一種可遙控的頻率監測及保護設備

朱銘和

(南京工程學院電力工程學院,江蘇 南京 211167)

用電頻率是電能質量的一個重要指標,由于我國的用電設備都按照50Hz 來設計,所以過高的頻率會對負載(尤其是工業生產設備)造成一定的損傷,比如設備局部過熱,絕緣加速老化的問題,嚴重時甚至會直接損壞設備,引發事故。而目前市場上針對家用電器(比如公牛插座)主要為過電流保護設備,對于頻率保護暫時沒有一套成熟的、普及的裝置。本文針對用戶側220V 下,如何對電能的頻率進行監測與保護出發,設計出一種可遙控的頻率監測及保護裝置,改善用電設備因長期工作在過高或過低的頻率而壽命減少的狀況。

1 系統整體設計原理

本設計是一種實用的頻率監測與保護設備,裝置可以針對50W 以下的負載進行保護,主要為一些對頻率有要求的用電設備而設計。首先,裝置的啟動與關閉受WiFi 開關模塊控制,用戶可通過手機進行遠程操作；其次,裝置采用自供電,不外設直流電池組裝置進行供電；接著,對電能信號進行采樣,輸入運算電路；之后,經電路中的單片機運算后,輸出電信號,一部分用于驅動數碼管電路,顯示當前實際頻率,另一部分用于驅動繼電保護電路,從而實現保護負載的目的。在負載端口,設置了USB接口與2 孔插座接口,分別為小功率負載和大功率負載供電。當裝置被遠程關斷后,負載端口也會失電,避免負載在沒有裝置保護的情況下接入220V 配電端,造成不必要的損壞。

2 系統硬件設計原理

2.1 系統總體結構。系統主要包括電源、WiFi 開關模塊、信號源、運算電路、繼電器電路和負載,信號源與運算電路的輸入端連接,繼電器電路、數碼管顯示電路與運算電路的輸出端相連。其中電源與WiFi 開關模塊、運算電路依次串聯,電源為WiFi 開關模塊與負載直接供電。

整體結構圖中,運算電路的供電受到WiFi 開關模塊的控制,運算電路的輸入端得到信號源輸送的信號,然后從不同的輸出端送出電信號,用于驅動數碼管顯示電路與繼電器電路；數碼管在運算電路的驅動下能夠顯示出當前實際的頻率,繼電器電路會在運算電路的驅動下繼續接通負載或是斷開負載。

系統總體結構如圖1。

WiFi 開關模塊的型號為YS-BL1K；電源中的AC-DC 整流模塊型號為HLK-20M12,其余均為變壓器；運算電路的單片機型號為8G1k80A7719802029.xa; 繼電器電路中繼電器為松樂原裝繼電器和JQX-58F·220V/60A 功率繼電器；數碼管顯示電路中的數碼管為4 位8 段,驅動芯片為TM1650。

2.2 信號源電路。信號源電路采用一個10:1 的變壓器,將配電網用戶側220V 電壓降為22V 左右,再經過電阻與兩個反向串聯的穩壓管,將正弦信號波形整流為5V 的近似脈沖波形,從I01 輸出。該電路簡單易操作,器件的成本低,采樣的信號可靠,能夠作為合適信號源。信號源的電路圖如圖2。

圖2 信號源電路

2.3 電源。電源主要分為直流低壓部分220AC/12DC 與交流高壓部分,其中直流低壓部分為WiFi 模塊與運算電路供電,交流高壓部分為負載供電。如圖3 所示,I04/I05 輸出端與WiFi開關模塊直接連接,經WiFi 開關模塊繼電器后與運算電路連接。I01/I02 輸出端經繼電器電路中的繼電器后與負載連接。該電源電路結構簡單,可靠性高,既能夠實現裝置中不同模塊的自供電,也可以實現為負載供電。電源電路如圖3。

圖3 電源電路

2.4 運算電路。運算電路為模塊化電路,其中的單片機型號為8G1k80A7719802029.xa,具體功能為驅動數碼管顯示電路與繼電器電路。運算電路的信號源輸入端與信號源的輸出端連接,運算電路的輸出端I01 與數碼管顯示電路連接,使數碼管顯示出頻率數值；運算電路輸出端I02 輸出高電平或低電平,用于驅動繼電器電路,高電平使繼電器動作,負載與電源斷開,低電平使繼電器不動作,負載與電源繼續接通。觸發開關S3 用于選擇模式,模式共有4 種：A≤f、f≤A、A≤f≤B、f≤A 且f≥B；觸發開關S4 用于選擇數碼管上數位(從左向右,可循環),觸發開關S5 用于設定數位上的數值(從0 至9,可循環)。運算電路的功能示意圖如圖4 所示。

圖4 運算電路

圖5 繼電器電路

2.5 繼電器電路。繼電器電路由門極放大電路、電流繼電器、功率繼電器組成。電流繼電器為松樂原裝2 路繼電器,功率繼電器為JQX-58F·220V/60A,電平端輸入運算電路輸出的電平信號,門極放大電路在高電平信號下關斷三級管,電流繼電器不動作,負載與電源繼續連接；在低電平信號下開通三級管,電流繼電器動作,負載與電源斷開,完成保護。其中,NC/COM/NO端口為小功率(5W)設備接口,NC1/COM1/NO1 為大功率(50W)設備接口。繼電器電路如圖5。

3 裝置整體的設計效果

設計效果：

虛線框內為完整裝置,裝置對外有電源線1 與負載接口2。電源線1 采用2 孔插頭,可直接插入插座,獲取電能,負載接口分為兩種類型：USB 接口與兩孔插座,USB 接口由于小功率設備,兩孔插座用于大功率設備。數碼管實現設備的監測功能,顯示當前的實際電能頻率。負載接口經繼電器電路與電源相連,負載電源受到繼電器控制,可實現頻率保護功能。

裝置簡圖如圖6、裝置具體結構圖如圖7。

圖6 裝置簡圖

圖7 裝置具體結構圖

4 結論

介紹了一種可遙控的頻率監測及保護裝置,根據配電網用戶側220V 電能的實際頻率。結合運算電路設定的保護模式與保護范圍,輸出高或低電平,使負載在頻率正常時保持與電源接通,在頻率異常時使負載與電源斷開,實現保護的目的。該裝置具有模塊化,成本低,體積小,可遙控開與關,無需外置電源電路等優點,設計具有較大的實際意義。