一种智能脱扣器数据采集系统硬件设计

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。

3 多路转换开关

设计中，需要对3 路电压、4 路电流总共7 路信号进行采样，并将采样信号送入LPC 2294 A/D口。若占用微控制器7 个A/D 口，会造成资源的浪费。因此，应用多路转换开关，使得多路输入模拟量经过多路转换开关的切换，共用1 个A/D口。多路转换开关电路如图8 所示。其中，第11、10、9 管脚分别接LPC 2294 的I /O 口，利用I /O口不同的输出信号选通输入模拟量;13、14、15脚，12、1、5、2 脚分别为3 路电压、4 路电流的输入。

多路转换开关电路

图8 多路转换开关电路

4 锁相环部分

电力系统的信号频率在50 Hz 附近波动，若采用定时采样，使得采样频率保持恒定，电网频率一旦发生波动，就不能保证采样数据的准确有效。

而动态采样可以实时跟踪电网频率，根据频率变化自行调整采样频率，寻找到精确的相位，确定采样点。本设计利用锁相环，实现动态采样、跟踪电网频率。倍频电路倍频电网频率后，将信号送入智能断路器的微控制器LPC 2294 的外部中断引脚来停止、起动采样，严格保证了采样数据的正确。

CD 4046 是通用的CMOS 锁相环集成电路，其电源电压范围宽，输入阻抗高，动态功耗小，属于微功耗器件。因此，本设计应用CD 4046 构成锁相倍频电路。CD 4046 输入端需方波信号，利用锁相环前期整形电路，将交流信号转变为方波型号;然后利用低通滤波器所构成的完整锁相环电路完成频率跟踪。74LS 393 双四位异步清零的二进制计数器构成分频器，将其级联实现64 倍频。另外，锁相环电路外接发光二极管，通过发光二极管可以很方便的看出环路入锁失锁状态。锁相环芯片工作原理图如图9 所示，锁相环锁相倍频电路如图10 所示。图11( a)、图11( b)、图11(c)分别为实际降压后电网信号，输入锁相环信号，锁相环锁相倍频后信号在示波器显示图像。

锁相环芯片工作原理图

图9 锁相环芯片工作原理图。

实际降压后电网、输入锁相环、锁相环锁相倍频后信号的示波图形

图11 实际降压后电网、输入锁相环、锁相环锁相倍频后信号的示波图形。

5 结语

本设计完成了电网信号采集，将电流采样环节的3 路信号、电压采样环节3 路信号以及剩余电流采样环节信号送入多路转换开关，利用多路装换开关对采样信号选通，最后送入微控制器LPC 2294;同时，应用锁相集成芯片CD 4046 锁相倍频输入信号，倍频后信号作用于微控制器中断引脚产生中断，以此来实现对信号实时采样。基于ARM 智能断路器数据采集系统具有高速度、高精度的特点，且适用于智能断路器此类要求高速、高精的各种智能仪器的采样中。