畢業(yè)設(shè)計(jì)--真空斷路器滅弧室真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

1、<p>　　編號(hào)： </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目： 真空斷路器滅弧室真空 </p><p>　　度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究 </p><p>　　院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>

2、　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　職 稱：

3、 </p><p>　　題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) √ 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p><b>　　1 緒論2</b></

4、p><p>　　1.1 我國電力工業(yè)的發(fā)展2</p><p>　　1.2 真空斷路器簡介2</p><p>　　1.3 真空滅弧室的工作原理3</p><p>　　1.4 真空斷路器真空度降低原因分析4</p><p>　　2 真空斷路器結(jié)構(gòu)、分類與真空度檢測方法5</p><p>　　

5、2.1 真空斷路器類型5</p><p>　　2.2 真空斷路器的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2.1真空斷路器的基本要求5</p><p>　　2.2.2功能部件5</p><p>　　2.2.3真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)6</p><p>　　2.3 真空斷路器優(yōu)缺點(diǎn)7</p><p&g

6、t;　　2.3.1 真空斷路器優(yōu)點(diǎn)7</p><p>　　2.3.2 真空斷路器缺點(diǎn)7</p><p>　　2.4 真空斷路器真空度檢測方法介紹8</p><p>　　2.4.1 離線檢測8</p><p>　　2.4.2 在線檢測9</p><p>　　3 設(shè)計(jì)思路11</p><p

7、>　　3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)11</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)構(gòu)思12</p><p>　　4 硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.1設(shè)計(jì)流程圖13</p><p>　　4.2 電阻分壓、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓13</p><p>　　4.2.1電阻分壓13</p><p>　　4.

8、2.2穩(wěn)壓電路14</p><p>　　4.3 電壓跟隨器15</p><p>　　4.4 電壓電流轉(zhuǎn)換和電流電壓部分16</p><p>　　4.5 信號(hào)放大部分19</p><p>　　4.6 信號(hào)全波整流部分22</p><p>　　4.7 二階低通濾波部分26</p><p>

9、;　　4.8 硬件設(shè)計(jì)部分28</p><p>　　4.8.1單片機(jī)硬件部分28</p><p>　　4.8.2 AD轉(zhuǎn)換硬件部分33</p><p>　　4.8.3串口通信硬件部分36</p><p>　　5 軟件設(shè)計(jì)42</p><p><b>　　6 調(diào)試44</b><

10、/p><p><b>　　7 結(jié)論45</b></p><p><b>　　謝 辭46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p><b>　　附 錄148</b></p><p><b

11、>　　附 錄253</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　高壓斷路器在電力系統(tǒng)中具有控制和保護(hù)雙重功能，是電力系統(tǒng)一次設(shè)備中檢修、維護(hù)工作量最大的設(shè)備之一。有關(guān)資料表明，開關(guān)的維修費(fèi)用占變電站總維修費(fèi)用的一半以上，而且大部分用于斷路器的小修和定期檢修上。</p><p>　　真空斷路器由于滅

12、弧能力強(qiáng)、電氣壽命長、現(xiàn)場維護(hù)方便、技術(shù)含量高等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)基本建設(shè)及無油化改造中，被廣泛選用。尤其是在l0kV電壓等級，真空斷路器已經(jīng)成為高壓斷路器的首選型式。然而，在運(yùn)行中的真空斷路器滅弧室，其真空度有可能因?yàn)樵S多原因在不知不覺中下降，按常規(guī)，我們只有在定期的預(yù)試時(shí)才能發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷。如果在預(yù)試周期內(nèi)，真空滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)升至1xl0-1Pa以上時(shí)，將完全有可能因?yàn)檎婵斩鹊南陆凳箶嗦菲髟诙搪饭收戏珠l時(shí)動(dòng)、靜觸頭之間產(chǎn)生放電擊

13、穿，使真空滅弧室不能有效滅弧，嚴(yán)重情況下真空斷路器將發(fā)生爆炸，造成設(shè)備損壞事故以及輸電線路停電，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，國內(nèi)真空開關(guān)事故均是由于此原因引起的。</p><p>　　由于滅弧室是以真空條件作為其工作基礎(chǔ)的，所以它不象油開關(guān)，SF6開關(guān)那樣容易檢查其介質(zhì)量。有些真空開關(guān)在運(yùn)行過程中其真空滅弧室含有不同程度的泄露，因此如何才能實(shí)時(shí)在線觀測到真空斷路器滅弧室的真空度，以防范事故于未然？這已經(jīng)成為電力系統(tǒng)十分關(guān)

14、注的一個(gè)問題。</p><p>　　美國、日本及前蘇聯(lián)等國早在20世紀(jì)五六十年代久開展了電力開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測的研究工作，開始由定期檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變。我國自80年代以來，在變電站高壓設(shè)備在線監(jiān)測、故障只能診斷方面也進(jìn)行了大量的研究工作，取得了很多的成果，逐步積累了一些經(jīng)驗(yàn)，為開展?fàn)顟B(tài)檢修打下了良好的基礎(chǔ)。[1][2]</p><p><b>　　1 緒論</b>&l

15、t;/p><p>　　1.1 我國電力工業(yè)的發(fā)展</p><p>　　首先介紹一下我國電力工業(yè)的建設(shè)成就。中國電力工業(yè)始于1882年。新中國成立前，電力工業(yè)發(fā)展緩慢，1949年發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量僅為185萬千瓦和43億千瓦時(shí)，分別居世界第21位和第25位。新中國成立后，電力工業(yè)得到快速發(fā)展，1978年發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5712萬千瓦，發(fā)電量達(dá)到2566億千瓦時(shí)，分別躍居世界第8位和第7位。&l

16、t;/p><p>　　1978年改革開放到2000年，我國發(fā)電裝機(jī)和發(fā)電量先后超越法國、英國、加拿大、德國、俄羅斯和日本，居世界第2位。1987年發(fā)電裝機(jī)突破1億千瓦，1995年超過了2億千瓦，2000年跨上3億千瓦臺(tái)階。進(jìn)入新世紀(jì)，電力工業(yè)進(jìn)入歷史上的高速發(fā)展階段，2004年全國發(fā)電裝機(jī)突破4億千瓦，2005年超過了5億千瓦。</p><p>　　電力技術(shù)水平接近和達(dá)到國際先進(jìn)水平。改革開放

17、之前，我國發(fā)電設(shè)備只能生產(chǎn)12.5萬千瓦和20萬千瓦等級及以下的機(jī)組，輸變電設(shè)備只能生產(chǎn)220千伏及以下的裝置。隨著電力工業(yè)的技術(shù)裝備水平不斷提高，我國成批量生產(chǎn)的30萬千瓦和60萬千瓦機(jī)組已成為國內(nèi)的主力機(jī)型。</p><p>　　目前,60萬千瓦、90萬千瓦超臨界機(jī)組已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電，國產(chǎn)百萬千瓦級超超臨界機(jī)組也即將投產(chǎn)。通過引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)合作生產(chǎn)的30萬千瓦大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電設(shè)備、9F級聯(lián)合循環(huán)燃?xì)?/p>

18、輪機(jī)、60萬千瓦級壓水堆核電站和70萬千瓦三峽水輪機(jī)組等發(fā)電設(shè)備在性價(jià)比上已經(jīng)具有了國際競爭力。</p><p>　　同時(shí)，國內(nèi)制造廠家生產(chǎn)制造的500千伏交直流輸變電設(shè)備已成為電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)架。西北750 千伏交流輸變電示范工程和河南靈寶背靠背成套設(shè)備已建成投產(chǎn)。 但是，在有些方面我們同國際先進(jìn)水平相比仍有一定差距，如百萬千瓦級核電站的設(shè)備制造。</p><p>　　1.2 真空斷路器

19、簡介</p><p>　　真空斷路器因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。</p><p>　　真空斷路器主要包含三大部分：真空滅弧室、電磁或彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架及其他部件。以下是對基本術(shù)語和各部分的具體介紹： </p><p>　　1.80年代以前，真空斷路器處于發(fā)展

20、的起步階段，技術(shù)上在不斷摸索，還不能制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到1985年后才制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　目前國內(nèi)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為：</p><p>　　JP3855-96《3.6～40.5kV交流高壓真空斷路器通用技術(shù)條件》</p><p>　　DL403-91《10～35kV戶內(nèi)高壓斷路器訂貨技術(shù)條件》</p><p>　　這里需要說明

21、：IEC標(biāo)準(zhǔn)中并無與我國JB3855相對應(yīng)的專用標(biāo)準(zhǔn)，只是套用《IEC56交流高壓斷路器》。因此，我國真空斷路器的標(biāo)準(zhǔn)至少在下列幾個(gè)方面高于或嚴(yán)于IEC標(biāo)準(zhǔn)：</p><p>　　(1) 絕緣水平： 試驗(yàn)電壓 IEC 中國 </p><p>　　1min工頻耐壓(kV) 28 42(極間、極對地)48(斷口間) </p><p>　　1.2/50沖擊耐壓(kV) 7

22、5 75(極間、極對地)84(斷口間) </p><p>　　(2)電壽命試驗(yàn)結(jié)束后真空滅弧室斷口的耐壓水平：IEC56中無規(guī)定。我國JB3855一96規(guī)定為：完成電壽命次數(shù)試驗(yàn)后的真空斷路器，其斷口間絕緣能力應(yīng)不低于初始絕緣水平的80%，即工頻1min33.6kV和沖擊60kV。</p><p>　　(3)觸頭合閘彈跳時(shí)間：IEC無規(guī)定，而我國規(guī)定要求不大于2ms。</p>

23、<p>　　(4)溫升試驗(yàn)的試驗(yàn)電流：IEC標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)電流就等于產(chǎn)品的額定電流。我國DL403-91中規(guī)定試驗(yàn)電流為產(chǎn)品額定電流的110%。</p><p>　　2.真空斷路器的主要技術(shù)參數(shù) </p><p><b>　　(1).開距</b></p><p>　　(2).觸頭接觸壓力</p><p>　　(

24、3).接觸行程(或稱壓縮行程)</p><p>　　(4).平均合閘速度</p><p>　　(5).平均分閘速度</p><p>　　(6).合閘彈跳時(shí)間</p><p>　　(7).合、分閘不同期性</p><p>　　(8).合、分閘時(shí)間</p><p>　　(9).回路電阻[15.16]

25、</p><p>　　1.3 真空滅弧室的工作原理</p><p>　　真空斷路器的滅弧室每一只為一不可拆卸的整體，動(dòng)、靜能為分別焊在動(dòng)、靜導(dǎo)電桿上。靜導(dǎo)電桿焊在上法蘭盤上，動(dòng)導(dǎo)電桿上焊一波紋管在導(dǎo)向套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。波紋管及導(dǎo)向套焊在下法蘭盤上，由瓷柱支撐的金屬圓筒屏蔽罩在動(dòng)靜觸頭外面，再與玻璃外殼形成一密封的腔體。該腔體經(jīng)過抽真空，真空度一般在10-6Pa以上。當(dāng)合、分閘操作時(shí)，動(dòng)導(dǎo)電桿上下運(yùn)

26、動(dòng)，波紋管被壓縮或拉伸，使真空滅弧室內(nèi)的真空度得到保持。在真空中由于氣體分子的平均自由行程很大，氣體不容易產(chǎn)生游離，真空的絕緣強(qiáng)度比大氣的絕緣強(qiáng)度要高得多。真空斷路器中的觸頭斷開過程中，依靠觸頭產(chǎn)生的金屬蒸氣使觸頭間產(chǎn)生電弧。當(dāng)電流接近零值時(shí)，電弧熄滅。一般情況下，電弧熄滅后，弧隙中殘存的帶電質(zhì)點(diǎn)繼續(xù)向外擴(kuò)散，在電流過零值后很短時(shí)間內(nèi)弧隙便沒有多少金屬蒸氣，立刻恢復(fù)到原有的“真空”狀態(tài)，使觸頭之間的介質(zhì)擊穿電壓迅速恢復(fù)，達(dá)到觸頭間介質(zhì)擊

27、穿電壓大于觸頭間恢復(fù)電壓條件，使電弧徹底熄滅，觸頭間的介質(zhì)強(qiáng)度又迅速恢復(fù)起來。</p><p>　　1.4 真空斷路器真空度降低原因分析</p><p>　　真空滅弧室漏氣的原因分析：1.觸頭行程的影響 國產(chǎn)各種型號(hào)的10kV真空斷路器滅弧室的觸頭超行程是在4mm左右，開距11mm左右應(yīng)嚴(yán)格測量控制。真空斷路器在安裝或檢修時(shí)，嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝說明書中觸頭行程要求準(zhǔn)確測量，調(diào)整拉桿，防止行程

28、超越。2.跳的影響 真空斷路器的觸頭多為對接式結(jié)構(gòu)，在分合閘操作中可能產(chǎn)生不同程度的反彈現(xiàn)象，不論分閘反彈還是合閘反彈都會(huì)給運(yùn)行帶來危害：波紋管經(jīng)受強(qiáng)迫振動(dòng)可能產(chǎn)生裂紋，使滅弧室漏氣；分合閘時(shí)的沖擊速度及沖擊力較大，發(fā)生彈跳，可能產(chǎn)生觸頭和導(dǎo)電桿的變形，甚至產(chǎn)生裂紋；切合電容器組的真空斷路器如果發(fā)生合閘彈跳，還會(huì)導(dǎo)致電容器的損壞。3.分合閘速度的影響 斷路器在投運(yùn)前應(yīng)測量分合閘速度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和調(diào)試上的一些問題，防止分合閘速度

29、過大，對滅弧室產(chǎn)生嚴(yán)重震動(dòng)和撞擊。4.緩沖器的影響 應(yīng)仔細(xì)檢查緩沖器行程，不應(yīng)有變形損傷現(xiàn)象或壓縮超量，須留緩沖裕度。5.操作機(jī)構(gòu)容量的影響 不同型號(hào)容量的開關(guān)，須配置不同容量的操作機(jī)構(gòu)，在安裝或改造時(shí)，應(yīng)按制造廠家的要求配置，如果容量偏大，將對滅弧室產(chǎn)生嚴(yán)重撞擊，造成真空滅弧室波紋管損壞。</p><p>　　運(yùn)行和檢修中應(yīng)注意的事項(xiàng)：真空滅弧室管內(nèi)的真空度通常是在10-4~10-6Pa，隨著真空滅弧室使用時(shí)間

30、的增長和開斷次數(shù)增多，以及受外界因素的影響，其真空度逐步下降，下降到一定程度，將會(huì)影響它的開斷能力和耐壓水平。因此，真空斷路器在使用過程中必須定期檢查滅弧室管內(nèi)的真空度。1.運(yùn)行檢查 對玻璃外殼真空滅弧室，巡視檢查時(shí)可以定期目測。正常時(shí)內(nèi)部的屏蔽罩等部件表面顏色應(yīng)很明亮，在開斷電流時(shí)發(fā)出淺藍(lán)色弧光；當(dāng)真空度下降很嚴(yán)重時(shí)，內(nèi)部顏色就會(huì)變得灰暗，開斷電流時(shí)將發(fā)出暗紅色弧光。2.試驗(yàn)檢查 工頻耐壓試驗(yàn)：定期（1～3年左右）進(jìn)行一次工頻耐壓試驗(yàn)

31、（42kV/min）。當(dāng)動(dòng)靜觸頭滿足額定開距條件時(shí)，如果耐壓很低，達(dá)不到規(guī)定耐壓標(biāo)準(zhǔn)，就說明真空滅弧室真空度已嚴(yán)重下降，不能繼續(xù)使用。 真空度測試儀檢查：用真空度測試儀定期測量滅弧室真空度，真空度下降超過規(guī)定數(shù)值，可再做一次真空的耐壓試驗(yàn)，進(jìn)行再次確認(rèn)其完好性。3.技術(shù)數(shù)據(jù)的檢查 雖然真空斷路器不進(jìn)行周期大修，但檢查維護(hù)必須開展，對斷路器的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行定期實(shí)際測量，以判斷其傳動(dòng)系統(tǒng)的狀況。4.斷路器的特性試驗(yàn) 定期對斷路器的特性進(jìn)行試驗(yàn)

32、，以檢查行程、彈跳</p><p>　　2 真空斷路器結(jié)構(gòu)、分類與真空度檢測方法</p><p>　　2.1 真空斷路器類型</p><p>　　真空斷路器的類型，可從不同角度來劃分，一般情況下主要從以下兩個(gè)方面劃分：</p><p>　　(1)按使用場所劃分--可分為戶內(nèi)式和戶外式，分別用ZN和ZW來表示。</p><

33、p>　　(2)按斷路器主體與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)位置劃分--可分為整體式和分體式。</p><p>　　整體式真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體安裝在同一骨架上，體積小、重量輕、安裝調(diào)整方便、機(jī)械性能穩(wěn)定。</p><p>　　分體式真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體分別裝于開關(guān)柜的不同位置上，斷路器的各項(xiàng)機(jī)械特性參數(shù)必須安裝在開關(guān)柜上調(diào)整試驗(yàn)才有實(shí)際意義，這種安裝方式主要受我國少油斷路器的安裝方式的

34、社響，比較適合于少油開關(guān)柜的無油化改造，優(yōu)點(diǎn)是巡視和檢修方便，缺點(diǎn)是安裝調(diào)整稍麻煩，機(jī)械特性的穩(wěn)定性和可靠性稍遜[16-18]。</p><p>　　2.2 真空斷路器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.1真空斷路器的基本要求</p><p>　　(1)機(jī)械性能穩(wěn)定，例如合閘彈跳時(shí)間，希望在壽命全程中保持同一狀態(tài)，不要初期無彈跳，后期則彈跳。  

35、;  (2)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使斷路器本身具有足夠的動(dòng)穩(wěn)定度。    (3)高壓區(qū)和低壓區(qū)的分隔，最好是前后布置，有助于保證運(yùn)行中人員的人身安全。    (4)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢查、調(diào)整、維修要有足夠空間。方便。    (5)配用機(jī)構(gòu)的可選擇性，有的型號(hào)可配CD和CT兩種機(jī)構(gòu)，有的只能配用一種。    (6)

36、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價(jià)格低廉。    (7)易于實(shí)現(xiàn)防誤聯(lián)鎖。    所有真空斷路器，不論是何種結(jié)構(gòu)，斷路器本體中均裝設(shè)有分閘拉力彈簧。合閘過程中操動(dòng)機(jī)構(gòu)既要提供驅(qū)動(dòng)開關(guān)運(yùn)動(dòng)的功，又要同時(shí)將分閘彈簧貯能。當(dāng)需要分閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)只需完成脫扣解鎖任務(wù)，由分閘彈簧釋能完成分閘運(yùn)動(dòng)[18]。</p><p><b>　　2.2.2功能部件</

37、b></p><p>　　真空斷路器按其結(jié)構(gòu)的功能可分為六個(gè)部分：    (1)支架：安裝各功能組件的架體。    (2)真空滅弧室：實(shí)現(xiàn)電路的關(guān)合與開斷功能的熄弧元件。    (3)導(dǎo)電回路：與滅弧室的動(dòng)端及靜端連接構(gòu)成電流通道。    (

38、4)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：把操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳輸至滅弧室，實(shí)現(xiàn)滅弧室的合、分閘操作。    (5)絕緣支撐：絕緣支持件將各功能元件，架接起來滿足斷路器的絕緣要求。    (6)操動(dòng)機(jī)構(gòu)：斷路器合、分間的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置[17]</p><p>　　2.2.3真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p>　　操動(dòng)機(jī)構(gòu)是真空斷路器的驅(qū)動(dòng)

39、裝置，主要有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。</p><p>　　(1)真空斷路器對操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求：</p><p>　　1)機(jī)構(gòu)的輸出特性盡量與真空斷路器的反力特性相匹配。</p><p>　　2)要有足夠的合閘輸出功；保證真空斷路器具有關(guān)合短路故障電流的能力。    3)合閘后，即使在事故狀態(tài)下也能穩(wěn)定地保持合閘（即令開關(guān)具有動(dòng)穩(wěn)定性

40、）。    4)要保證在85%～110%合；同操作電壓下能正常合閘；在65%～120%分閘電壓下能正常分閘，而在30%額定操作電壓下不得分閘。    5)可以電動(dòng)或手動(dòng)操作。    6)電磁機(jī)構(gòu)應(yīng)具有自由脫扣的功能。(2)真空斷路器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)    由于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)螺管電磁鐵的出力特性容易滿足真

41、空斷路器合閘反力特性的要求，所以在真空斷路器的發(fā)展初期主要是配用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外電磁機(jī)構(gòu)具有構(gòu)造簡單、使用簡便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前配電系統(tǒng)各類斷路器的主要配用機(jī)構(gòu)，運(yùn)行部門不但十分熟悉而且積累了很多使用維護(hù)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。    常用的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)有CD10、CD17、CD19型等。    CD10型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)原是配用SＮ10-10型少油斷路器的操動(dòng)

42、機(jī)構(gòu)，為族傳式輸出。真空斷路器發(fā)展初期因無專用操動(dòng)機(jī)構(gòu)而被采用?，F(xiàn)仍有配CD10型操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器在生產(chǎn)。目前少油開關(guān)拒的無油化改造，也可采用CD10型操動(dòng)機(jī)構(gòu)。    CD17</p><p>　　2.3 真空斷路器優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　2.3.1 真空斷路器優(yōu)點(diǎn)</p><p>　?。?）在密封的容器中滅弧,電

43、弧和熾熱氣體不外露； （2）觸頭間隙很少,僅幾毫米至40毫米。我廠運(yùn)用中的ZN28型是11±1毫； （3）燃弧時(shí)間短,電弧電壓低,電弧能量小,觸頭磨耗少,允許的開斷次數(shù)多。我廠現(xiàn)在運(yùn)用的SN10Ⅲ型小油斷路器,機(jī)械壽命是3000次,ZN28型真空斷路器機(jī)械壽命是10,000次； （4）動(dòng)導(dǎo)電桿的慣性小,適宜頻繁操作； ?。?）操作機(jī)構(gòu)小及結(jié)構(gòu)簡單,整體體積小,重量輕； （6）控制功率校ZN28型真空

44、斷路器配CD17型機(jī)構(gòu)直流電壓220V合閘55A、分閘1.5A；SN10Ⅲ型1250A少油斷路器配CD10Ⅱ型機(jī)構(gòu)、直流電壓220V,合閘147A,分閘2.5A； （7）操作時(shí)噪聲小； （8）由于無油,故無火災(zāi)和爆炸燃火的危險(xiǎn)； （9）觸頭部分為完全密封結(jié)構(gòu),不容易因潮氣、灰塵、有害氣體等影響而降低它的性能,工作可靠性提高,開斷與并合性能穩(wěn)定且觸頭磨耗小,使用期較長[18-20]。</p><

45、p>　　2.3.2 真空斷路器缺點(diǎn)</p><p>　?。?）容易產(chǎn)生操作過電壓,在開斷感性電流時(shí),會(huì)出現(xiàn)電流截?cái)喱F(xiàn)象造成較高的過電壓,因此要加裝過電壓吸收裝置,這樣設(shè)備量增加,維護(hù)量增加,費(fèi)用也上升； （2）運(yùn)行中不易監(jiān)測真空度； （3）國內(nèi)產(chǎn)品體系不多； （4）配用的合成絕緣子在火電廠運(yùn)行易積灰塵,因此,要求廠用電室的環(huán)境要相對干凈[19][20]</p><p&g

46、t;　　2.4 真空斷路器真空度檢測方法介紹</p><p>　　真空斷路器真空度檢測的方法有很多，不同方法適合的場合也不盡相同。歸總來說可以分為兩大類：離線檢測和在線檢測。比如離線檢測主要有工頻耐壓法、磁控放電法、吸氣劑膜法、德斯拉線圈法等；在線檢測主要有耦合電容法和電光變換法[5、6]。</p><p>　　2.4.1 離線檢測</p><p>　　離線檢測的方

47、法很多，而且發(fā)展也比較成熟。只是離線檢測需要把斷路器拆卸下來，工作繁重。</p><p><b>　　工頻耐壓法</b></p><p>　　工頻耐壓試驗(yàn)是指對220kV及以下電氣設(shè)備也用它來檢驗(yàn)絕緣耐受操作過電壓，暫時(shí)過電壓的能力。試驗(yàn)時(shí)，按規(guī)定將被試品接入試驗(yàn)回路，逐步升高電壓至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定工頻耐受電壓值，保持1 min，然后迅速、均勻地降壓到零。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)

48、，被試品絕緣未發(fā)生擊穿或表面閃絡(luò)，則認(rèn)為通過了該項(xiàng)試驗(yàn)。工頻交流耐壓試驗(yàn)所施電壓高出電氣設(shè)備額定工作電壓，通過這一試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)很多絕緣缺陷，尤其對局部缺陷更為有效，其缺點(diǎn)是可能在耐壓試驗(yàn)時(shí)給絕緣帶來一定損傷，所以應(yīng)在絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)等項(xiàng)目試驗(yàn)合格后，才可進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)。</p><p><b>　　[2]</b></p><p><b>　　脈沖

49、磁控放電法</b></p><p>　　脈沖磁控放電法的基本原理是:真空滅弧室的觸頭處于額定開距狀態(tài)時(shí)，在兩觸頭間施加一直流高壓，使兩觸頭的間距空間處于強(qiáng)電場中，同時(shí)在兩觸頭間施加一軸向強(qiáng)磁場，滅弧室內(nèi)的電子在強(qiáng)電場與強(qiáng)磁場的共同作用下，將從觸頭的一端以螺旋軌跡向觸頭另一端運(yùn)動(dòng)，并與滅弧室內(nèi)殘余氣體分子碰撞，產(chǎn)生電離，電離出的離子在強(qiáng)電場的作用下形成離子電流。理論與試驗(yàn)證明，該離子電流與滅弧室內(nèi)殘余氣

50、體分子濃度基本成正比關(guān)系，因此，通過對該離子電流的測量，便可推算出滅弧室內(nèi)的真空度?！　?qiáng)軸向磁場的產(chǎn)生有兩種方法：一種是通過圍繞滅弧室真空泡周圍的螺旋繞組充電獲得，另一種是通過對帶有鐵心的π型勵(lì)磁繞組充電獲得。這兩種勵(lì)磁繞組的優(yōu)點(diǎn)是不用將真空滅弧室拆下，而只需將勵(lì)磁繞組置于真空泡外表面便可產(chǎn)生所需的軸向磁場。離子電流的電場是由通過軟件控制的脈沖電壓產(chǎn)生的，磁場勵(lì)磁電流是與電場電壓同步的脈沖電流，電場與磁場的同步性大大提高了測量的精確

51、度。</p><p>　　使用此方法測量真空度時(shí)，必須在滅弧室外加一個(gè)能夠產(chǎn)生縱向磁場的笨重線圈，因此限制了這種方法的使用范圍；隨后出線的不拆卸真空滅弧室測量真空度的磁控放電法，解決了測量真空度時(shí)必須將真空滅弧室從真空開關(guān)拆卸下來的問題[2]。</p><p>　　2.4.2 在線檢測</p><p>　　在線檢測要在不改動(dòng)開關(guān)主 體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)的前提下，隨時(shí)監(jiān)測

52、其真空度的變化。目前，國內(nèi)外還無法實(shí)現(xiàn)真空度的直接測量，用于真空度在線檢測的兩種間接方法是耦合電容法和電光變換法[6]。</p><p><b>　　(1)耦合電容法 </b></p><p>　　耦合電容法是根據(jù)局部放電測量原理提出來的。設(shè)被測真空滅弧室的帶電觸頭至中間屏蔽罩 間的耐壓強(qiáng)度由于真空度降低而下降，則當(dāng)工頻電壓從零點(diǎn)升至某一值時(shí)，帶電觸頭和屏蔽 罩之間的

53、等值電容發(fā)生放電，該局部放電信號(hào)可通過位于屏蔽罩與接地箱殼之間的 兩個(gè)局部放電探頭進(jìn)行在線監(jiān)測。這種方法的靈敏度還有待于驗(yàn)證。[2]</p><p><b>　　(2)電光變換法</b></p><p>　　圖1 電光變換接線圖</p><p>　　一般真空滅弧室的屏蔽罩，金屬部分完全密封在滅弧室中，其電位的變化無 法直接測試。但屏蔽罩電位的變

54、化會(huì)引起屏蔽罩附近電場的變化，故通過放置于屏蔽罩附近 的Pockels電場探頭可以測知屏蔽罩電位的變化，亦即可以進(jìn)行真空度的在線測試。 屏蔽罩電場是指滅弧室絕緣殼外屏蔽罩部位與接地機(jī)架之間形成的電場，當(dāng)真空開關(guān)結(jié)構(gòu)一 定時(shí)，僅與系統(tǒng)電壓有關(guān)。文[2]曾討論電光法測試真空度的原理，其試驗(yàn)研究的測試系統(tǒng)選用BSO晶體制作Pockels電場探頭，晶體厚度為3.5mm，中心波長選為860nm，試驗(yàn)的原理接線如圖1所示[2]。</p>

55、<p><b>　　3 設(shè)計(jì)思路</b></p><p><b>　　3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)</b></p><p>　　在線檢測的關(guān)鍵是綜合考慮各種監(jiān)測方法現(xiàn)場實(shí)施的難易程度和成本，既要保證監(jiān)測系統(tǒng)本身不過于繁雜。針對以上狀況，結(jié)合電氣設(shè)備的現(xiàn)代檢修體制由計(jì)劃性檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種性能可靠、使用價(jià)廉的在線檢測裝置是實(shí)

56、現(xiàn)真空開關(guān)狀態(tài)檢修必須解決的前提條件。</p><p>　　耦合電容法是根據(jù)動(dòng)態(tài)電荷分布和電容分壓原理提出的。當(dāng)滅弧室內(nèi)真空度正常時(shí)，僅需要較低的電壓（幾百伏）就可以維持帶電觸頭與中間屏蔽罩之間由場致發(fā)射引起的電子電流。在屏蔽罩上積累的負(fù)電荷使其負(fù)電位幾乎可以達(dá)到電極電壓的峰值。當(dāng)真空度劣化時(shí)，滅弧室內(nèi)的氣體密度變大，場致發(fā)射的電子被氣體分鐘吸附后成為負(fù)離子。由于負(fù)離子質(zhì)量大，漂移速度慢，使得上述電子電流減小，屏

57、蔽罩電位絕對值降低。上述過程引起電容C2、C3上電荷的重新分布，通過檢測先好輸出端U0的變化即可跟蹤屏蔽罩電位UC的變化過程，從而實(shí)現(xiàn)真空度的在線檢測。圖2所示為耦合電容法的原理和等效電路。</p><p>　　圖2 耦合電容的原理和等效電路</p><p>　　使用此方法進(jìn)行真空度在線監(jiān)測時(shí)，首先離線試驗(yàn)標(biāo)定出不容型號(hào)的真空斷路器滅弧室屏蔽罩電位和真空度的關(guān)系。本文敘述的在線監(jiān)測裝置存儲(chǔ)

58、了ZN12-10和ZN28-12系列的真空斷路器的屏蔽罩電位與真空度的多組對應(yīng)關(guān)系曲線，可根據(jù)被檢測斷路器型號(hào)預(yù)先設(shè)定，大大增強(qiáng)了該裝置使用的靈活性和應(yīng)用范圍。</p><p>　　圖3為自制的耦合電容傳感器離線標(biāo)定的一組ZN12-10系列真空斷路器的真空滅弧室屏蔽罩電位與真空度的關(guān)系曲線。由于真空度變化是一個(gè)相對量，所以傳感器的輸出整定到適合A/D采樣的范圍即可。[1]</p><p>

59、　　圖3 真空滅弧室屏蔽罩電位與真空度的關(guān)系曲線</p><p><b>　　3.2 設(shè)計(jì)構(gòu)思</b></p><p>　　因?yàn)檎婵諟缁∈覂?nèi)真空度的下降是一個(gè)緩變的過程，程序處理上采取在斷路器正常運(yùn)行時(shí)，處理器開始處理耦合電容傳感器的輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算采樣值，查表記錄真空度數(shù)值。</p><p>　　耦合電容拾取真空滅弧室中間屏蔽罩上的原始電位信號(hào)

60、，經(jīng)過一定的技術(shù)處理、整流、濾波、V/I、I/V變換后傳送到單片機(jī)處理。</p><p>　　對于真空度的在線檢測而言，電容傳感器是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。耦合電容傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。只需要計(jì)算該電壓信號(hào)的有效值，通過事先標(biāo)定的真空度與電容傳感器輸出的關(guān)系曲線便可判斷滅弧室的真空狀況，從而大大簡化了系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。</p><p>

61、;　　由于真空斷路器和電容傳感器價(jià)格較貴，而且我們的條件有限，所以前面的斷路器和電容傳感器部分就不做了，只考慮傳出來的電壓信號(hào)的調(diào)理和單片機(jī)處理的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　4 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1設(shè)計(jì)流程圖</b></p><p><b>　　圖4 設(shè)計(jì)流程圖</

62、b></p><p>　　4.2 電阻分壓、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓</p><p>　　耦合電容傳感器傳出來的電壓信號(hào)大概是100V左右，頻率很高。所以我們要經(jīng)過一些的信號(hào)處理使其能適合后面的芯片采樣。</p><p><b>　　4.2.1電阻分壓</b></p><p>　　電阻串聯(lián)電路時(shí)一個(gè)分壓電路，它有如下的基本特

63、點(diǎn)：(1)各個(gè)電阻或者各處的電流都相等；(2)總電壓等于各電阻的分電壓之和；(3)總電阻等于所以各個(gè)分電阻之和。</p><p>　　在串聯(lián)電路中還有兩個(gè)公司經(jīng)常用到，即兩個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)的分壓公式：</p><p><b>　?。?.2.1）</b></p><p>　　它們都是歐姆定律的變形“U=IR”表述的“電阻的電壓和電阻成比例”的表現(xiàn)。設(shè)

64、總電流為I，根據(jù)歐姆定律得</p><p><b>　　(4.2.2)</b></p><p>　　將上式代入“U=IR”中即可得到上面的分壓公式。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的分壓電路圖如圖5所示</p><p>　　圖5分壓、穩(wěn)壓電路圖</p><p>　　其中J1為信號(hào)輸入端，R2

65、和RV1組成串聯(lián)分壓電路，R2選10K，RV1選用0-10K，由上面分壓計(jì)算公式可以算出這個(gè)分壓電路輸出的電壓是0-50V可調(diào)。而我們需要的是5V的電壓信號(hào)，這時(shí)我們可以預(yù)先調(diào)節(jié)好RV1的阻值用萬用表測量使其輸出為5V以使其能被ADC0809芯片采樣。</p><p><b>　　4.2.2穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二極管)是一種直到臨

66、界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很少的數(shù)值,在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的,因?yàn)檫@種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用.其伏安特性見圖6,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓.</p><p>　　圖6 穩(wěn)壓二極管的伏安特性</p><p>　　我們

67、本次設(shè)計(jì)選用穩(wěn)壓二極管的型號(hào)為1N4733,穩(wěn)壓電壓范圍5.1V,當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，它的電壓可以穩(wěn)定在5V。</p><p><b>　　4.3 電壓跟隨器</b></p><p>　　電壓跟隨器是共集電極電路，信號(hào)從基極輸入，射極輸出，故又稱射極輸出器?；鶚O電壓與集電極電壓相位相同，即輸入電壓與輸出電壓同相。這一電路的主要特點(diǎn)是：高輸入電阻、低輸出電阻、電壓增益近似

68、為1，所以叫做電壓跟隨器。如圖4-12所示。</p><p>　　電壓跟隨器是同相放大電路的特殊情況，輸入信號(hào)是從集成運(yùn)放的同相端引入，反饋電阻為零，負(fù)反饋極強(qiáng)，運(yùn)放工作非常穩(wěn)定，輸入阻抗很大。輸出電阻卻很小，因而這種電路具有阻抗變換作用。所謂阻抗變換作用是指經(jīng)電壓跟隨器放大后，其輸出電壓近似等于信號(hào)源的電動(dòng)勢而其輸出電阻卻很小。該電路常用作輸入級、中間緩沖級和輸出級。</p><p>　

69、　共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。</p><p>　　電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，因而對前后級電路起到“隔離”作用。 </p><p>　　電壓跟隨器常用作中間級，以“隔離”前后級之間的影響，此時(shí)稱之為緩沖級?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之

70、特點(diǎn)。 </p><p>　　電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對前級電路開路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對后級電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。一個(gè)對前級電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級電路之間互不影響。[9]</p><p>　　圖7 電壓跟隨器電路圖</p>

71、<p>　　4.4 電壓電流轉(zhuǎn)換和電流電壓部分</p><p><b>　　(1)電壓電流轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　在工業(yè)控制和許多傳感器的應(yīng)用電路中,摸擬信號(hào)輸出時(shí),一般是以電壓輸出。在以電壓方式長距離傳輸模擬信號(hào)時(shí),信號(hào)源電阻或傳輸線路的直流電阻等會(huì)引起電壓衰減,信號(hào)接收端的輸入電阻越低,電壓衰減越大。為了避免信號(hào)在傳輸過程中的衰減,只有增加信號(hào)

72、接收端的輸入電阻,但信號(hào)接收端輸入電阻的增加,使傳輸線路抗干擾性能降低,易受外界干擾,信號(hào)傳輸不穩(wěn)定,這樣在長距離傳輸模擬信號(hào)時(shí),不能用電壓輸出方式,而把電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。另外許多常規(guī)工業(yè)儀表中,以電流方式配接也要求輸出端將電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。V/I轉(zhuǎn)換器就是把電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流輸出信號(hào),有利于信號(hào)長距離傳輸。V/I轉(zhuǎn)換器可由晶體管等多種器件組成。</p><p>　　如左下圖8所示為實(shí)現(xiàn)電壓-電流

73、轉(zhuǎn)換的基本原理電路。由于電路引入負(fù)反饋，uN=uP=0，負(fù)載電流 iL與uI成線性關(guān)系。 如右上圖所示為實(shí)用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。 </p><p>　　如下圖8所示為實(shí)現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路。由于電路引入負(fù)反饋，uN=uP=0，負(fù)載電流 </p><p><b>　?。?.4.1）</b></p><

74、;p>　　iL與uI成線性關(guān)系。由于負(fù)載沒有接地點(diǎn)，因而不適用于某些應(yīng)用場合。 </p><p>　　圖8電壓電流轉(zhuǎn)換基本原理電路</p><p>　　式（4-2）表明，負(fù)載電流iL僅由輸入電壓決定，而與負(fù)載RL的大小無關(guān)。當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，負(fù)載電阻在一定的范圍變化，輸出電流將保持不變，此電路就成為恒流源。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的電壓電流轉(zhuǎn)換

75、電路如圖9所示：</p><p>　　圖9 電壓電流轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)需要用到比較多的運(yùn)算放大器，LM324是通用四運(yùn)放放大器，價(jià)格也不高，一塊芯片四個(gè)放大器，大大的減少了制作成本和布線的難度。</p><p><b>　　電流電壓轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　這個(gè)電路是運(yùn)算放大器的一個(gè)典型接

76、法呀!運(yùn)算放大器同相端接地,電流信號(hào)輸入到反向端,反向端與輸出端接一個(gè)反饋電阻,由于運(yùn)算放大器反向端此時(shí)是"虛地"輸出電壓U=-I*R。如圖10所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻Ri=0，因而iF=iS，故輸出電壓 </p><p><b>　　(4.4.2)</b></p><p>　　Rs比Ri大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。 <

77、;/p><p>　　圖10電流電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的電路如下圖11：</p><p>　　圖11 電流電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　VIIV轉(zhuǎn)換部分在proteus仿真軟件上仿真的電路如圖12所示</p><p>　　圖12 VIIV仿真電路圖</p><p>　　在仿真電

78、路的輸入和輸出接入示波器，波形如圖13所示：</p><p>　　圖13 VIIV部分波形圖</p><p>　　上面的為輸入波形，下面為輸入波形，兩波形基本一致，只是頂端和低端有點(diǎn)削減。削減的原因可能是LM324運(yùn)放的精度不夠高導(dǎo)致的，不過不影響有效值，用交流電壓表測得的有效值是一致的。[9][10]</p><p>　　4.5 信號(hào)放大部分</p>

79、<p>　　放大電路我們使用的還是一個(gè)運(yùn)算放大器，也是放大電路的一個(gè)經(jīng)典接法。集成運(yùn)算放大器按照輸入方式可以分為同相、反相、差分三種接法，按照輸入電壓與輸出電壓的運(yùn)算關(guān)系可以分為比例、加法、減法、積分、微分等，輸入方式和運(yùn)算關(guān)系組合起來，可以構(gòu)成各種運(yùn)算放大器。我們這次設(shè)計(jì)的是一個(gè)反相比例放大電路，所以下面我們只介紹反相比例電路。</p><p>　　反相比例放大電路的特點(diǎn)由運(yùn)算放大器組成的反相比例放

80、大電路如圖14所示：</p><p>　　圖14 反相比例放大器</p><p>　　根據(jù)集成運(yùn)算放大器的基本原理，反相比例放大電路的閉環(huán)特性為：</p><p><b>　　閉環(huán)電壓增益：</b></p><p><b>　?。?.5.1）</b></p><p>　　輸

81、入電阻 （4.5.2）</p><p>　　輸出電阻 （4.5.3）</p><p>　　環(huán)路帶寬 （4.5.4）</p><p>　　其中：BWo為運(yùn)放的開環(huán)帶寬。&l

82、t;/p><p>　　最佳反饋電阻 = （4.5.5）</p><p>　　上式中：Rid為運(yùn)放的差模輸入電阻，Ro為運(yùn)放的輸出電阻。</p><p>　　平衡電阻 （4.5.6）</p><p>　　從以上公式可以看出，由運(yùn)算放大器組成的反相輸

83、入比例放大電路具有以下特性：</p><p>　　（1）在深度負(fù)反饋的情況下工作時(shí)，電路的放大倍數(shù)僅由外接電阻R1和 Rf 的值決定。</p><p>　?。?）由于同相端接地，故反相端的電位為“虛地”，因此，對前級信號(hào)源來說，其負(fù)載不是運(yùn)放本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。由于Rif = R1，因此反相比例放大電路只適用于信號(hào)源對負(fù)載電阻要求不高的場合（小于500kΩ）<

84、/p><p>　?。?）在深度負(fù)反饋的情況下，運(yùn)放的輸出電阻很小。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的電路接線圖15如下</p><p>　　圖15 信號(hào)放大電路圖</p><p>　　由上面的計(jì)算公式可以算出增益為1，而平衡電阻為5K取標(biāo)準(zhǔn)電阻4K7。</p><p>　　在仿真軟件proteus上仿真的電路圖為圖16所示：

85、</p><p>　　圖16 放大電路仿真電路圖</p><p>　　在輸入和輸出端接入示波器觀察波形如圖17所示：</p><p>　　圖17 信號(hào)放大部分波形圖</p><p>　　上面的為輸入波形，下面為輸入波形，兩波形基本一致，因?yàn)槭欠聪虮壤糯笏暂斎牒洼敵霾ㄐ问莿偤孟喾吹?。頂端和低端有點(diǎn)削減，削減的原因可能是LM324運(yùn)放的精度不

86、夠高導(dǎo)致的，不過不影響有效值，用交流電壓表測得的有效值是一致的。[11]</p><p>　　4.6 信號(hào)全波整流部分</p><p>　　全波整流電路一種對交流整流的電路。在這種整流電路中，在半個(gè)周期內(nèi)，電流流過一個(gè)整流器件（比如晶體二極管），而在另一外一個(gè)半周內(nèi)，電流流經(jīng)第二個(gè)整流器件，并且兩個(gè)整流器件的連接能使流經(jīng)它們的電流以同一方向流過負(fù)載。全波整流整流前后的波形與半波整流所不同的

87、，是在全波整流中利用了交流的兩個(gè)半波，這就提高了整流器的效率，并使已整電流易于平滑。因此在整流器中廣泛地應(yīng)用著全波整流。在應(yīng)用全波整流器時(shí)其電源變壓器必須有中心抽頭。無論正半周或負(fù)半周，通過負(fù)載電阻R的電流方向總是相同的。全波整流使交流電的兩半周期都得到了利用。其各項(xiàng)整流因數(shù)則與半波整流時(shí)不同。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是通常用的一個(gè)經(jīng)典的精密全波整流電路，在精密全波整流的基礎(chǔ)上并聯(lián)上一個(gè)濾波電容就成了

88、全波整流有效值電路是在絕對值電路的基礎(chǔ)上再加低通濾波電路構(gòu)成，其核心的運(yùn)算放大器如下圖18所示：</p><p>　　圖18 全波整流有效值電路</p><p>　　運(yùn)算放大器IC1、IC2，二極管D6、D7和電阻、構(gòu)成半波整流電路。當(dāng)輸入信號(hào)Uin<0時(shí)，運(yùn)放IC1輸出為正，D6導(dǎo)通、D7截止,Uo=0；當(dāng)Uin>0時(shí)，IC1輸出為負(fù)，D7導(dǎo)通、D6截止,Uo=-,波形如下圖

89、19所示。</p><p>　　圖19 半波整流波形</p><p>　　上面為UIN輸入波形，下面為U0輸出波形</p><p>　　只要運(yùn)算放大器IC1的輸出電壓在數(shù)值上大于整流二極管D6、D7的正向?qū)妷海瑒t當(dāng)Uin≠0時(shí)D6、D7中總有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)正常整流。若運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為,則其整流的最小輸入電壓峰值為/，即使二極管正

90、向?qū)妷涸谡髦械挠绊懴魅趿吮叮虼苏魈匦源蟠蟾纳啤?lt;/p><p>　　在未接入Cf時(shí)，運(yùn)算放大器IC2和電阻、、構(gòu)成反向加法器，</p><p><b>　　、</b></p><p><b>　?。?.6.1）</b></p><p><b>　?。?.6.2）</b>

91、;</p><p>　　為保證正負(fù)半波放大倍數(shù)一致，要求 ，即=2。</p><p>　　=1時(shí)絕對值電路，調(diào)整的阻值，可改變電路的增益。通常選=，=2，Uout的波形如圖4-17所示。</p><p>　　假設(shè)輸入信號(hào)為正弦波電壓Uin=Uim sinwt,在上并入一電容Cf，構(gòu)成低通濾波器，只要適當(dāng)選取Cf的值，是低通

92、濾波器的截止角頻率Wo滿足</p><p><b>　?。?.6.3）</b></p><p>　　則可認(rèn)為全波整流電壓Uout中的全波交流紋波均被A2抑制掉，只有Uout中的直流分量out方能通過，即</p><p><b>　?。?.6.4）</b></p><p><b>　　調(diào)節(jié)的

93、阻值，使</b></p><p><b>　?。?.6.5）</b></p><p>　　即可保證輸出電壓out為輸入正弦波Uin的有效值?？傊?，輸出電壓與輸入電壓的有效值成正比。</p><p>　　綜合實(shí)驗(yàn)研究與仿真計(jì)算，通過以上公式換算。工頻W=50HZ,取=10k,則=10k；取=10k，則=20k；推出=22k，Cf>

94、;>14nf,取Cf=1uf。</p><p>　　根據(jù)上面的結(jié)論，本次設(shè)計(jì)的電路仿真圖如下：</p><p>　　圖20 全波整流有效值仿真電路</p><p>　　其仿真結(jié)果如下所示：</p><p>　　圖21 未接入C1時(shí)Uin和Uout波形圖</p><p>　　波形圖中上面的波形為輸入波形，下面為全波

95、整流輸出波形。</p><p>　　當(dāng)接入濾波電容C1后，波形圖如下</p><p>　　圖22 接入C1后，out波形圖</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)仿真，采樣的信號(hào)通過全波整流有效值電路之后，轉(zhuǎn)換為帶有些許紋波的有效值輸出。倘若將其輸出電壓信號(hào)再經(jīng)一級低通濾波后，可以得到更為滿意的直流電壓信號(hào)。[10][11]</p><p>　　4.

96、7 二階低通濾波部分</p><p>　　使通過全波整流有效值電路的輸出電壓信號(hào)再經(jīng)一級低通濾波，可以得到更為滿意的直流電壓信號(hào)。低通濾波器可以采用電壓控制電壓源（VCVS）型二階低通濾波器電路實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　電壓控制電壓源(VCVS)電路，其中運(yùn)放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，故稱電壓控制電壓源電路。其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定、增益容易調(diào)節(jié)。電壓控

97、制電壓源（VCVS）型二階低通濾波器電路如圖4-19所示。</p><p>　　低通濾波的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（4.7.1）</b></p><p><b>　　——電壓增益；</b></p><p>　　——低通濾波器截止角頻率；</p><p><

98、;b>　　Q——品質(zhì)因數(shù)，</b></p><p>　　BW——帶通、帶阻濾波器的帶寬；</p><p>　　圖23 二階低通濾波電路</p><p>　　圖21所示的電路的傳輸函數(shù)的表達(dá)式為：</p><p><b>　　(4.7.2)</b></p><p>　　則低通濾波器

99、相應(yīng)的其他性能參數(shù)為：</p><p><b>　　(4.7.3)</b></p><p><b>　　(4.7.4)</b></p><p><b>　　(4.7.5)</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，通常給定的性能指標(biāo)有截止頻率或截止角頻率，帶內(nèi)增益，以及濾波器

100、的品質(zhì)因數(shù)Q。對于二階低通(或高通)濾波器，通常取Q =O.707。對低通濾波電路部分的設(shè)計(jì)如圖24所示。</p><p>　　圖24 二階低通濾波仿真電路圖</p><p>　　通過參考書籍和計(jì)算得到R20=1.5K,R21=5.5K,R25=1M,R24=100,C2=670nf，C3=210nf；對其取標(biāo)準(zhǔn)值為C2=470nf，C3=220nf。</p><p&g

101、t;　　將上圖22在multisim里對全波整流有效值電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波得到的波形如下圖23所示。</p><p>　　圖25 經(jīng)過二階低通濾波后波形圖</p><p>　　圖上最上面的為輸入信號(hào)波形，中間為低通濾波輸出信號(hào)，最下面的就是二階低通濾波輸出信號(hào)波形，二階低通濾波后得到的是基本上沒有紋波的直流信號(hào)。</p><p>　　經(jīng)過低通濾波電路之后，信號(hào)轉(zhuǎn)變

102、成近似于直流的有效值直流信號(hào)。這個(gè)直流信號(hào)直接可以接入單片機(jī)部分處理了[10、11]。</p><p><b>　　4.8硬件設(shè)計(jì)部分</b></p><p>　　4.8.1單片機(jī)硬件部分</p><p><b>　　單片機(jī)硬件部分</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)處理中引入單片機(jī) , 利用

103、其強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能對信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理。一般單片機(jī)的選擇需考慮很多因素比如說 </p><p>　　1). 單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O引腳數(shù)量 2). 單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），EEPROM，擴(kuò)展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。 3). Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。 4). 封裝IP（雙

104、列直插），PLCC（PLCC有對應(yīng)插座）還是貼片。DIP封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可能方便一點(diǎn)。 5). 工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機(jī)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。 6). 功耗，比如設(shè)計(jì)并口加密狗，信號(hào)線取電只能提供幾個(gè)mA,用PIC就是因?yàn)榈凸模髞沓隽薓SP430也不錯(cuò)。 7). 工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電，至少應(yīng)該能在1.8-3.6V電壓范圍內(nèi)工作。 8). 供貨渠道暢通。能申請樣片，小批量購買有現(xiàn)

105、貨。最好像標(biāo)準(zhǔn)51，中發(fā)里隨便找個(gè)柜臺(tái)就能買到。9). 價(jià)格低。 10). 有服務(wù)商，像周立功公司推Philips，雙龍公司推AVR，都提供了很多有用的技術(shù)支持，起碼燒寫器有地方買。 11). 燒錄器價(jià)格低，如果是ICP（把單片機(jī)放在燒錄器</p><p>　　而我們這次設(shè)計(jì)則不需要考慮那么多的因素，畢竟單片機(jī)只是一個(gè)信號(hào)的處理系統(tǒng)，是輔助我們做出判斷的機(jī)器，主要考慮的因素有：低功耗、價(jià)格便宜、隨便能買得到

106、、抗干擾性能好、存儲(chǔ)器夠用就可以了。綜合上面的考慮，比如AT89S51單片機(jī)就很適合這個(gè)設(shè)計(jì)。</p><p>　　選擇低功耗的單片機(jī)產(chǎn)品,并使其工作于休眠狀態(tài)。只有當(dāng)瞬變量檢測電路受觸發(fā)時(shí),才將單片機(jī)從休眠狀態(tài)喚醒,進(jìn)行程序規(guī)定的判別操作。單片機(jī)在休眠狀態(tài)下,工作電流是μA級,這種模式抗干擾能力大為提高,且可大大降低功耗。使用較低頻率的晶體振蕩器是降低功耗的另一措施。</p><p>　

107、　單片機(jī)部分是設(shè)計(jì)最后一個(gè)環(huán)節(jié)，對輸入信號(hào)進(jìn)行分析判斷，然后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，提示信號(hào)的有效值，并發(fā)送數(shù)據(jù)到連接PC的串口，在PC上顯示出來。</p><p>　　設(shè)計(jì)采用的是廣泛應(yīng)用的AT89S51單片機(jī)。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用AT

108、MEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。</p><p>　　AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸

109、出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 </p><p>　　此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDI

110、P、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。</p><p><b>　　1．主要特性：</b></p><p>　　? 8031 CPU與MCS-51 兼容</p><p>　　? 4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫/擦循環(huán))</p><p>　　? 全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz<

111、/p><p>　　? 三級程序存儲(chǔ)器保密鎖定</p><p>　　? 128*8位內(nèi)部RAM</p><p>　　? 32條可編程I/O線</p><p>　　? 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　? 6個(gè)中斷源</b></p><p><b>　

112、　? 可編程串行通道</b></p><p>　　? 低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　? 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p><b>　　2．管腳說明：</b></p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸

113、入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH

114、編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉