基于STM32的小型斷路器智能脫扣器設(shè)計(jì)

張 賢 遲長春

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海201306）

0 引言

傳統(tǒng)的斷路器很多都是采用所謂的“磁熱”式設(shè)計(jì)模式，通過機(jī)械系統(tǒng)的動作來實(shí)現(xiàn)通斷[1]。這種設(shè)計(jì)方式導(dǎo)致傳統(tǒng)的斷路器體積較大，也有很多其他不足的地方，比如產(chǎn)品一致性不好、保護(hù)精度不高等[2]。為了避免用電設(shè)備發(fā)生各種故障時影響到整條線路的正常運(yùn)行，要求在以往斷路器的起點(diǎn)之上，研制出高度集成、自動化、模塊化的智能型斷路器，使其可靠性大大提高[3]。

本文使用單片機(jī)控制小型電機(jī)帶動斷路器刀閘動作，實(shí)現(xiàn)斷路器的自動分、合閘功能。根據(jù)需要采用STM32F100控制芯片，該芯片具有功耗低、處理速度快、自帶A/D轉(zhuǎn)換器等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)場使用的自然環(huán)境、電磁環(huán)境等要求。

1 總體設(shè)計(jì)思路

智能脫扣器總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

主線路中的電壓與電流信號通過電壓、電流互感器，轉(zhuǎn)換成為可供測量的電信號，再通過整流濾波和放大，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換成符合A/D輸入要求的電平。A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算和處理后對執(zhí)行單元輸入控制信號，控制斷路器的分合閘。

2 信號轉(zhuǎn)換電路

信號轉(zhuǎn)換電路分為信號調(diào)理電路和電平轉(zhuǎn)換電路。其中，信號調(diào)理部分通過高精度電源芯片及其外圍電路對變壓器處理過的高壓信號進(jìn)行變換，變換后的信號在12～15 V范圍內(nèi)；電平轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)工作時的電平。

2.1 信號調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)采用ST公司的電源芯片VIPER06對高壓部分進(jìn)行處理，使調(diào)理后的電壓在12～15 V范圍內(nèi)。

VIPER06內(nèi)部通過兩條線路供電，一種是從高壓側(cè)DRAIN通過變壓器供電，一種是通過VDD供電。本設(shè)計(jì)在Vout與VDD間通過二極管相連，首先通過DRAIN啟動后，內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通，Vout輸出12～15 V電壓；隨后DRAIN供電線路斷開，由Vout通過VDD進(jìn)行內(nèi)部供電，可以有效減小損耗，提高電路的可靠性。

2.2 電平轉(zhuǎn)換電路

本電路采用穩(wěn)壓芯片LD33，該芯片輸入12～15 V，輸出VCC為3.3 V，滿足單片機(jī)的供電要求，電路如圖2所示。

圖2 電平轉(zhuǎn)換電路

3 電機(jī)驅(qū)動電路

本文采用L9110S電機(jī)驅(qū)動芯片控制電機(jī)的正反停轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電路如圖3所示，IA控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，IB控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，能夠直接控制電機(jī)的正反向運(yùn)動和剎車。

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路

4 軟件設(shè)計(jì)

脫扣器智能化是通過單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)的，而單片機(jī)的控制主要依賴于軟件實(shí)現(xiàn)。小型斷路器智能脫扣器主要是與斷路器本體進(jìn)行配合，通過控制電機(jī)的正反停來實(shí)現(xiàn)斷路器對線路的保護(hù)以及智能化。

根據(jù)智能脫扣器要實(shí)現(xiàn)的功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件由短路判斷子程序、中斷服務(wù)子程序、延時子程序和主程序組成。程序的總體框圖如圖4所示。

圖4 程序總體框圖

5 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)臺使用泰克示波器、萬用表以及0～300 V交流調(diào)壓器。如圖5所示，用示波器測出其在額定工作電壓范圍內(nèi)分閘響應(yīng)時間僅12.7 ms，大大提升了小型斷路器的可靠性。圖中3通道紫色曲線為短路線路電壓信號，當(dāng)短路信號出現(xiàn)后，被短路的負(fù)載電壓變?yōu)?，經(jīng)過12.7 ms斷路器分閘分?jǐn)嚯娐罚?通道電壓信號變?yōu)?。

6 結(jié)語

本文采用STM32單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)小型斷路器智能脫扣器，使用小型電機(jī)作為執(zhí)行元件，通過控制電機(jī)的正反停轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)斷路器本體的分合閘。實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，對終端智能小型斷路器的研究具有參考價值。