【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)展，經(jīng)歷了以低壓電器分立元件構(gòu)成自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，以模擬電路應(yīng)用為主的機(jī)電一體化產(chǎn)品，以高性能的新型電器元件為基礎(chǔ)并采用以CPU 為核心的智能型專用控制器的發(fā)展歷程。 電源自動(dòng)切 換裝置目前在我國經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，即兩接觸器型、兩斷路器型、勵(lì)磁式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)和電動(dòng)式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)。兩接觸器型轉(zhuǎn)換開關(guān)為第一代，是我國最早生產(chǎn)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，它是由兩臺接觸器搭接而成的簡易電源，這種裝置缺點(diǎn)是線圈長期通電耗能易燒毀，產(chǎn)品的接通分?jǐn)嗄芰Φ停|頭易抖動(dòng)、熔焊，其產(chǎn)品可靠性很低，尤其是在帶負(fù)荷轉(zhuǎn)換時(shí)易出現(xiàn)爆炸性事故，因而在工程中越來越少采用，這類產(chǎn)品在國外已被淘汰并禁止使用。兩斷路器式轉(zhuǎn)換開關(guān)為第二代，也就是我國國家標(biāo)準(zhǔn)和 IEC標(biāo)準(zhǔn)中所提到的 CB 級自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，它是有兩斷路器改造而成，另配機(jī)械 聯(lián)鎖裝置，可具有短路或過電流保護(hù)功能，但是機(jī)械連鎖不可靠。勵(lì)磁式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)為第三代，它是由勵(lì)磁式接觸器外加控制器構(gòu)成的一個(gè)整體裝置，機(jī)械連鎖可靠，轉(zhuǎn)換由電磁線圈產(chǎn)生吸引力來驅(qū)動(dòng)開關(guān)，速度快，但觸頭滅弧系統(tǒng)是以分?jǐn)嘁淮坞娀∫笤O(shè)計(jì)的，用在河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 雙電源電路切換，也存在不合理因素。電動(dòng)式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)為第四代，是 PC 級自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其主體為符合隔離開關(guān)，為機(jī)電一體式開關(guān)電器，轉(zhuǎn)換由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換平穩(wěn)且速度快，并且具有過 0 位功能，是目前國內(nèi)外市場較理想的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)目前國內(nèi)的產(chǎn)品市場還不成熟，表現(xiàn)在 : （ 1）行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用 戶，對電源自動(dòng)切換裝置還比較陌生，真正對其標(biāo)準(zhǔn)有深入了解、研究的制造商也不多，用熟悉的開關(guān) (接觸器、斷路器、隔離開關(guān) )，僅通過增加電源檢測和自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能作為電源轉(zhuǎn)換開關(guān)是許多廠商最快捷、開發(fā)成本最低的解決方案。而中國、國際電工委員會(huì) (IEC)、 UL 都為雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)制訂了專門的標(biāo)準(zhǔn)，說明其他現(xiàn)有的開關(guān)不能完全滿足自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)特定的要求，它也應(yīng)該像其他傳統(tǒng)的開關(guān)一樣，是一類有專門用途的開關(guān)裝置，應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)要求專門設(shè)計(jì)、制造。 （ 2）名稱不規(guī)范。國家標(biāo)準(zhǔn)的中文名稱是 :自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器。既然有標(biāo)準(zhǔn)，名稱就應(yīng)該規(guī)范、唯一。 （ 3）因?yàn)樽詣?dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)還沒有實(shí)行 CCC 認(rèn)證，全國已經(jīng)有 100 多個(gè)品牌，還可以帖牌，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在使用過程中不是經(jīng)常動(dòng)作的開關(guān)，所以，不同品牌的質(zhì)量差異不宜區(qū)別，有質(zhì)量問題的也不容易在短時(shí)間發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性常常被忽視，而可靠性恰恰是最重要的指標(biāo)，這是目前阻礙我國技術(shù)、質(zhì)量提高的最大障礙。自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作性質(zhì)，決定了其故障會(huì)帶來重大的損失，所以，安全可靠性是設(shè)計(jì)、制造和選用最關(guān)鍵的指標(biāo)。 針對我國市場缺乏高性能自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的現(xiàn)狀，法國、日本、新加坡、美國、韓國等的 多個(gè)品牌的產(chǎn)品先后打入中國市場。以美國產(chǎn)品為代表的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)技術(shù)代表著當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。因?yàn)椋@類產(chǎn)品率先是在軍工領(lǐng)域得到使用，如雷達(dá)、通訊、航天等領(lǐng)域，而美國在上述領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。因此，美國對自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)產(chǎn)品有較高的要求，他們將此產(chǎn)品視為電源的一部分，為了提高其產(chǎn)品可靠性，不惜采用黃金作為觸頭材料。因此，在產(chǎn)品開發(fā)、研制方面投入較大。目前美國生產(chǎn)這類產(chǎn)品規(guī)模較大的企業(yè)有三至四家，如 ONAN、 ASCO、 GEZENIm，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品除了基本型外，還有瞬時(shí)并聯(lián)性、旁路一隔離型、延時(shí)轉(zhuǎn)換型等。為了滿足 不停電電源要求，國外一些大公司推出以可控硅為主的電子式自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，額定工作電流 100~1200A，檢測。它主要應(yīng)用在電子商務(wù)網(wǎng)站、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體芯片制造業(yè)及緊急救援中心等要害部門。 電源自動(dòng)切換裝置的發(fā)展趨向主要包括兩個(gè)方面，其一是開關(guān)主體，具備很高的抗沖擊電流能力，并且可以頻繁轉(zhuǎn)換 。具有可靠的機(jī)械聯(lián)鎖，確保任何狀態(tài)下兩路電源不能并列運(yùn)行 :不允許帶熔絲或脫跳裝置，以防止雙電源開關(guān)因過載而造成輸出端無電現(xiàn)象 。具備 O 位功能，并且隔離距離大，以便能夠承受更高的沖擊電壓 (8KV)以上 。四級開關(guān)具備 N 級先 合后分的功能，以防止在裝置轉(zhuǎn)換時(shí)，不同系統(tǒng)中 N 線上電位漂移，使電河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 流走向不一致或分流，造成剩余電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作。其二是控制器，采用微處理器智能化產(chǎn)品，檢測模塊應(yīng)具有較高的檢測精度和寬的參數(shù)設(shè)定范圍，包括電壓、頻率、延時(shí)時(shí)間等 。具備良好的電磁兼容性，應(yīng)能承受住主回路的電壓波動(dòng)，浪涌保護(hù)，諧波干擾，電磁干擾等 。轉(zhuǎn)換時(shí)間快，且延時(shí)可調(diào) ?？蔀橛脩籼峁└鞣N信號及消防聯(lián)動(dòng)接口，通信接口。 本論文研究的主要內(nèi)容 本論文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出地震局智能控制中心后備發(fā)電機(jī)自動(dòng)切換裝置，使之具有高性能、高可靠性、智能化和安全 性等特點(diǎn)，該裝置的硬件采用 AT89C51 單片機(jī)為核心，軟件采用匯編語言和 C 語言編程，可以靈活設(shè)置各種運(yùn)行方式及時(shí)間參數(shù)，在常用電源發(fā)生故障時(shí)，能根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)換程序準(zhǔn)確完成常用電源和備用電源之間的轉(zhuǎn)換，定期檢測后備發(fā)電機(jī)是否有電并對其充電，從而最大限度地保證供電的連續(xù)性。 本論文的研究過程中，主要包括幾個(gè)方面的工作 : （ 1）研究后備發(fā)電機(jī)自動(dòng)切換裝置的技術(shù)現(xiàn)狀，以及存在的問題和可發(fā)展的方面 。 （ 2）選取適合的芯片和開發(fā)工具，以及性能可靠、抗干擾性強(qiáng)的元器件 。 （ 3）確定本系統(tǒng)所采取的數(shù)據(jù)測量方法和數(shù)據(jù)處理算法 ，并確定系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 。 （ 4）設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)功能要求的硬件電路 。 （ 5）利用匯編語言開發(fā)軟件 。 （ 6）工作總結(jié)及展望未來。 小結(jié) 本論文為地震局智能中心設(shè)計(jì)后備發(fā)電機(jī)的自動(dòng)切換裝置，主要為軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。地震局為重要場不能斷電的場合，因此，對其電源自動(dòng)切換的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)十分穩(wěn)定可靠，保證不斷電。設(shè)計(jì)其檢測電路，轉(zhuǎn)換電路，充電電路，看門狗等，并且進(jìn)行軟件編程調(diào)試，為地震局設(shè)計(jì)一套安全、可靠、穩(wěn)定、操作性強(qiáng)的供電系統(tǒng)。 河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 2 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)功能 系統(tǒng)的作用 電源自動(dòng)切換系 統(tǒng)定義是由一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其他必需的電器組成，用于監(jiān)測電源電路、將一個(gè)或多個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源的自動(dòng)電器。后備發(fā)電機(jī)自切換系統(tǒng)有兩路電源，一路是來自變電站的市電，一路是地震局內(nèi)部的后備發(fā)電機(jī)，這個(gè)系統(tǒng)的作用有： （ 1）監(jiān)測兩路電源； （ 2）兩路電源的自動(dòng)切換； （ 3）檢測蓄電池是否有電或充電完閉； （ 4）定期每個(gè)月給后蓄電池充電。 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程及自動(dòng)充電功能 后備電源采用 60KVA 的發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)換電源期間中斷向負(fù)載供電。系統(tǒng)指定一個(gè)常用電源位置，其操作程序由兩個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換過 程組成 : （ 1）如果常用電源被檢測到出現(xiàn)偏差，則啟動(dòng)延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間到，自動(dòng)將負(fù)載從常用電源轉(zhuǎn)換至備用電源 。 （ 2）如果常用電源恢復(fù)正常，則啟動(dòng)延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，自動(dòng)將負(fù)載返回?fù)Q接到常用電源。 自動(dòng)充電功能由看門狗電路組成，每個(gè)月自動(dòng)檢測后備發(fā)電機(jī)是否有電，并且完成對其充電。 系統(tǒng)性能指標(biāo) （ 1）轉(zhuǎn)換時(shí)間：觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)間 —— 從第一組主觸頭斷開常用電源起至第二組主觸頭閉合備用電源為止的時(shí)間 。轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間 — 主電源被監(jiān)測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時(shí)間 (含機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間 )，不包括特意引入 (控制器 )的延時(shí) ?？倓?dòng)作時(shí)間 — 轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間與特意引入 (控制器 )的延時(shí)之和 。返回轉(zhuǎn)換時(shí)間 — 從常用電源完全恢復(fù)正常的瞬間起至一組主觸頭閉合常用電源的瞬間為止的時(shí)間加上特意引入的延時(shí) 。斷電時(shí)間— 從各相電弧最終熄滅的瞬時(shí)起至主觸頭閉合另一個(gè)電源為止的轉(zhuǎn)換過程時(shí)間，包括特意引入的延時(shí)。 河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 （ 2） .額定接通和分?jǐn)嗄芰Γ侯~定接通和分?jǐn)嗄芰κ侵圃鞆S規(guī)定的，在規(guī)定條件下足以能夠接通與分?jǐn)嗟碾娏髦?。對于交流，額定接通和分?jǐn)嗄芰τ秒娏鞯慕? 流分量有效值表示。 （ 3）額定短時(shí)耐受電流：額定短時(shí)耐受電流是制造廠規(guī)定的，在國家標(biāo)準(zhǔn) GB 廳 一 20202 的 條規(guī)定的試驗(yàn)條件下，電器能夠承載的短時(shí)耐受電流值。對于電流，額定短時(shí)耐受電流值用電流的交流分量有效值表示。 （ 4）額定短時(shí)分?jǐn)嗄芰Γ侯~定短時(shí)分?jǐn)嗄芰κ侵笐?yīng)能分?jǐn)囝~定短路分?jǐn)嗄芰耙韵碌娜魏坞娏?。在額定工作電壓、額定頻率與規(guī)定的功率因數(shù) (或時(shí)間常數(shù) )下，電器的短路分?jǐn)嗄芰χ担妙A(yù)期分?jǐn)嚯娏髦当硎尽? 電源轉(zhuǎn)換控制器基本功能 （ 1）電壓檢測功能 克服了以往電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置只能檢測常用、備用兩路電源各一相的缺點(diǎn)，控制器對常用、備用電源各自的 A、 B、 C 三 相電壓進(jìn)行監(jiān)控，保證了轉(zhuǎn)換條件的完整性和準(zhǔn)確性。并指示常用、備用電源的狀態(tài)及當(dāng)前接入的電源狀態(tài)。 （ 2）故障電壓閥值可設(shè)定 不同的應(yīng)用場合下對電壓故障界定條件各不相同。本控制器將故障電壓種類 分為過壓和失壓，高于額定值的 l巧 %判為過電壓，低于 60 一 85%判為欠電壓。 而不同的欠電壓閥值可以設(shè)定。 （ 3）具有“自復(fù)”功能 自復(fù)是指在轉(zhuǎn)換至備用電源后，一旦常用電源供電恢復(fù)，控制器給出從備用電源轉(zhuǎn)換至常用電源的信號。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案選擇 概括的說，簡單、可靠、安全就是此系統(tǒng)最基本的要求，可靠的分析轉(zhuǎn)換是系統(tǒng)的核心。 總體結(jié)構(gòu) 從系統(tǒng)需滿足檢測、充電、轉(zhuǎn)換方面的功能來講，硬件原理總框圖可作如下設(shè)計(jì)，如圖 21 所示： 河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 2 1 硬件原理總框圖 光電耦合器將每相電壓進(jìn)行取樣，然后送模入數(shù)轉(zhuǎn)換器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果被單片機(jī)讀入。單片機(jī)根據(jù)用戶鍵入的功能命令，對采集到的三相電壓與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行智能判斷，然后發(fā)出相應(yīng)的分閘、合閘、延時(shí)指令 (或聲光報(bào)警指令 )，經(jīng)過接口電路，驅(qū)動(dòng)繼電器，使電源切換開關(guān)作相應(yīng)的動(dòng)作。如：某相電壓超過 (或低于 )規(guī)定的電壓值 (簡稱過壓或欠壓 )時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的指示及聲光報(bào)警，以及根據(jù)用戶設(shè)定的工作模式去自動(dòng)切換電源，切換由繼電器帶動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。最后，單片機(jī)還應(yīng)對切換后的開關(guān)進(jìn)行檢測，以確定是否正常分閘或正常合閘，形成閉環(huán)控制回路，以免開關(guān)本身的故障造成系統(tǒng)不市電 三相輸入 后備電源 三相輸入 光電耦合 光電耦合 模數(shù)轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 分閘 合閘 控制 功能狀態(tài) 選擇 聲光 顯示 繼電器 定期檢測并充電 河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 正常工作。此外，通過看門狗程序自動(dòng)定期檢測后備發(fā)電機(jī)是否有電，并對其進(jìn)行充電。 核心控制芯片的選擇 系統(tǒng)的核心控制芯片選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)，這種單片機(jī)的最大特點(diǎn)是片內(nèi)含有 FLASH 存儲(chǔ)器，在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器中十分有 用，單片機(jī)的引腳功能圖如圖 22 所示： 圖 22 89C51 引腳圖 圖 22 AT89C51 引腳圖 AT89C51 是一種低功耗、高性能的的位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè) 4KB 的 FLASH 可編程、可擦除只讀器，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51 兼容。片內(nèi)的 FLASH 存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編序或用常規(guī)的非易失性可編程存儲(chǔ)器來編程。 AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到零，并提供兩種可軟件來選擇的省電方式 —— 空閑和掉電方式。在空閑方式中， CPU 停止工作，而 RAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi) RAM 的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。 AT89C51 的主要工作特性： （ 1） 8031CPU； 河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 （ 2） 4KB 的快速擦寫 FLASH 存儲(chǔ)器，用于程序存儲(chǔ)，可擦寫次數(shù)為了 1000 次； （ 3） 256B 的 RAM 其中高 128B 字節(jié)地址被特殊功能寄存器 SFR 占用 ； （ 4） 32 根可編程 I/O 線； （ 5） 2 個(gè)可編程 16 位定時(shí)器； （ 6）具有 6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)中斷矢量、 2 級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)； （ 7）一個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR； （ 8） 1 個(gè)可編程的全雙工串行通信口； （ 9）具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式； （ 10）可編程的 3 級程序鎖定位； （ 11）工作電源的電壓為 5（ 1177。 ） V； （ 12）振蕩器最高頻率為 MHZ； （ 13）編程頻率 MHZ~24MHZ，編程電流啟動(dòng)電流 1mA，編程電壓 VPP 為 5V 或 12V。 河北工可程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 單獨(dú)一個(gè) 89C51 是無法工作的，它必須和其它相應(yīng)的外圍設(shè)備一起才能構(gòu)成一個(gè)完 整的系統(tǒng)。 單片機(jī)及外圍電路 ⑴復(fù)位電路 復(fù)位