一种智能脱扣器数据采集系统硬件设计
表1 电流值及经电流互感器输出电压值。
电流值及经电流互感器输出电压值
2. 2 电流采样
由空心电流互感器输出的小交流电压，需要经过调理电路才能输入微控制器的A/D( 模数转换)单元。调理电路主要完成信号的滤波、放大、提升。交流采样电路如图3所示，其中，R1、C1为空心电流互感器后积分电阻和电容。将R1的输出电压经运放LM 224 U1A、U1B 构成的放大电路进行放大，产生2. 5 V 左右的交流电压。C3、R7、C4、R6实现了低通、高通滤波，其截止频率为1 /2πRC。
经过计算，选择了合适的低通、高通滤波电容与电阻值，使得通过的频率在10. 61 ～ 123. 72 Hz 之间。LM 224 U1C 放大器为前面产生的交流电压提供一个基准的直流电压，交流电压与直流电压叠加，使电压得到提升。最终，V0输出经调理后的单极性电压，将此电压直接输入LPC 2294 的A/D 单元。输入电流IN = 630 A 时输出电压U0的波形如图4 所示。经测量，在空心互感器采样不同电流值时，经电流采样电路输出电压数值如表2 所示。其中，10. 61 ～ 123. 72 Hz Ua为电压波峰与波谷之间的距离。
电流采样电路本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/195128.htm
图3 电流采样电路。
U0—波峰2 V;波谷—0. 7 V
图4 IN = 630 A 示波图。
表2 电流采样电路输出电压值。
电流采样电路输出电压值
2. 3 电压采样
电压过高会危及电力设备的安全和降低电力设备的使用寿命，电压过低则不利于电网的安全稳定运行。根据国家标准的规定，过电压或欠电压指电压幅值超过或小于了标称电压，且持续时间大于60 s，数值在1. 1 ～ 1. 2 p. u. 或0. 8 ～ 0. 9 p. u. 。应用智能断路器对电网电压信号分析判断，在电网出现过电压、欠电压时及时分断系统连接，保护电网及用电器。交流电压采样电路如图5 所示。运放LM 224 U1A、U1B 实现二阶滤波，U1C 作为电压跟随器，实现了隔离，提高了输入阻抗，降低输出阻抗，提高了小信号带负载能力。电压采样实际中，观测图及其变化曲线与电流采样类似。
交流电压采样电路
图5 交流电压采样电路。
2. 4 剩余电流采样
国家对用电安全有强制性要求，在许多场合都要求安装剩余电流保护器。剩余电流保护器用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效的保护，以剩余电流作为动作信号，灵敏度高、动作后能有效地切断电源，保障人身安全。剩余电流保护分为直接接触保护和间接接触保护。对于该两种接触保护，当动作电流小于 30 mA 时，若保护器流过的零序电流为30 mA 以上，动作时间限定0. 2 s;60 mA 以上，动作时间限定0. 1 s;当达到250 mA 时，动作时间限定只有0. 04 s。对于防止直接接触带电体保护的动作电流为30 mA，要求在0. 1 s 内动作。剩余电流采样电路如图6 所示。其中，输入电流信号为电网电流经过零序电流互感器输出信号，2 个反向二极管防止大电流击穿，R1为采样电阻，将电流转化为电压信号。
R2、C2构成RC 低通滤波器，放大器将小电压信号放大。图7(a)、图7( b) 分别为剩余电流采样电路实际应用中在示波器观察到的图形。图7( a)为输入信号I1 = 30 mA(故障) 时输出电压U2波形。图7(b)为输入信号I2 = 28 mA( 正常) 时输出电压U2波形。
剩余电流采样电路
图6 剩余电流采样电路。
图7 实际应用中的剩余电流采样电路的示波图形。
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