限制學生寢室使用大功率電器的新裝置研究

摘 要： 由于市場上一種名為功率轉換插座的裝置的出現，使得學生寢室原有的限電機制失靈，不能再限制大功率純電阻電器的使用。違章用電容易埋下安全隱患，發生用電危險。本文通過具體實驗，測量出正常用電和違章用電兩種情況下各項電路參數，并結合Multisim.v10.0.1對兩種用電情況進行模擬，綜合分析各種參數的不同，采用智能限電的理念，提出新的限電機制。結果顯示，可以通過在宿舍入口處安裝已編程的單片機，檢測電流的大小，來判斷學生寢室是否違章用電，從而在根本上限制了學生寢室私自使用大功率純電阻電器，保障了學生寢室用電安全。

關鍵詞： 功率轉換插座 學生寢室 智能限電 功率因數 單片機

學生寢室目前為保障學生用電安全，限制學生在寢室使用大功率純電阻電器，如暖手寶，熱得快等裝置。目前學生寢室配電箱中安裝已編程的單片機，采用限制電壓和電流最小相位角的限電機制，即當功率較大（>400W）且功率因數接近1（電壓電流相位角偏小）時，單片機會切斷電源電路[1]。但是當前市場上出現了一種名為功率轉換插座的裝置，利用電容產生無功功率，以減小大功率純電阻電器使用時的功率因數，從而將純電阻電器偽裝成非純電阻電器，避開單片機的限電控制。本項目的目的在于研究設計一種新型裝置，從根本上解決限制學生寢室使用大功率純電阻電器的目的。項目的最大意義在于保障學生用電安全。根據之前對于多種功率轉換器的研究，了解到部分功率轉換器內部沒有熔斷電阻，容易發生危險，且功率轉換器的工作原理在于產生無功功率，無功功率在線路中不斷傳遞，會加重學校電路的負擔，加快線路老化[2]，既造成了經濟損失，又埋下了安全隱患。對于使用功率轉換器是否會造成電器的壽命縮短，加快內部線路老化，還在進一步研究當中。

1.功率轉換插座的研究

1.1功率轉換插座的內部結構

通過對不同功率轉換器內部結構的研究以及元件參數的測量，不同功率轉換器內部構造不同。但是通過對內部電路分析，畫出電路圖，其內部電路分布一致，圖1為XW-03B型號的功率轉換器內部電路及其元件參數。

圖1 XW-03B型號的功率轉換器內部電路

1.2功率轉換插座的工作原理

功率轉換插座利用并聯在電阻上的電容產生無功功率，補償線路中接入大功率純電阻電器后電流和電壓相位角的減小，從而減小了功率因數，因而在原有的限電機制下，大功率純電阻電器與功率轉換插座配合使用，不會造成斷電。圖中雙向二極管的作用在于穩壓，保證用電器在此電路中，置于額定電壓下工作。熔斷電阻的作用是在發生短路等情況下切斷電路。

2.實地調研

通過電話網絡及實地調查等相結合的方式，深入了解我國各地區不同高校的限電機制，以及功率轉換器的使用情況，并且了解學生宿舍日常使用的電器，做成明細表。如表1，表2所示。

通過以上調研數據可得到以下實驗結論：

a.各個高校宿舍均采取限電措施保障學生安全，限電額度稍高于學生宿舍用電總額，為800W～1000W。

b.以上高校學生群體中均存在使用功率轉換器的現象。

c.以上可推知，各高校配電箱均采用同一機制限制大功率純電阻電器的使用。

3.實驗過程

由于當前限電機制是在宿舍配電箱處，添加了已編程的單片機。由于實驗條件的限制，無法對寢室配電箱內部結構進行研究。故將探究的著手點確定為宿舍端口，并采用同配電箱相同的限電方式，即在宿舍用電總線入口處添加已編程的單片機對電路的開閉實行控制。

本文采用智能限電理念[4]，即通過單片機對用電負荷信號進行數據采集，將采集到的數據進行一系列運算和判斷，從而對用戶使用了違章電器進行監控。如果單片機沒有檢測到符合違章電器特征的負荷且總負荷小于規定的負荷，說明該用戶用電是安全的電閘導通，綠燈一直亮，數碼管顯示當前的負荷大小；反之，單片機將輸出關斷信號，將電閘關閉，同時數碼管顯示HH，蜂鳴器報警，10秒后，單片機自動檢測負荷情況，若違章電器仍然存在，單片機繼續關閉電閘；若違章電器被撤去，則單片機發出導通信號，控制晶閘管恢復供電，數碼管恢復顯示負荷大小。

綜合以上各種理論，確定了具體的研究路線：通過分析對比正常用電情況下的參數和違章用電（大功率純電阻電器和功率轉換器配合使用）情況下的參數的不同，來使單片機分析檢測線路中是否存在違章用電情況。

正常用電情況：

a.所有用電器共同工作（包括四臺電腦，四盞臺燈，一臺飲水機，四部手機充電器）。

b.四臺電腦同時工作。

c.四部手機充電器共同工作。

違章用電情況：

a.XW-03B型功率轉換器，500W暖手寶共同使用。

b.PZD001型功率轉換器，500W暖手寶共同使用。

通過以上幾種用電情況的參數，總結出正常用電情況下的功率因數范圍和違章用電情況下的功率因數范圍。找出其中的不同，用以指導確定新裝置的限電機制。

針對以上幾種用電情況的實驗計算過程如下：

正常用電情況：

a.所有用電器共同工作（包括四臺電腦，四盞臺燈，一臺飲水機，四部手機充電器）。

b.四臺電腦同時工作。

功率因數=360.24W/1320W=0.273

c.四部手機充電器共同工作。

功率因數=20W/176W=0.114

違章用電情況：

4.結論

在正常用電情況下功率因數可以為1，比如單獨使用臺燈或者飲水機的情況。但是當功率較大時（P>300W）功率因數接近1時會斷電，而違章用電情況為大功率用電，所以正常用電情況下的功率因數僅考慮功率較大時的功率因數范圍。故將功率因數的范圍的上限定為0.40。

通過以上實驗可知：

a.正常用電情況下的功率因數范圍在0.114～0.40。違章用電情況下的功率因數范圍在0.142～0.228。違規用電情況下的功率因數范圍在正常用電情況下的功率因數的范圍之間。

b.正常用電情況下總線的電流在0A～8.44A，即0A10A。

由此確定了新裝置的研究的最終技術路線：在宿舍電路入口處安裝單片機，用以判斷線路電流是否大于9A。當總線電流大于或等于9A，切斷電源，蜂鳴器發出警報，10秒后自動恢復供電。若依舊大于9A，則再次瞬間斷電，直至違章電器在線路中移除，方可恢復供電。其流程圖如圖2所示。

圖2 智能限電流程圖

參考文獻：

[1]王新河，許建新.現代電力電子技術在電源中的應用是今后發展的必然趨勢[J].治黃科技信息，2006，（03）.

[2]張文亮，湯廣福，查鯤鵬，賀之淵.先進電力電子技術在智能電網中的應用[J].中國電機工程學報，2010，（04）.

[3]滕樂天，何維國，劉雋，包海龍.電力電子技術對上海電網發展的革新與挑戰[J].供用電，2009，（07）.

[4]張炳武.固態繼電器電參數測試技術研究和測試系統軟件設計[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2007，（8）.

基金項目：四川大學大學生創新性實驗計劃（201210610152）。

通訊作者：陳軍偉