一種新型低壓斷路器過流檢測方案

張 昊，謝秋慧，蔡春皓，傅培剛，趙 勇，鄭 輪

（上海出入境檢驗檢疫局，上海200002）

0 引言

我國的城鄉(xiāng)改造過程中對低壓斷路器市場需求一直保持著高增長，國內(nèi)用戶對這類產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平的要求也越來越高，同時這類產(chǎn)品的進(jìn)出口的規(guī)模也在日益擴(kuò)大，因此設(shè)計一套具有先進(jìn)測試功能的低壓斷路器延時特性檢測平臺對于相關(guān)產(chǎn)品的檢測工作的開展具有非常現(xiàn)實的意義［1-2］。低壓斷路器屬于傳統(tǒng)的低壓電器，國內(nèi)生產(chǎn)廠家眾多，每個廠商的檢測設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)都不同，因此由國家相關(guān)部門制定和完善相關(guān)產(chǎn)品的檢測工作對于提高行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)范市場有很大的意義。

國家標(biāo)準(zhǔn)《家用及類似場所用過電流保護(hù)斷路器》（GB 10963.1-2005）和《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器》（GB14048.2），這兩個國標(biāo)分別是在國際電工委員的標(biāo)準(zhǔn)IEC 60898-1 和IEC947-2 的基礎(chǔ)上制定的，是目前該大類產(chǎn)品的主要檢測標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)已經(jīng)制定和完善的基礎(chǔ)上，支持檢測工作的硬件基礎(chǔ)條件的開發(fā)就變得十分重要。傳統(tǒng)檢測方法是將調(diào)壓器和變壓器相結(jié)合，該方案［3-4］為這類產(chǎn)品檢測提供基本思路。

傳統(tǒng)的檢測方法主要依靠機(jī)械調(diào)壓設(shè)備，也就是自耦式調(diào)壓器，設(shè)備為了穩(wěn)定輸出電流需要通過電機(jī)不停調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，這種情況下調(diào)壓器電刷非常容易損壞。因此，為了滿足這類產(chǎn)品的檢測需求，一些新的測試方案［5-8］被提出來，基本的思想也是基于電源產(chǎn)品。文獻(xiàn)［9-11］提出了低壓斷路器的生產(chǎn)檢測自動化的方案。本研究提出將一種數(shù)控恒流電源技術(shù)應(yīng)用到低壓斷路器的過流檢測試驗中。

此外，在走訪相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)時發(fā)現(xiàn)，過流檢測設(shè)備的功耗普遍較大，這些設(shè)備在檢測過程中處于長時間運(yùn)行。本研究一方面提出將數(shù)控電源應(yīng)用到這個檢測領(lǐng)域，另一方面提出采用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)以最大程度地減小設(shè)備整機(jī)功耗。

1 檢測電源部分

系統(tǒng)的電源部分替代目前傳統(tǒng)的自耦式調(diào)壓檢測產(chǎn)品，不僅使檢測結(jié)果擺脫了電網(wǎng)的干擾，而且提高了檢測設(shè)備的壽命。

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本研究闡述的低壓斷路器數(shù)字檢測平臺主電路部分主要由數(shù)字電源主機(jī)和特種降壓變壓器組成。其中特種降壓變壓器部分是一個特殊設(shè)計的非標(biāo)變壓器，該非標(biāo)變壓器的原副邊匝數(shù)比在100∶1以上。該變壓器在原邊輸入額定220 V 電壓的條件下，副邊輸出電壓在幾伏但是輸出電流可以高達(dá)幾千安培，滿足幾乎所有系列的低壓斷路器的檢測要求。特種變壓器的副邊通常只有幾匝，因此變壓器的原副邊很難設(shè)計精確的匝數(shù)關(guān)系，但是通過前端數(shù)控電源的技術(shù)可以彌補(bǔ)變壓器匝數(shù)不準(zhǔn)確的問題。

同時，數(shù)控電源的檢測反饋回路也是設(shè)計的一大關(guān)鍵，直接關(guān)系到檢測工作的準(zhǔn)確性。電流檢測回路采用霍爾式電流傳感器直接進(jìn)行電流信號的檢測，當(dāng)檢測電流大于2 000 A以上考慮到設(shè)備的成本將會采用電流互感器，普通的DSP（例如DSP2812）的12 位以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路都可以滿足這樣的設(shè)計要求。傳感器輸出電流信號經(jīng)過A/D采樣電路線性比例放大為DSP 的A/D 輸入引腳所能識別的電壓信號，再由DSP內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字處理系統(tǒng)可以識別的數(shù)字量。電流電壓信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)入到DSP 數(shù)字信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的運(yùn)算得到電氣檢測所需的結(jié)果，這些結(jié)果會通過通信總線傳輸?shù)揭訟RM 為核心的數(shù)據(jù)存儲處理系統(tǒng)進(jìn)行存儲，上述通信總線可以是UART（SCI）通訊總線，也可以是I2C 通訊總線。由于以DSP 數(shù)字處理芯片可以擴(kuò)展的存儲空間非常有限，需要ARM 擴(kuò)展系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲處理能力。

圖1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)建模

低壓斷路器數(shù)字檢測平臺主要的技術(shù)方案可以概括為控數(shù)控電源的輸出電壓使得降壓變壓器副邊繞組的輸出電流穩(wěn)定在所需電流值。那么在分析這一單輸入單輸出控制系統(tǒng)之前，本研究可以明確變壓器副邊繞組的輸出電流為系統(tǒng)的輸出，同時來自ARM系統(tǒng)的電流給定信號作為系統(tǒng)的輸入。

電源系統(tǒng)控制信號流程圖如圖2所示。電源控制系統(tǒng)分為3 個部分：①控制對象；②軟件控制器；③反饋支路。控制對象描述的是圖1中從逆變器兩組橋臂輸出端到變壓器二次側(cè)輸出電流電路變換過程。反饋支路描述的是圖1 中輸出電流信號從互感器出來，經(jīng)過采樣調(diào)理，經(jīng)過控制器數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADc），最后通過有效值算法（RMS）轉(zhuǎn)化為確定數(shù)字量的過程。軟件控制系統(tǒng)描述的DSP2812 內(nèi)數(shù)字算法，其中kpwm是描述控制器中數(shù)字量轉(zhuǎn)換到逆變器橋臂輸出電壓的等效參數(shù)。

圖2 電源系統(tǒng)控制信號流程圖

由于筆者采用了有效值算法，整個開環(huán)系統(tǒng)的控制器整定就從交流系統(tǒng)的整定轉(zhuǎn)換為直流系統(tǒng)的整定，大大減小了PID 參數(shù)的整定難度。檢測電流的有效值通過反饋支路輸入到控制器數(shù)字處理系統(tǒng)中，與電流給定信號相減輸入到PID 校正器，PID 校正器的輸出可以直接校正數(shù)控電源的輸出電壓，校正的算法是采用增量法的形式保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 中控制對象中檢測開關(guān)的內(nèi)阻Rk是隨通電電流大小、通電時間和被檢測斷路器溫度波動的一個非線性干擾因素，除此之外三相市電的波動和電源控制中的“死區(qū)效應(yīng)”也是圖2所示控制系統(tǒng)的主要干擾源。方案主要通過調(diào)節(jié)PID控制器來降低這些干擾源的影響程度。

由于斷路器的過熱保護(hù)幾乎只和所通過電流的有效值有關(guān)，雖然采樣信號是一個交流信號，但是反饋信號需要是一個有效值信號代表了所檢測電流大小的有效值。反饋回路有效值算法的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到檢測平臺的各項性能指標(biāo)。由交流檢測信號獲得有效值，本研究提出兩個算法：第一個算法是真有效值算法；第二個算法是基于TI公司DSP的IQmath有效值算法。式（1）給出了連續(xù)的有效值基本計算公式，而式（2）是其離散形式，本研究可以發(fā)現(xiàn)一個開平方根的運(yùn)算出現(xiàn)在有效值計算中，這也是上述兩種計算方法的主要區(qū)別。

式（3，4）給出了真有效值算法的連續(xù)和離散形式，從其離散形式可以看出主要通過上一次計算的有效值結(jié)果和平方和累加結(jié)果的平均值來計算這一次有效值結(jié)果，從而完全避免復(fù)雜開平方根運(yùn)算。而誤差的主要來源也是相鄰兩次計算的有效值結(jié)果之差，總的來講這個算法的初始誤差比較大，動態(tài)特性也一般，但是該算法針對穩(wěn)定交流信號的有效值計算還是非常有效的。

Remark 2.The natural frequency of each section of the EHA system is not the main reason restricting the dynamic characteristic,and the natural frequency of the motor-pump group is the poorest section of all.

第二種基于TI 公司DSP 的IQmath 有效值算法可以支持開平方根運(yùn)算，因此算法的精度和實時性遠(yuǎn)高于真有效值算法。和真有效值算法一樣，這一算法需要設(shè)定DSP的數(shù)據(jù)空間內(nèi)設(shè)定一個數(shù)組，數(shù)組長度為工頻除以采樣頻率的商。算法一開始需要對數(shù)組進(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作，這部分軟件的效率直接關(guān)系到采樣頻率，而采樣頻率越高顯然整個檢測的精度也就越高。

完成了數(shù)組進(jìn)棧和出棧操作后，按照式（5）所示的算法進(jìn)行，而調(diào)用了IQmath庫的除法和開平方根運(yùn)算的執(zhí)行周期在126 個機(jī)器周期，以150 MHz 的DSP28335 為例，該算法的運(yùn)行時間小于1 ms，可以有效提高檢測電流的響應(yīng)時間。

3 檢測壓機(jī)設(shè)計

除了電源部分外，還包括檢測壓機(jī)的設(shè)計，主要目的是通過機(jī)械部分的驅(qū)動使得被檢測的斷路器產(chǎn)品與恒流源主回路可靠連接，且使接觸電阻和回路阻抗足夠小，提高檢測的自動化水平和保證檢測人員安全。

低壓斷路器延時檢測過程就是在被檢測開關(guān)產(chǎn)品兩端施加大電流的過程，而大電流主要依靠降壓變壓器二次側(cè)輸出。檢測電路的二次主回路總的阻抗包括兩部分：第一部分是斷路器本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的阻抗（包括觸頭、觸點、脫扣器線圈和加熱元件等），第二部分是降壓變壓器繞組和銅排引線引起的阻抗效應(yīng)。第一部分的阻抗就是被檢測電路部分，設(shè)備根據(jù)第一部分阻抗的變化調(diào)整輸出電流，而第二部分的阻抗是需要一次側(cè)提供更高的輸出電壓和功率，大大增加了檢測過程的功耗，降低了檢測的準(zhǔn)確性。變壓器二次側(cè)是低壓大電流特性，檢測電路的二次主回路總的阻抗不會超過5 mΩ。目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)中的過流檢測設(shè)備中變壓器的二次線路都偏長，二次大部分壓降都是由變壓器及銅排引線的漏抗引起的壓降。本研究提出了一種新型的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，下面詳細(xì)介紹一下。

檢測平臺機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來講，本研究將檢測平臺的設(shè)計分為機(jī)械部分和電源部分分開考慮。圖3是機(jī)械部分主要功能的示意圖，即通過氣缸驅(qū)動將被檢測斷路器的同一相兩個接線端子接入主回路，即圖3 中A，X兩個電氣節(jié)點（圖2 和圖3 中的A，X兩個電氣節(jié)點具有相同意義）。通過前期的試驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，圖2 和圖3 中A，X兩個電氣節(jié)點的接觸面的壓緊程度與這個接觸面的接觸電阻成一定的反比例關(guān)系，因此需要有一定的壓緊機(jī)制使得被檢測斷路器與主回路可靠連接?？紤]到自動化檢測的需要，未采用手動旋緊螺絲桿的壓緊方案；也未采用電動旋緊絲桿的壓緊的方案；機(jī)械部分就需要選擇昂貴的絲桿，設(shè)計難度也非常大，因其容易磨損絲桿；而是采取了“氣缸驅(qū)動”的方案。本研究通過空氣壓縮機(jī)提供的氣源驅(qū)動氣缸將兩個導(dǎo)電壓塊壓在測試臺“彈簧式導(dǎo)電塊”與被檢測開關(guān)的接線端子上，即將變壓器副邊主回路AX接通，在可靠接通的條件下，電源部分會起動使得變壓器副邊主回路產(chǎn)生所需的大電流。

圖3 檢測平臺機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)簡圖

為了解決上述問題，本研究設(shè)計了一種新型的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，盡量減小了變壓器二次側(cè)檢測回路的阻抗，特別是縮短了二次側(cè)的引線長度。檢測平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)工程圖如圖4所示。該方案巧妙將降壓變壓器安裝到升降臺上，利用降壓變壓器的自身重量（一般來講這類變壓器的重量達(dá)到十幾千克以上）一方面可以有效的節(jié)省氣缸壓力，另一方面氣缸與被測斷路器產(chǎn)品具有非常近的距離，從變壓器端口到被測開關(guān)的位置總的電流傳輸路徑只有20 cm。該設(shè)計有效減小了檢側(cè)所需的功率，提高了檢測效率。此外，本研究在設(shè)計中配套了主汽缸和副氣缸兩個壓力源：在開始檢測后，主汽缸首先下壓，使變壓器引線銅排非常接近被檢測的斷路器，然后再使副氣缸下壓提供最大下壓力，減小檢測回路與斷路器的接觸阻抗。

圖4 檢測平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)工程圖

4 實驗結(jié)果

本研究通過規(guī)格為400 V、800 A的低壓斷路器產(chǎn)品的檢測，驗證了上述檢測方法和壓機(jī)設(shè)計的有效性。

逆變器輸出電壓U1波形和輸出電流I1波形如圖5所示，電流有效值為1 000 A。圖5 中電流電壓波形相位基本一致，功率因素接近于1 由于采用了特殊的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，有效減小了系統(tǒng)中降壓變壓器二次側(cè)的漏感分量和銅排引線電感。

圖5 一次側(cè)輸出電壓與二次側(cè)電流波形圖

電流波形及FFT 分析結(jié)果顯示由降壓變壓器二次側(cè)的電流I2只包含50 Hz的分量和奇數(shù)次諧波分量如圖6所示，3 次諧波分量比例為小于1%，波形為THD 小于3%的正弦波。電源設(shè)備的實物樣機(jī)如圖7所示。

圖6 電流波形及FFT分析結(jié)果

圖7 數(shù)控電源實驗樣機(jī)圖

5 結(jié)束語

本研究所介紹的應(yīng)用于低壓斷路器過流檢測方案，主要涉及電源的數(shù)控技術(shù)和氣壓技術(shù)兩方面。一方面，該方案采用數(shù)控電源技術(shù)，相比傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)壓方案，有效提高了整個設(shè)備壽命和抗干擾性；另一方面，該方案采用新型壓機(jī)結(jié)構(gòu)減小了檢測功耗，提高了檢測結(jié)果可靠性。

本研究闡述了電源的數(shù)字控制模型與系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖之間的關(guān)系，闡述了新型壓機(jī)結(jié)構(gòu)減小檢測功耗的原理，通過實驗波形說明變壓器二次側(cè)功率因數(shù)為1，同時也說明了方案降低功耗的有效性。本研究通過對相關(guān)設(shè)備的介紹和試驗結(jié)果，驗證了該檢測方案能夠有效的減小檢測功耗，提高檢測精度，新型檢測設(shè)備的壽命相比傳統(tǒng)設(shè)備壽命更長。

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