关键，就是通过在两个空间区域之间设置金属隔离，抑制电磁场耦合。这种方法较为常见，在低压断路器硬件抗干扰设计中，通过将智能控制模块设置在金属外壳内部，就能有效组织干扰电磁直接影响智能模功能，达到保护的效果。（2）保护性抗干扰措施。为保护智能控制器免受浪涌、雷击的袭击，在变压器二次侧、电流传感器及电压互感器输出端都并接了双极性瞬变电压抑制器TVS。TVS的正向伏安特性为普通二极管特性，反向为雪崩二极管特性，当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流从而把两端间的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电路元器件不受瞬态高电压的冲击而损坏。

3 低压断路器机电一体化软件设计分析

在基于智能控制的低压断路器机电一体化软件设计中，考虑到低压断路器的主要监控对象是电压与电流，并且无论是对信号的检测还是对电力设备的保护，都会系统运行提出了很高的要求。因此在软件设计中，必须要保证软件具有实时性、高效性等特点。

本文所使用的将MSP430F449单片机支持C语言开发，也支持汇编语言开发，两者相比，汇编语言具有实时性强的特点，并且对内存空间的占有量需求小，因此在设计中具有更高的应用价值。

总体而言，本文所设计的基于智能控制的低压断路器机电一体化软件系统是一个模块化系统，通过将整个复杂的程序按照模块化的特点进行整体划分，使其成为具有独立运行能力的程序化模块，各个模块能够实现单独运行、调试。

根据智能控制的相关要求，本文认为需要采用自上而下的无限循环方式，因此在软件设计中，考虑到低压断路器的特殊功能要求，本文所设计的主程序主要完成初始化、通信数据帧处理、采样数据处理、故障保护处理、LCD刷新显示等，其中初始化包括系统时钟初始化、ADC12模块初始化、TimerA和TimerB初始化、单片机10口的初始化和LCD初始化等。中断程序包括：定时器中断、键盘中断、通信中断等。在整个软件系统中，充分考虑到模块化系统设计的要求，上文所提出的系统功能都会以模块的形式存在，并且不同模块之间都会数据链连接，最终实现对低压断路器的有效控制。

结论：本文主要分析了基于智能控制的低压断路器机电一体化设计的相关问题，从本次研究结果可知，本文所设计的低压断路器不仅保留了传统设备的优点，还综合了很多现代化技术，尤其是智能控制技术，整个技术的设计充分考虑了不同环境下低压断路器运行的要求，并且通过保护装置与系统，有效的保证了设备运行，为提高电网运行质量奠定良好基础。

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