智能开关设备 保护模块关键技术研究

李珂

摘要：智能开关设备在国民经济的各部门和能源领域均占有非常重要的位置，起着不可或缺的作用。智能开关设备的主要发展趋势是高性能、高可靠、小型化、电子化、数字化、组合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化及网络化，其核心是智能化和网络化，而现代智能化和网络化的智能开关设备即是现代智能智能开关设备。换言之，智能化已成为智能开关设备发展过程中不可阻挡的趋势。本文对开关设备的智能化设计主要分为动态特性调控、智能化保护和数据通信三大部分，其中智能化保护又分为恒压保护、过流保护以及温度保护。具体流程为：进入程序后首先进行恒压保护环节，在输入电压环节引入闭环系统，通过对占空比的设置，保证输入的平均电压恒定，然后进行开关设备主程序部分的 PWM输出环节，在 PWM输出之后，进行过流保护，将采样电阻两端电压进行测量，如果超出额定电压，即电流超过恒定电流，则关闭 PWM输出，将占空比调为0，如果正常，则继续进行下一步，进行温度的采集和恒温保护。

关键词：智能设备;保护模块

1 过流及过热的危害

在电力系统运行中，可能发生各种各样的故障和不正常运行状态，其中昀危险的故障是各种类型的短路故障，而昀常见的不正常运行状态是过载。过载也称为过负荷，是指主线路中的运行电流高于发热额定工作电流的一种非正常工作状态。过载电流不至于马上对线路和电气设备造成损害，但如果长时间存在会使导体发热，对电气设备将造成很多影响。

电气设备发热可能引发的危害分以下几个方面：（1）长期发热导致绝缘材料在超过额定温度的情况下工作，会加速绝缘材料的老化，缩短绝缘材料的寿命，还会使绝缘材料的电气强度和机械强度不断降低，导致非正常的工作状态;（2）对于很多金属而言，长期发热会影响其机械强度，使其拉伸强度不断下降，从而引发变形或损坏;（3）发热情况下的接触部分电阻会持续增大，造成持续发热，从而引发更严重的问题。由于过载故障并不是瞬间给系统造成破坏性危害，考虑到系统拥有一定的热容量，当故障电流在系统中的发热没有超过这个限度时，允许系统继续运行。如果过载电流持续存在，发热超过系统的允许界限时，继续运行就会产生危险，此时要进行保护动作。这样做的目的也是增加整个系统的运行可靠性，因为有时过载由临时故障产生，很多情况下一段时间后会自动解除，因此在系统热容量允许的情况下继续运行，避免了因为一些不必要的开断造成的不便。

2 过流保护的原理及硬件设计

过流保护是利用采样电阻对线圈电流进行采样，然后利用 PIC单片机的比较功能判断是否发生过流，并采取不同的方法进行保护的过程。过流保护电路主要由以下几部分组成：分压模块、电流采样模块、保护动作模块。分压模块由 1KΩ和 10KΩ的两个电阻组成，由于采样部分电阻为 8V到12V，PIC单片机所能采集的昀大电压为5V，所以在此用1：11的分压模块进行分压。再将经过分压的电压引入 PIC单片机。

电流采样模块采用的是采样电阻测电压的方法，由于电流变化的过程中伴随着温度的变化，而温度的改变会引起线圈电阻的改变，所以利用测量线圈两端的电压来测电流的方法是不可取的。这里我们引入采样电阻测量电流，将采样电阻串联在线圈电阻上，利用采样电阻值固定的特点，对采样电阻两端的电压进行采样，然后引入 PIC单片机 I/O口进行 A/D转换，从而由采样电压计算通过线圈的电流。

在保护动作模块中，将采样电压引入 PIC单片机后，需要进行 A/D转换，过流判定，过流时还需要进行 PWM电压输出的关闭。具体方法将在过流保护软件部分给出。

3 过流保护的软件设计

过流保护的软件设计主要分为 A/D转换模块和 PWM输出模块。

由于 PIC单片机只具有一个 A/D转换通道，而恒压保护、过流保护、过热保护都需要进行 A/D转换，所以这里采用三个 I/O口分时占用一个 A/D转换通道的方式，以保证不同功能轮流工作，互不干扰。

A/D转换模块中，模数转换器可将模拟输入信号转换为信号的 10位二进制表示。该模块使用模拟输入，这些输入通过多路开关连接到同一个采样和保持电路。采样保持电路的输出与转换器的输入相连接。转换器通过逐次逼近法产生 10位二进制结果，并将转换结果存储在 ADC结果寄存器（ADRESL和 ADRESH）中。可通过软件方式选择 VDD或施加在外部参考引脚上的电压作为 ADC参考电压。如图 1为 ADC的框图。

PIC单片机具有专用的 PWM输出模块，PWM模式可以产生不同频率和占空比的脉宽调制信号。在脈宽调制（PWM）模式下，CCP模块会在CCP1引脚上产生大 10位分辨率的 PWM输出信号。PWM周期可通过写Timer2的 PR2寄存器来指定。PWM周期可由公式（1）计算。

PWM周期=[（PR2）+1]*4*Josc*（TMR预分频值）（1）

通过将 10位值写入多个寄存器来指定 PWM占空比：CCPR1L寄存器和 CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位。CCPR1L包含高 8位而 CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位包含低 2位。可以在任何时候写入 CCPR1L和CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位。在周期结束（即 PR2和 TMR2寄存器发生匹配）前占空比值不会被锁存到 CCPR1H中。当使用 PWM时，CCPR1H寄存器是只读的。

在过流保护设计中，首先将采集到的电压进行 AD转换，得到十位的二进制数存在 ADRESL和 ADRESH中，然后将得到的电压数值与额定阈值进行比较，若小于额定阈值，则继续工作，若大于额定阈值，则将 CCPR1L位置零，从而关闭 PWM电压输出，切断电路。其软件流程图如图 2所示。

4 结论

本文基于 PIC的计算和控制功能，采用对线圈电流和温度采样并进行监控的方法，实现了发生过流和过热情况时自动切断电源的功能。实现了智能开关设备工作过程中的自动保护和调节以及对智能开关设备内部各项数据进行实时监控的功能，提高了智能开关设备工作的稳定性和安全性，可以应用于工业、农业、交通运输等多种场合，提高整体系统的安全性能。

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