基于電工實驗的保護和考核系統(tǒng)的設計

劉嬌 吳瓊

摘要：針對電工實驗中存在因線路連接不當造成的安全隱患及考核標準的不完善，提出了一種基于電工實驗的保護和考核系統(tǒng)電路的設計。該設計通過過壓、過流及漏電保護電路對電工實驗電路進行實時監(jiān)測和保護，同時考核電路對實驗時間、出錯次數進行了監(jiān)測和實時查詢。通過測試，該電工實驗系統(tǒng)有很大的實用價值，對電工實驗教學具有重要意義。

關鍵詞：電工實驗 過壓保護 過流保護 漏電保護 考核電路

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A？？？？文章編號：1007-9416（2016）05-0000-0

1前言

“電工與電子技術實驗”是高校電氣類專業(yè)的一門主干實踐類課程。電工實驗以電源為載體，大部分場合使用的是220V或380V的交流電，實驗具有一定的危險性。而參加電工實驗的學生絕大部分是新手，實踐能力偏弱，對于安全用電的概念處于模糊階段。因此，在電工實驗的教學過程中，安全用電就成為一個不可或缺的教學環(huán)節(jié)[1]。

本文就實驗中常見的幾種錯誤設計保護措施。如設備漏電、電路短路、負載過輕、電壓過高、儀表超量程等。針對電工實驗中的安全隱患及考核要求，本文設計了一套基于電工實驗的保護和考核的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)由保護模塊與考核模塊兩大部分組成，保護模塊又分過壓保護、儀表超量程保護、過流及短路保護、漏電保護，各模塊都有聲光報警功能，用來提示搭建的實驗電路存在故障。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

配電箱的三相電經交流接觸器KM、三相調壓器輸出后，每相電源再經電流互感器后與零線一并提供給實驗裝置。交流接觸器的線圈由AC220V供電，各模塊電路中都有一個直流繼電器，將繼電器的一個常閉端（NC）串聯在交流接觸器線圈的供電電路中。漏電保護模塊有一個端子要與實驗裝置的金屬外殼連接在一起，用來檢測設備是否有漏電現象。所有的保護電路都有一個接口與考核電路相接，用來記錄實驗過程中的錯誤操作。各模塊的工作電源由配電箱直接供給，因此，即使實驗過程中有非正常操作使交流接觸器斷開，各保護電路還能正常運行。

3 模塊電路分析

由圖1可以看出保護模塊由過壓保護、儀表超量程保護、過流及短路保護、漏電保護組成。

3.1 過壓保護、過流保護、儀表保護模塊

在電工實驗過程中，由于接線的疏忽或者對電路的不熟悉，最容易犯的毛病就是220V與380V電源的混淆使用導致超過負載的額定電壓，錯誤操作都可能會給人身安全或財產帶來損失。

這三個模塊的故障保護及報警原理相似，如圖2所示。圖2-（a）中端口L3、L4是繼電器的常閉觸點，串聯在交流接觸器工作線圈的火線上。比較器的反相輸入端接一個電位器，可以調節(jié)反相輸入端的電位，為保護電路設置閾值電壓。比較器的同相輸入端連接各模塊采樣到的信號。在正常狀態(tài)下，L3、L4是相通的，交流接觸器可以正常啟動。節(jié)點RELAY電壓與VCC電壓相同，圖2-（b）中的蜂鳴器與LED不工作，三極管Q2截止，端口*-Protect輸出低電平。

若同相端的電壓大于閾值電壓（反相端的電位），比較器輸出高電平，三極管Q1飽和導通，使繼電器吸合。此時L3、L4斷開，交流接觸器因線圈斷電而斷開觸點，切斷實驗設備的供電。因為斷電后保護模塊無輸入信號，即比較器同相端無輸入信號，比較器輸出低電平。但在繼電器吸合時，其常開端閉合，使其線圈經復位按鈕連接在一個閉合回路中而繼續(xù)保持吸合狀態(tài)。此時聲光報警模塊也連接到閉合回路中，將持續(xù)報警且交流接觸器不能啟動，三極管Q2導通，*-Protect端口輸出一個高電平到考核模塊上，引起單片機的中斷，報警記錄增加一次。直到按了復位按鈕，切斷回路才能停止報警，交流接觸器才能啟動。

3.2 漏電保護模塊

盡管實驗設備帶有漏電保護開關，可以有效防止人身觸電事故發(fā)生。但若由于實驗連接線的絕緣層破損或導線有毛刺等原因使設備帶電，而實驗設備接地又不好，這樣是不會引起漏電保護開關的動作，從而也會發(fā)生觸電。此模塊就是為預防這種意外的發(fā)生而設計的，其原理圖如圖3所示。

圖3中555芯片組成一個施密特觸發(fā)器，正常狀態(tài)下，外殼沒有漏電，三極管Q3截止，555的第2、6腳輸入電壓與芯片電源電壓相同，輸出端第3腳為低電平，三極管Q4截止，繼電器K1、K2都不工作，L2、L3相通，實驗設備正常供電。

當外殼有漏電現象，則此電壓經R1、R2分壓、整流、濾波后輸入到三極管Q3的基極上致Q3導通，555第2、6腳電壓降為低電平，輸出端第3腳輸出高電平使三極管Q4導通，從而繼電器K1、K2吸合，L2、L3斷開，實驗設備斷電，有效防止學生觸電。該模塊的聲光報警與記數信號輸出的原理同前面分析一樣。

該系統(tǒng)的另一個功能就是可以對學生的實驗進行定量的考核。該模塊是以AT89C52為主控的，可實現四大主要功能。 定時功能、記錄功能、查詢功能以及時鐘功能。

4 實驗操作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

5 結語

本文從電工實驗的安全與考核兩個方面出發(fā)，對實驗設備進行改進和優(yōu)化，解決了各種安全隱患，安全方面考慮了設備接地不良的漏電保護，可以減小觸電風險；考核方面實行定時控制、故障記錄、密碼保護，使考核更具有公正性。通過了對電工實驗系統(tǒng)的測試，驗證了該優(yōu)化方案的可行性。此外，該研究設計對其他電工實驗的改進具有一定的實際參考價值。

參考文獻

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