《电子技术应用》

基于快速RMS算法的低压保护器自恢复设计

2017年电子技术应用第3期 作者:李元熙1,2,杨国华1,2,邹修国3
2017/4/11 14:28:00

李元熙1,2,杨国华1,2,邹修国3

(1.江苏省无线传感系统应用工程技术研究开发中心,江苏 无锡214153;

2.无锡商业职业技术学院 物联网技术学院,江苏 无锡214153;3.南京农业大学 工学院,江苏 南京210031)


    摘  要: 提出了一种具有自恢复能力的机械式低压保护器改进设计。装置采样同一单调区间内的输入电压并利用改进型导数法快速计算出当前有效值,经阈值判断后通过内部电机驱动齿轮组的方式带动机械式保护器实现分合闸操作,并在电压故障排除后自动恢复接通状态。首先介绍了自恢复功能的原理、结构和电路设计,随后分析了快速有效值算法的优缺点并提出了改进方法,最后比较和分析了实验装置在不同电压下断路与恢复的可靠性和有效性。

    关键词: 自恢复;快速有效值计算过欠压保护;断路保护器

    中图分类号: TN06

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.012


    中文引用格式: 李元熙,杨国华,邹修国. 基于快速RMS算法的低压保护器自恢复设计[J].电子技术应用,2017,43(3):51-54.

    英文引用格式: Li Yuanxi,Yang Guohua,Zou Xiuguo. Self-restorable design of low voltage protector based on fast RMS algorithm[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):51-54.

0 引言

    目前国内家用单相保护器多为机械式结构,在异常情况排除后,需人工进行合闸操作,自动化程度较低。同时,当中性线断线、相线与中性线接反引起供电过压或欠压时[2],起到保护作用的断路器却因没有实时电压检测而无法保护电气设备,造成用户损失。所以研究一种具备实时电压监测与自恢复功能的低压保护器具有可观的市场前景。

1 功能设计

    新型自恢复低压保护器的模型如图1所示,它利用过欠压检测电路实现入户电压实时采样并通过快速有效值算法在嵌入式控制器计算出当前电压有效值,依此判断是否需要自动回复状态。推杆位置检测电路通过微动开关获取保护器当前推杆的位置状态,并配合改进型H桥电机驱动电路控制电机正反转,进而利用传动装置推动保护器分合闸。开关电源采用小功率设计,提供12 V和5 V两种电压。此装置是对现有手动机械式低压断路保护器的升级改造,通过与其并列安装,利用摇臂直接提升自动化能力。

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2 结构设计

    装置是利用电机驱动齿轮组来带动保护器摇臂推杆完成分合闸操作。在图2所示的内部机械结构中直流电机通过转轴带动齿轮组转动,经过三级齿轮的多方向啮合完成转动平面的变换,并通过齿轮比实现变速。在内部利用“半月形”齿轮内咬合驱动摇臂推杆,进而带动保护器分合闸。为了能瞬时断开线路,装置内安装了脱扣机构,利用小型电磁装置实现线路异常时的联动断开。

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3 电路设计

    设备硬件按功能主要分为:小功率开关电源、核心控制单元、单相电压检测电路、位置检测电路、电机驱动电路和通信接口等。

3.1 开关电源设计

    由于设备尺寸较小,电源设计时选用了PI公司的TinySwitchⅢ集成开关电源芯片TNY276,以实现18 W以内的小功率电源。该芯片内部集成了一个高压功率MOS管和电源控制器,具有较好的输出特性。设计时,单相电输入端通过2个压敏电阻实现600 V内瞬时高压保护,经整流后利用TNY276和开关变压器构成反激式开关电源,在次级利用稳压管、光耦器、电阻组成控制器的反馈电路,并将输出电压稳压在12 V,提供最大1.5 A电流。而各类芯片所需的5 V电压则由后级78L05提供,具体电路如图3所示。

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3.2 核心控制单元

    核心控制单元采用飞思卡尔公司的Kinetis KE04微控制器,该芯片是一款ARM Cortex_M0+内核的32位控制器,可在复杂电气噪声环境中保持较高稳定性。在设计时,利用芯片内部振荡器和FLL模块将内核频率设置为48 MHz,利用7个数字引脚读取外围开关量,同时芯片连接485总线通信接口、电机控制接口、指示灯接口等电路,完成手控操作、单相电压检测、预付费信号检测、脱扣电路控制等操作。

3.3 实时电压检测电路

    单相电压检测是自恢复功能的基础,设计时采用片内直接采样方法,在电路上单相电通过电阻分压的方式将L和N相电压加载至集成双运放MCP6002的VIN_A+、VIN_A-引脚。考虑到电源具有隔离设计和前后级无法共地等情况,利用B路运放结构将降压后的N相电压维持在2.5 V左右,并提供与后级电路的共地基准,电路结构如图4。

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4 自恢复功能设计

    自恢复功能是通过判断当前电压所在的区间,并控制电机带动机械推杆而实现的。操作时先通过采样电路获得电压样本值,再利用快速有效值算法计算当前相电压并与过欠压阈值进行比较。若超过限定值则使能脱扣电路控制保护器分闸,反之可通过电机驱动齿轮组恢复合闸状态,因而电压有效值计算的速度与准确性决定了断路器自恢复功能的实时性和有效性。本文就快速有效值计算的方法及改进措施进行分析。

4.1 有效值计算方法分析

    假设瞬时输入电压为正弦交流信号:

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    可见有效值与瞬时最大值有密切关系。若采用传统的全周期采样,在一周期内可得到电压最大值Um,进而利用式(2)可计算获得有效值,但这种方式的数据精度与采样间隔有较大关系,当采样过于稀疏时,在一周期内获得的采样最大值并不准确,导致计算结果准确性降低,而要弥补这种缺陷就必须增加采样点数,这样就会牺牲处理时间,不适合实时性要求高或电压瞬时波动的场合[4]

4.2 快速有效值算法

    为了解决全周期采样的局限性,使用了一种基于导数的有效值快速计算方法。对交流信号瞬时表达式(1)求导,得到:

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    综合式(4)、式(5)可见,采用该方法仅需2个采样值即可计算出有效值,极大降低了系统处理时间,提高了实时性。但由于电网中存在较大的谐波分量,尤其是当采样值正好处在干扰处或处在峰值毗邻的两侧时,这种连续2点采样的计算结果会有较大误差。

4.3 算法改进

    针对采样位置可能引入的误差,提出了改进方法:采样时,每次连续采样至少3个点的数据u1、u2、u3,并确保这些点处在同一单调区间内,将u1和u2、u2和u3顺序代入式(4)、式(5),计算出2个电压有效值,最后做简单的算术平均滤波,以减少偶然误差。为了获得较好的抗干扰能力,也可以在图4的采样电路中增加前置滤波电路[1],或者采用多次计算平滑滤波的方式。

    在采样频率方面,需要对采样周期Ts进行限制,防止由于两次采样过近引起瞬时值导数u′=0。本例采样电路中瞬时相电压降压在2.5 V左右,采集的模拟信号可表示为u=2.5sin100πt,使用片内12位AD采样后可得最小分辨率为qrs2-4.3-x1.gif(11位有效数值),因而两次相邻的采样值差要大于最小分辨值,即|2.5sin100πt-2.5sin100π(t+Ts)|>0.001 22,可得,Ts>1.55 μs。

    设定输入电压为220 V/50 Hz,采样间隔100 μs,其在改进算法下的计算结果如表1。

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5 样机测试与分析

    按照自恢复式过欠压保护器报批标准对样机进行测试时,主要检验过欠压动作与自恢复功能的有效性。测试电路连接如图5所示,其中TA是自耦变压器,T为变压器,D为样机。测试样品与机械式断路器并列安装,实物连接如图6所示。

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    进行过压动作与恢复测试时,设置样机D在断路状态且不连接负载,分别调节TA1和TA2,使T1输出Ue,T2调节到增加的电压值。先闭合K1、K3,断开K2,对试品施加Ue,装置合闸,然后闭合K2,观察样机动作。重复上述步骤对表2规定的过压动作值进行试验(在每一次操作之后,电压恢复至Ue)。

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    进行欠压动作与恢复测试时,样机D初始状态处于闭合位置且不连接负载,调节自耦变压器TA1和TA2,将T1输出为0.70Ue,T2输出0.15Ue。先闭合K1、K3,同时断开K2,对试品施加0.70Ue电压,要求试品D在5 s内分闸锁死。然后闭合K2,使试验电压不间断地提高到0.85Ue,测试样机能否在20 s时间内自动复位合闸状态。随后重复上述操作调整T1输出的电压范围从220 V~60 V变化,随后加入T2电压后恢复至195.5 V,观测装置能否恢复,其测试结构如表3所示。

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6 结论

    自恢复式单相过欠压保护器通过对现有断路器的改造,利用电控机械结构的方式实现了欠压(60 V~160 V)和过压(260 V~440 V)的断路保护以及恢复功能,具有较高的自动化分合恢复能力,为家用电网终端的智能化升级提供了一种有效的途径。同时利用改进的快速有效值计算,使得装置对电压的实时波动较为敏感,其测试结果符合设计要求和相应标准。目前该装置已投入小批量生产,应用于居民小区电网终端的改造与测试。

参考文献

[1] 蓝波,周义明,曹泽莼.快速求取电压有效值与频率的一种新方法[J].北京石油化工学院学报,2007,15(4):49-51.

[2] 毛海峰,楼铭达,朱骏杰,等.基于微断的自复式过、欠电压保护电器研究[J].建筑电气,2014,33(4):69-71.

[3] 张容.一种新型自复式过电压、欠电压保护器的设计[J].现代电子技术,2014,37(20) :152-153,156

[4] 蔡克卫,王宁会,李国锋.基于IIR低通滤波器的快速正弦电压有效值新算法[J].大连理工大学学报,2013,53(2):254-259.

[5] JB/TXXXX-201X.自恢复式过欠压保护器(报批稿)[S].

[6] 张江,王年,程志友,等.基波有效值快速算法在电压波动与闪变中的应用[J].四川电力技术,2007,30(6):6-8.

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