一種智能脫扣器數據采集系統硬件設計
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表1 電流值及經電流互感器輸出電壓值。
電流值及經電流互感器輸出電壓值
2. 2 電流采樣
由空心電流互感器輸出的小交流電壓，需要經過調理電路才能輸入微控制器的A/D( 模數轉換)單元。調理電路主要完成信號的濾波、放大、提升。交流采樣電路如圖3所示，其中，R1、C1為空心電流互感器后積分電阻和電容。將R1的輸出電壓經運放LM 224 U1A、U1B 構成的放大電路進行放大，產生2. 5 V 左右的交流電壓。C3、R7、C4、R6實現了低通、高通濾波，其截止頻率為1 /2πRC。
經過計算，選擇了合適的低通、高通濾波電容與電阻值，使得通過的頻率在10. 61 ～ 123. 72 Hz 之間。LM 224 U1C 放大器為前面產生的交流電壓提供一個基準的直流電壓，交流電壓與直流電壓疊加，使電壓得到提升。最終，V0輸出經調理后的單極性電壓，將此電壓直接輸入LPC 2294 的A/D 單元。輸入電流IN = 630 A 時輸出電壓U0的波形如圖4 所示。經測量，在空心互感器采樣不同電流值時，經電流采樣電路輸出電壓數值如表2 所示。其中，10. 61 ～ 123. 72 Hz Ua為電壓波峰與波谷之間的距離。
電流采樣電路本文引用地址：http://www.104case.com/article/195128.htm
圖3 電流采樣電路。
U0—波峰2 V;波谷—0. 7 V
圖4 IN = 630 A 示波圖。
表2 電流采樣電路輸出電壓值。
電流采樣電路輸出電壓值
2. 3 電壓采樣
電壓過高會危及電力設備的安全和降低電力設備的使用壽命，電壓過低則不利于電網的安全穩定運行。根據國家標準的規定，過電壓或欠電壓指電壓幅值超過或小于了標稱電壓，且持續時間大于60 s，數值在1. 1 ～ 1. 2 p. u. 或0. 8 ～ 0. 9 p. u. 。應用智能斷路器對電網電壓信號分析判斷，在電網出現過電壓、欠電壓時及時分斷系統連接，保護電網及用電器。交流電壓采樣電路如圖5 所示。運放LM 224 U1A、U1B 實現二階濾波，U1C 作為電壓跟隨器，實現了隔離，提高了輸入阻抗，降低輸出阻抗，提高了小信號帶負載能力。電壓采樣實際中，觀測圖及其變化曲線與電流采樣類似。
交流電壓采樣電路
圖5 交流電壓采樣電路。
2. 4 剩余電流采樣
國家對用電安全有強制性要求，在許多場合都要求安裝剩余電流保護器。剩余電流保護器用以對低壓電網直接觸電和間接觸電進行有效的保護，以剩余電流作為動作信號，靈敏度高、動作后能有效地切斷電源，保障人身安全。剩余電流保護分為直接接觸保護和間接接觸保護。對于該兩種接觸保護，當動作電流小于 30 mA 時，若保護器流過的零序電流為30 mA 以上，動作時間限定0. 2 s;60 mA 以上，動作時間限定0. 1 s;當達到250 mA 時，動作時間限定只有0. 04 s。對于防止直接接觸帶電體保護的動作電流為30 mA，要求在0. 1 s 內動作。剩余電流采樣電路如圖6 所示。其中，輸入電流信號為電網電流經過零序電流互感器輸出信號，2 個反向二極管防止大電流擊穿，R1為采樣電阻，將電流轉化為電壓信號。
R2、C2構成RC 低通濾波器，放大器將小電壓信號放大。圖7(a)、圖7( b) 分別為剩余電流采樣電路實際應用中在示波器觀察到的圖形。圖7( a)為輸入信號I1 = 30 mA(故障) 時輸出電壓U2波形。圖7(b)為輸入信號I2 = 28 mA( 正常) 時輸出電壓U2波形。
剩余電流采樣電路
圖6 剩余電流采樣電路。
圖7 實際應用中的剩余電流采樣電路的示波圖形。
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