基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器研究与设计-开题报告

SJ003-1 2015 届毕业设计（论文）开题报告二级学院： 电子信息与电气工程学院 班 级： 11电Y3 学 生： 学 号： 指导教师： 职 称： 副教授 课题名称基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器研究与设计课题类型毕业设计 毕业论文起止时间2015.3.16.15开题报告（毕业设计：含课题来源及现状、设计要求、工作内容、设计方案、技术路线、预期目标、时间安排及参考文献等。字数为3000以上。）（毕业论文：含课题来源、研究价值，国内外研究现状，研究内容，研究方法，研究思路，论 文提纲，预期目标，时间安排及参考文献等。字数为3000以上。）1.课题简介欠压脱扣器作为断路器内嵌的重要元件之一，对欠压脱扣中断路器分闸起着关键性作用。本文分析了现有欠压脱扣相关问题后，提出一种欠压脱扣器新方案。结合这种方案，就主电路、SoC（system-on-chip）电路、开关电路以及主控流程等主要问题展开了讨论。最后给出了本方案的实际效果。2.课题的来源及现状2.1课题的来源脱扣器应保护电路的需要而产生并随着断路器发展而发展。断路器是指一类能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定时间内关合、承载和开断异常回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。欠电压脱扣器是在它的端电压下降至规定范围时，使断路器断开的一种脱扣器，其中还分为有延时或无延时。当电源电压下降到额定工作电压的70%至35%范围内，欠电压脱扣器工作；电源电压等于或大于85%脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能使断路器闭合。因此，当电路中电源电压发生一定的压降时，它能切断电源，使该电路中的电气设备避免损坏。使用时，应该注意欠电压脱扣器通电后，断路器才能合闸，否则断路器合不上闸。断路器作为电力系统中一种非常重要的开关器件，被广泛应用于各类电网的供配电系统的生产中，起核心的器件即为脱扣器。脱扣器在断路器中负责采集信号与控制执行元件来完成线路接通和断开的操作，所以脱扣器的性能关系着断路器是否能够以准确、高效的动作来实现对线路的控制和保护。2.2课题的国内外现状低压断路器是低压配电系统中的主要元件，其保护功能的触发是由脱扣器实现的。早期脱扣器的过载保护功能是利用了双金属片在通过人电流时受热产生变形，从而使机械系统动作来实现的。由于不同金属片的受热形变系数不同、所以可以近似模拟多种时间/电流特性曲线。其缺点是体积较大，过流保护特性不够理想。70年代开始出现了电子式脱扣器，90年代逐步推出了智能型脱扣器。智能型脱扣器由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、传感技术和通信技术等，使其功能更趋完善。除实现了各种保护功能外，还有监察显示功能、故障记录功能、通信等各种辅助功能，现已在低压配电系统中得到了广泛应用。低压断路器主要用来对发电机、电动机、变压器和电缆等设备进行过载，短路和接地故障保护。脱扣器是断路器的中枢部件，它承担着断路器的各种保护、报警、显示与控制功能。 早期的脱扣器为电磁式的。其工作原理是利用双金属片在流过电流时发热变形而使脱扣器动作，这类脱扣器制造调整困难，精度低和可靠性差。 传统的断路器保护功能是通过脱扣器中机械系统的动作来实现的，其效果也不够理想。为了防止用电设备故障以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠和更具保护性能的断路器。 随着微电子技术的发展，集成电路的出现，大大缩小了普通电子电路的体积，因而出现了以专用集成电路为基础的多功能脱扣器，从而促进了多功能断路器的发展。同时微型计算机技术的发展也为低压电器的智能化提供了条件。智能脱扣器是智能断路器的核心部件，它不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)，以及和PC机进行通信等功能。3.设计任务及要求3.1设计任务本次设计为基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器的研究与设计。主要完成断路器功能特性、使用场合、内部结构等知识的学习，开展基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器的研究与设计，包括电路设计与仿真、软件设计与仿真，最终设计出PCB及全部软件。3.2设计任务和要求目标（指标）要求通过研究与设计，基本达到如下要求。（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。（5）最小可动作间隔时间：0.3s。3.3工作内容（1）掌握断路器内部“附件”-欠压脱扣器原理、国标等内容。（2）学习SoC电路的相关知识，基本掌握SoC电路的原理。（3）学习STM8S003F3单片机原理，掌握C语言编程。（4）学习电子CAD软件、Visio软件、multisim软件，并能熟练运用。4.设计方案4.1总体思路DW45断路器作为智能型低压万能式断路器，具有智能化、可通信、体积小、短路分断能高和保护功能完善等特点，逐步成为智能电网中的主要配电单元。欠压脱扣器作为断路器中内嵌的重要元件之一，对欠压脱扣断路器分闸起着关键性作用。设有欠压脱扣器的断路器，按照国标规定，当电网电压下降到一定程度时，断路器分闸切断电源，既保护了重要设备的正常运行，又保护了本级电网下的用电设备。欠压脱扣器同时必须满足断路器之电磁兼容性的全部规定。欠压脱扣的本质，是防止断路器本级电器设备工作在欠压状态下电流过大，电器设备自身发热加重以及防止越级跳闸的有效措施。新一代断路器整体体积缩小，对内嵌电子单元提出了更高要求。如何在基于SoC的电路中来分析原有存在的问题，提出更优的设计方案，研制适用DW45系列断路器的高性能欠压脱扣器，是目前急需解决的一个重要问题。4.2具体方案本次设计主要有单片机、EMC抗干扰、全波整流、信号采样电阻R1和R2、SoC电路、开关电路六大部分组成。4.2.1硬件设计本设计的电网输入电压（220V/380V）从L、N输入，经EMC电路抗干扰抑制，形成“二次电源”L1、N1。设输入电压为0.85Ue，经过电容器C1由全桥B1整流后向电容器C2充电，经过t1时间后，VH电压被充电到a点（20.85Ue），SoC控制开关电路接通电磁铁，C2上的电荷经电磁铁释放，电磁铁被强力启动，VH电压下降到b点。输入电压增加，则电磁铁端电压增加。输入电压逐步下降到0.5Ue时，VH电压下降到c点，SoC控制开关电路断开电磁铁。方案中，电阻R3、R4对VH分压后的电压信号SB送入SoC，用于检测C2的充电电压值，Z2作限幅保护。L1经过二极管D0半波整流向电源电路供电，同时由电阻R1、R2组成电网的半波取样电路，取样信号SA送SoC，Z1限幅SA信号。电源电路产生12V电压供开关电路，生产的5V电压供SoC电路。因采用SoC作为主控芯片，电路整体极为简练。在正常电压区间，电磁铁始终处于被接通状态，对脉冲群等干扰呈现低阻抗，开关电路承受的干扰电压大为降低，可靠性得以大幅度提高。具体电路如图1所示。图1 DW45欠压脱扣器4.2.2软件设计软件设计主要包括软件结构的设计和软件程序的设计。综合硬件电路设计的特点，为了实现上述预期的功能，绘制出主流程图。如图2所示。图2 主控流程图在主程序中吸合值UA、欠压脱扣值UR各自平方除以2后和C2充电目标值UE作为常数存放。SoC上电初始化后，先行读取3位拨码开关设定的时间值，进入电压值测量。定时器定时tS时间到，激活CPU的同时，启动A/D采样SA信号，并判断是否完成了一个周期的采样。当VSA大于UA时，进一步判断VSB是否大于UE，也大于时，SoC输出ON信号为低电平，控制开关电路接通电磁铁。接着判断VSA是否小于UR，小于时判断是瞬时脱扣还是延时脱扣。瞬时脱扣状态时，SoC输出ON信号转为高电平，控制开关电路断开电磁铁实现脱扣。否则，继续完成设定的延时时间后脱扣。主控流程图如图2所示。主控程序中，加入了“空闲模式”，使得CPU消耗电流明显降低，既减轻了电源电路的功耗，又进一步提高了测控电路的可靠性。5.进度序号内容周时备注1查阅资料，学习相关知识。下载安装并实现相关软件。完成开题报告（方案确定）1周（第1周）2总体设计、硬件电路分析计算、软件编程6周（第38周）3硬件电路PCB、组装、仿真与调试3周（第911周）4数据分析与撰写论文3周（第1214周）5答辩准备及答辩1周（第15周）6.参考文献1陈培国.新一代DW450-1600智能型低压万能式断路器J.低压电器,2005(1):8-142何瑞华.我国低压电器现状与发展趋向J.电气时代,2012(1):37-423GB14048.12006/IEC60947-1:2001低压开关设备和控制设备第1部分:总则S4王加法.欠电压分励一体化脱扣器的设计J.江苏电器,2008,(11):23-245吴志祥.基于ATtinySoC的永磁型欠压脱扣器的设计J.工矿自动化,2008(6):119-1216GB14048.22008/IEC60947-2:2006低压开关设备和控制设备第2部分:断路器S7王永忠.断路器欠压脱扣器的优化设计J.低压电器,2012,(2):17-198贺湘琰.电器学M.北京:机械工业出版社,20079马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第2版）M.北京:北京航空航天大学出版社,2012（2）2-3.10周安跃.基于单片机控制的塑壳断路器智能脱扣器J.低电压器,2011,(14):25-26.11李文卓.一种新型永磁电动操作机构J.上海交通大学学报，2007,(5):492-496. 12陆雯,黄学断路器欠压脱扣器抗冲击设计J环境技术,2003,(4):12-15.13令狐绍江,王卫国,袁波等.一种万能式断路器机构改进设计j.低压电器,2011(2):15-18.14吴志祥,周祥才,严晓芬.可靠永磁欠压脱扣器的研究与设计J.低压电器,2013,(14):28-31.15尹勇，李林清.Mulisim电路仿真入门与进阶M.科学出版社，2005：13-1716王兆安，黄俊.电力电子技术M.机械工业出版社，2000；37-4217高敏.基于SOC永磁型欠压脱扣器的设计学位论文硕士，2009；18王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术.机械工业出版社，2002；23-4019卓惠荣.新一代经济型智能型万能式断路器-1SW15HHJ.机床电器，2002；20许蓉.我国智能电网的发展及其关键技术浅析J.