基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器研究与设计参考模板

摘要摘要随 着 电 力 事 业 的 迅 猛 发 展 ， 对 保 护 电 路 的 要 求 越 来 越 高 。 欠 压 脱 扣 器 是 低 压断 路 器 的 关 键 元 件 之 一 ， 它 的 性 能 关 系 着 断 路 器 是 否 能 以 准 确 、 高 效 的 动 作 ， 来实 现 对 线 路 的 控 制 和 保 护 。 高 可 靠 、 低 功 耗 的 欠 压 脱 扣 器 是 适 应 当 今 电 力 事 业 发展 的 新 型 脱 扣 器 。本 设 计 在 分 析 和 总 结 国 内 外 研 究 现 状 的 基 础 上 ， 提 出 了 DW50 永 磁 欠 压 脱 扣器 。 较 电 磁 型 欠 压 脱 扣 器 而 言 ， 本 设 计 中 电 路 只 需 瞬 时 输 出 功 率 ， 驱 动 线 圈 动 作 ，无 需 使 线 圈 一 直 通 电 ， 不 存 在 复 位 弹 簧 始 终 受 力 ， 线 圈 发 热 的 问 题 。 在 功 耗 降 低的 同 时 也 提 高 了 欠 压 脱 扣 器 的 可 靠 性 。 此 外 NEC 系 列 UPD78F9202 微 型 单 片 机的 采 用 使 整 个 设 计 具 有 了 高 性 能 、 小 型 化 、 电 子 化 、 智 能 化 、 多 功 能 化 的 特 征 。DW50 永 磁 欠 压 脱 扣 器 的 研 究 与 推 广 使 用 对 促 进 我 国 低 压 电 器 设 备 总 体 水 平 的 提高 有 着 非 常 重 要 的 意 义 。本 文 在 大 量 查 阅 国 内 外 有 关 永 磁 欠 压 脱 扣 器 文 献 的 基 础 上 ， 展 开 了 对 DW50永 磁 欠 压 脱 扣 器 研 究 与 设 计 。 重 点 对 硬 件 电 路 进 行 模 块 化 设 计 ， 尽 量 简 化 硬 件 电路 ， 提 高 设 计 可 靠 性 ， 对 硬 件 模 块 逐 个 仿 真 和 调 试 。 然 后 针 对 所 选 用 的 单 片 机 进行 软 件 部 分 的 设 计 与 调 试 。 最 后 综 合 软 硬 件 的 设 计 ， 在 仿 真 软 件 上 调 试 并 做 出 进一 步 的 改 进 。 最 后 对 本 课 题 做 出 总 结 ， 提 出 不 足 和 改 进 的 目 标 。关 键 词 ： 永 磁 欠 压 脱 扣 器 ； 电 路 设 计 ； 单 片 机 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书AbstractWith the rapid development of electric power industry, the requirement of protection circuit getting higher .under voltage release is one of the key components of low-voltage circuit breaker .Whether its relationship with the performance of the circuit breaker can as accurate and efficient action to control and protect the circuit .High reliability and low power consumption under voltage release is a new type release that can adapt to the modern electric power industry development.This design of DW50 permanent-magnet under voltage release bases on analyzing and summarizing domestic and foreign research present situation .In terms of the electromagnetic type under voltage release ,in this design just need the instantaneous power out ,Do not need to make the coil has been electrified ,there is no reset spring force, coil heat problem .In lower power consumption and improve the reliability of the under voltage release .Moreover ,The adoption of the NEC UPD78F9202 miniature micro controller series make the design has the characteristics of high-performance miniaturized electronic intelligent and multifunctional .The research and promotion of use of the DW50 permanent-magnet under voltage release has very important significance to improve the overall level of Chinas low-voltage electrical equipment .This paper bases on a lot of access to permanent-magnet under voltage release literatures at home and abroad .Focus on the Modular design of hardware circuit ,try to simplify the hardware circuit ,Improve the design reliability .The hardware modular do simulation and debugging to the hardware modular one by one .Then contrapose the single chip do some software part design and debugging .In the end ,synthesize the design of hardware and software ,debug on the simulationsoftware and make further improvements .Finally, give a summary to this topic, put forward shortage and improvement of target Key words: permanent-magnet under voltage release; circuit design; single chip常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书II目录第 1 章 绪论 .31.1 智能电网的发展现状 .31.2 低压断路器介绍 .21.2.1 低压断路器的概述 .21.2.2 低压断路器的工作原理和分类 .21.2.3 低压断路器的典型结构 .21.2.4 低压断路器的主要参数 .21.3 欠压脱扣器原理 .21.4 永磁欠压脱扣器的发展趋势 .2第 2 章 永磁脱扣器的现状与改进 .22.1 脱扣器国家标准浅析 .22.2 常见欠压脱扣器分析 .32.2.1 工作原理 .32.2.2 设计缺陷 .32.3 新型永磁脱扣器的设计理念 .32.4 机械要求 .32.5 本章小结 .3第 3 章 永磁欠压脱扣器执行元件计算 .33.1 常见导磁材料的分析 .33.3 本章小结 .3第 4 章 迅速发展的单片机技术 .44.1 PIC 单片机概述 .44.4 本章小结 .4第 5 章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计 .45.1 技术指标与参数 .45.2 系统原理框图设计 .55.3 主电路设计 .55.3.1 主电路设计 .55.3.2 单片机选择 .55.4 电源输入电路设计 .55.5 电源电路设计 .55.5.1 常用电源的比较分析 .65.5.2 电源电路设计 .65.5.3 稳压电路设计 .65.6 采样电路设计 .65.7 电磁驱动功率储能电路设计 .65.8 驱动电路设计 .65.8.1 常见电路通断控制方法对比 .65.8.2 常见 MOS 管驱动电路 .65.8.3 驱动电路设计 .6常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书III5.8.4 驱动电路仿真 .75.9 远控电路设计 .75.10 本章小结 .7第 6 章 永磁脱扣器软件设计 .76.1 单片机 UPD78F9202 的软件开发 .76.2 系统初始化 .76.3 A/D 采样程序设计 .86.3.1A/D 转换框图 .86.3.2A/D 转换与系统动作点 .86.3.3A/D 采样程序设计 .86.4 滤波程序设计 .86.4.1 常用滤波方法的比较 .86.4.2 滤波程序设计 .86.5 比较程序设计 .86.6 定时程序设计 .86.6.1 定时器基本框图 .86.6.2 间隔定时器 .86.7 总流程图设计 .86.8 本章小结 .8致谢 .9参考文献 .10附录 1.12附录 2.13第 1 章 绪论1.1 智能电网的发展现状智 能 电 网 是 建 立 在 集 成 、 高 速 、 双 向 通 信 网 络 基 础 上 的 电 网 的 智 能 化 。 它 与 现 有常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书21.2 低压断路器介绍1.2.1 低压断路器的概述低 压 断 路 器 又 叫 自 动 空 气 开 关 或 自 动 空 气 断 路 器 ， 简 称 断 路 器 。 它 既 可 以 手 动 开1.2.2 低压断路器的工作原理和分类1.2.3 低压断路器的典型结构低 压 断 路 器 通 常 由 触 头 （ 图 1-1 中 1 触 头 ） ， 脱 扣 器 （ 如 图 1-1 中 7、 8、 14） ，电 动 操 作 机 构 （ 如 图 1-1 中 15 按 钮 ） ， 释 能 电 磁 铁 转 动 操 作 手 柄 （ 如 图 1-1 中 4 转 轴 ）， 加 长 手 柄 闭 锁 装 置 等 组 成 。1.2.4 低压断路器的主要参数1.断 路 器 的 额 定 电 流 参 数1.3 欠压脱扣器原理欠 压 脱 扣 器 是 断 路 器 上 的 保 护 性 部 件 之 一 ， 能 在 电 源 电 压 发 生 变 化 时 时 断 路 器 工1.4 永磁欠压脱扣器的发展趋势第 2 章 永磁脱扣器的现状与改进2.1 脱扣器国家标准浅析欠 压 脱 扣 器 是 低 压 断 路 器 的 关 键 元 件 之 一 ， 在 现 行 国 家 14048.2-2008 文 件 中 对 脱扣 器 有 以 下 标 准 。1.型 式2.特 性3.过 电 流 脱 扣 器 的 电 流 整 定 值对 于 具 有 可 调 式 脱 扣 器 的 断 路 器 ， 电 流 的 整 定 值 （ 或 电 流 整 定 值 的 范 围 ） 应 标 明在 脱4.过 电 流 脱 扣 器 的 脱 扣 时 间 整 定 值常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书32.2 常见欠压脱扣器分析2.2.1 工作原理常 见 电 压 脱 扣 器 是 将 欠 电 压 继 电 器 或 脱 扣 器 与 开 关 电 器 组 合 在 一 起 ， 当 外 施 电 压下 降 ， 甚 至 缓 慢 下 降 至 额 定 电 压 的 70% 35%范 围 内 ， 与 开 关 电 器 组 合 一 起 的 欠 电 压继 电 器 的 脱 扣 器 应 动 作 ， 使 电 器 断 开 。2.2.2 设计缺陷目 前 使 用 的 欠 压 脱 扣 器 多 是 电 磁 型 的 ， 虽 然 它 在 断 电 的 时 候 能 实 现 自 动 复 位 。 但2.3 新型永磁脱扣器的设计理念新 型 永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 仅 在 需 要 动 作 时 ， 控 制 电 路 输 出 瞬 时 功 率 ， 驱 动 线 圈 完 成2.4 机械要求本 设 计 中 要 求 电 磁 铁 吸 合 力 F 20N， 行 程 为 7mm。2.5 本章小结本 章 对 欠 压 脱 扣 器 的 现 状 做 了 加 深 入 的 分 析 ， 通 过 对 两 种 不 同 控 制 形 式 欠 压 脱 扣器 的第 3 章 永磁欠压脱扣器执行元件计算3.1 常见导磁材料的分析3.3 本章小结 迄 今 为 止 ， 虽 然 电 磁 铁 设 计 的 方 法 种 类 翻 多 ， 但 是 没 有 一 套 既 能 使 设 计 严 谨 、 准确 ， 又 能 使 计 算 简 单 、 方 便 的 设 计 方 法 。 很 大 部 分 参 都 只 能 按 照 以 往 经 验 或 经 典 值 来进 行 选 择 ， 再 经 理 论 性 的 复 算 ， 最 后 制 作 实 物 样 品 加 以 验 证 才 能 知 道 所 设 计 结 构 参 数是 否 合 理 ， 不 合 理 时 还 需 修 改 然 后 再 次 复 算 制 样 。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书4第 4 章 迅速发展的单片机技术单 片 机 是 集 成 电 路 芯 片 的 一 种 ， 它 采 用 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 ， 把 具 有 数 据 处 理4.1 PIC 单片机概述PIC 单 片 机 可 以 用 来 开 发 和 控 制 外 围 设 备 。 执 行 具 有 分 散 作 用 ， 是 能 执 行 多 任 务 的CPU。 与 人 类 较 器 。4.4 本章小结单 片 机 已 广 泛 地 应 用 于 军 事 、 工 业 、 家 用 电 器 、 智 能 玩 具 、 便 携 式 设 备 等 领 域 中 。第 5 章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计5.1 技术指标与参数1.技 术 指 标本 课 题 按 照 现 行 国 家 14048.2-2008 文 件 标 准 设 计 ， 即 电 源 电 压 下 降 到 额 定 电 压 的70%Ue 35%Ue 时 ， 欠 电 压 脱 扣 器 能 使 断 路 器 脱 扣 。 电 源 电 压 低 于 额 定 电 压 的 35%Ue时 ， 欠 电 压 脱 扣 器 能 保 证 断 路 器 不 合 闸 。 当 电 源 电 压 达 到 额 定 电 压 的85%Ue 110%Ue 时 ， 欠 电 压 脱 扣 器 能 保 证 断 路 器 正 常 工 作 。本 论 文 将 以 220V 电 压 结 合 普 遍 情 况 进 行 永 磁 欠 压 脱 扣 器 的 分 析 、 设 计 与 研 究 。2.主 要 参 数其 主 要 考 核 技 术 指 标 为 ：1） 额 定 电 压 Ue： 220V20%； 2） 吸 合 点 电 压 0.8Ue， 动 作 准 确 度 2V； 3） 脱 扣 点 电 压 0.5Ue， 动 作 准 确 度 2V；4） 额 定 电 压 脱 扣 力 20N；第 5 章 永磁欠压脱扣器硬件电路设计55） 最 小 可 动 作 间 隔 时 间 ： 0.3s。永 磁 欠 压 脱 扣 器 动 作 电 压 参 数 曲 线 如 图 5-1 所 示 。2 2 0 V8 0 %5 0 %ABC0 V220V电压正向绕组动作吸合反向绕组动作释放图 5-1 永 磁 型 欠 压 脱 扣 器 动 作 电 压 参 数 曲 线5.2 系统原理框图设计永 磁 欠 压 脱 扣 器 的 主 要 原 理 框 图 如 图 5-2 所 示 。 本 设 计 主 要 由 单 片 机 、 EMC 抗 干 扰 电路 、 全 波 整 流 电 路 、 信 号 采 样 电 阻 R1 和 R2、 电 源 电 路 、 延 时 时 间 拨 码 开 关 组 ( T ) 5.3 主电路设计主 电 路 是 介 于 电 源 电 路 和 控 制 电 路 之 间 的 脱 扣 器 执 行 指 令 动 作 执 行 电 路 。5.3.1 主电路设计图 5-3 主 电 路 和 储 能 电 容 简 化 电 路 图 是 对 图 5-2 的 简 化 ， 包 括 C1、 永 磁 电 磁 铁 线5.3.2 单片机选择针 对 本 次 设 计 的 永 磁 欠 压 脱 扣 器 而 言 ， 计 算 量 不 是 很 繁 重 ， 控 制 任 务 不 是 很 复 杂 ，采1.UPD78F9202 系列单片机的特点2.引脚配置5.4 电源输入电路设计电 路 电 源 接 通 经 热 敏 电 阻 器 NTC 后 经 电 磁 兼 容 性 （ EMC） 电 路 抗 干 扰 抑 制 ， 形成 二 次 电 源 。 全 桥 BG1 整5.5 电源电路设计为 了 保 证 系 统 的 正 常 工 作 ， 电 源 电 路 是 必 不 可 少 的 。 任 何 微 机 处 理 系 统 ， 电 源 设计 都 是 十 分 重 要 的 环 节 。 本 系 统 中 存 在 两 种 不 同 的 电 源 需 要 ， 给 NEC 单 片 机 供 电 的常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书6+5V 电 压 和 提 供 给 线 圈 驱 动 电 路 的 +15V 电 压 ， 设 计 上 要 统 一 考 虑 。5.5.1 常用电源的比较分析在 电 路 中 电 源 的 选 取 十 分 的 关 键 ， 下 面 是 对 两 种 常 见 稳 压 电 源 的 比 较 分 析 。5.5.2 电源电路设计串 联 型 稳 压 电 路 以 稳 压 管 稳 压 电 路 为 基 础 。 稳 压 管 稳 压 电 路 输 出 电 流