CN213875936U - 一种固态断路器测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固态断路器测试实验装置，包括固态断路器和外围实验电路，所述固态断路器包括主开关电路、控制系统、驱动电路和调理电路；所述主开关电路包括两组MOSFET反向串联而成，每组所述MOSFET通过10个MOSFET功率场效应晶体管并联而成；所述外围实验电路包括电源、所述固态断路器、转换开关、短路电阻、阻性负载、接触器、示波器、第一空气开关和第二空气开关，本实用新型能够完成MOSFET的静态均流特性实验、MOSFET的动态均流特性实验、二极管反向击穿电压测试实验、MOSFET的关断能量损耗测试实验并能够验证固态断路器在防止越级跳闸、降低电气火灾隐患方面的作用。

Description

一种固态断路器测试实验装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子器件测试实验技术领域，具体领域为一种固态断路器测试实验装置。

背景技术

电力电子技术在新能源发电、直流输电、电能储存、电机系统节能、工业电机驱动、电能质量控制、智能电网建设等方面得到了广泛的应用。而电力电子器件是电力电子技术的基础，深入了解电力电子器件的电气特性对于学生提高电力电子技术应用能力至关重要。但是经调研发现，当前我国主流的面向电气类大学生电力电子技术课程配套实验装置缺少对电力电子器件特性测试的实验，在实际应用条件下进行相关测试的实验设备则更少。目前用于二极管反向击穿电压测试的实验装置，由击穿电压发生单元和测试单元组成，击穿电压发生单元多采用高精度测试专用恒电源，设备复杂、成本较高，而且只能在专用实验设备条件下进行测试，为此，提出一种固态断路器测试实验装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种固态断路器测试实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种固态断路器测试实验装置，包括固态断路器和外围实验电路，所述固态断路器包括主开关电路、控制系统、驱动电路和调理电路；

所述主开关电路包括两组MOSFET反向串联而成，每组所述MOSFET通过10个MOSFET功率场效应晶体管并联而成；

所述控制系统包括信号调理电路和信号运算处理电路，所述信号调理电路用于将采集的电压、电流模拟信号调理放大为CPU板适于处理的模拟电压信号，同时调制出计算频率的方波信号，所述信号运算处理电路主要负责信号进行A/D转换，对转换后的数字信号进行运算处理，以控制所述开关电路；

所述驱动电路是以TLP250光耦为核心组成的驱动电路；

所述调理电路用于检测电压的过零点时开通定时器，通过定时器触发A/D转换器，开始采样电压和电流的数值，当下一个过零点来临时，停止定时器，禁止A/D采样，并记录采样点的个数。然后利用有效值计算公式计算电压和电流的有效值；

所述外围实验电路包括电源、所述固态断路器、转换开关、短路电阻、阻性负载、接触器、示波器、第一空气开关和第二空气开关。

优选的，所述固态断路器与第二空气开关通过所述转换开关分别与所述短路电阻，所述阻性负载，所述电源以及所述第一空气开关组成回路，所述示波器电连接在所述固态断路器上，所述接触器与所述阻性负载电连接，并将所述阻性负载短路。

优选的，还包括有燃烧室，所述燃烧室跨接在所述回路的火线与零线之间。

优选的，还包括有机壳，所述开关电路与对应的所述MOSFET功率场效应晶体管之间通过金属触点连接，所述机壳呈矩形，所述机壳的上端设有安装板，所述安装板的上表面设有矩形槽，所述金属触点均匀设置在所述矩形槽的内表面上，所述矩形槽的一端转动连接有固定盖，所述固定盖与所述金属触点的位置相对应。

优选的，所述矩形槽的内部对应所述金属触点的一侧设有压板，所述压板的表面通过若干个连接杆与所述矩形槽的内表面连接，所述连接杆的两端两侧表面分别转动连接在所述矩形槽的内表面与所述压板的表面，所述固定盖通过转轴转动连接在所述矩形槽的内部，所述转轴的一端转动连接在所述矩形槽的内表面上，所述转轴的另一端与其中一个所述连接杆连接。

优选的，所述转轴与所述连接杆之间为转动连接，所述连接杆的表面设有圆形槽，所述转轴位于所述圆形槽内，所述圆形槽的侧壁设有滑槽，所述连接杆的表面对应所述滑槽处固定连接有挡块，所述挡块与所述滑槽之间设有弹簧

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：一种固态断路器测试实验装置，本实用新型能够完成MOSFET的静态均流特性实验、MOSFET的动态均流特性实验、二极管反向击穿电压测试实验、MOSFET的关断能量损耗测试实验并能够验证固态断路器在防止越级跳闸、降低电气火灾隐患方面的作用。

附图说明

图1为本实用新型的实验装置远离框图；

图2为本实用新型的固态断路器原理框图；

图3为本实用新型的主程序流程图；

图4为本实用新型的电流检测电路图；

图5为本实用新型的电压检测电路图；

图6为本实用新型的频率检测电路图；

图7为本实用新型的电流比较电路图；

图8为本实用新型的驱动电路图；

图9为本实用新型的打开状态下主视剖面结构示意图；

图10为本实用新型的关闭状态下主视剖面结构示意图；

图11为本实用新型的俯视剖面结构示意图；

图12为本实用新型的转轴主视剖面结构示意图。

图中：1-机壳、2-金属触点、3-安装板、4-矩形槽、5-固定盖、6-压板、7-连接杆、8-转轴、9-圆形槽、10-滑槽、11-挡块、12-弹簧。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-12，本实用新型提供一种技术方案：一种固态断路器测试实验装置，包括固态断路器和外围实验电路，如图2所示，所述固态断路器包括主开关电路、控制系统、驱动电路和调理电路；

如图2所示，所述主开关电路包括两组MOSFET反向串联而成，每组所述MOSFET通过10个MOSFET功率场效应晶体管并联而成，在10条支路上都配有电流互感器，并包含其它维持正常功能所必需的辅助元件，其PCB板的尺寸可取长304mm,宽241mm；

所述的控制系统是由信号调理电路和信号运算处理部分为核心组成的控制装置，所述信号调理电路用于将采集的电压、电流模拟信号调理放大为CPU板适于处理的模拟电压信号，同时调制出计算频率的方波信号，所述信号运算处理电路主要负责信号进行A/D转换，对转换后的数字信号进行运算处理，以控制所述开关电路，其中，电压和电流检测调理电路如图4、图5所示，当检测到电压的过零点时开通定时器，通过定时器触发A/D转换器，开始采样电压和电流的数值，当下一个过零点来临时，停止定时器，禁止A/D采样，并记录采样点的个数。然后利用有效值计算公式(4.1)计算电压和电流的有效值。

其中x²(n)为电压电流瞬时值。

检测频率参照图6，通过比较器比较出电压的过零点，产生方波，在微处理器中开通上升沿捕捉中断，当有上升沿信号时，由定时器开始计时，当收到下一个上升沿时停止计时，计算两个变化沿之间的时差间隔T，利用公式(4.2)计算频率f：f＝1/T(4.2)

固态断路器的短路电流检测电路如图7所示。固态断路器实时检测电流有效值、电流瞬时值，并分别设置电流有效值阈值和电流的瞬时值的阈值。当有效值超出给定值时，微处理器将封锁PWM，关断开关管，实现快速可靠限流。

当负载短路时，负载电流增长迅速，为了限制短路电流进一步增长，需要实施快速断电，电流比较电路将检测到的电流信号与设定的限流值比较，当负载电流瞬时值大于设定的限流值时，比较电路输出低电平至微处理器，微处理器检测到低电平输入后，进入中断服务程序，由中断服务程序启动保护程序对固态断路器实施控制。

所述驱动电路是以TLP250光耦为核心组成的驱动电路，如图8所示，为简化软硬件设计，采用74HC245D作为数码管的驱动芯片，74HC245D无需外围电路，仅外接少量电阻，即可构成完整的数码管显示功能；数码管用于显示当前电力系统的状态及参数，包括电网电压的电压值及频率、当前电力系统中的电流值，并配有复位、自检按键。LED1为正常运行指示灯；LED2为过载保护指示灯；LED3为短路保护指示灯。

所述调理电路用于检测电压的过零点时开通定时器，通过定时器触发A/D转换器，开始采样电压和电流的数值，当下一个过零点来临时，停止定时器，禁止A/D采样，并记录采样点的个数。然后利用有效值计算公式计算电压和电流的有效值。

所述的控制系统控制方法采用的系统软件主要分为主程序和中断程序两大部分，可以实现初始化、数据处理，数据显示，数据设置，状态判断，故障切除等功能。中断程序分为定时器中断程序、I/O外部中断程序和AD采样中断程序，其中定时器中断程序控制A/D转换器采样速率，I/O外部中断程序计算频率，AD采样中断程序对电流和电压进行采集；主程序中，利用中断函数中采集到的信息进行数据处理，处理程序包括：对A/D转换器采集的数据进行计算和故障判断，当发生故障时，并触固态开关动作，并判断相应的状态并进行状态显示。主程序流程图见图3

如图1所示，所述外围实验电路包括电源、所述固态断路器、转换开关、短路电阻、阻性负载、接触器、示波器、第一空气开关和第二空气开关。

具体而言，如图所述固态断路器与第二空气开关通过所述转换开关分别与所述短路电阻，所述阻性负载，所述电源以及所述第一空气开关组成回路，所述示波器电连接在所述固态断路器上，所述接触器与所述阻性负载电连接，并将所述阻性负载短路，其输入电压为交流220V。阻性负载为固态断路器的负载，限流电阻可取0.01Ω。转换开关可手动将负载与固态断路器支路或者下级固态断路器支路相连以进行相关测试。接触器用于将阻性负载短路，短路电阻用于限制短路电流。

所述的MOSFET的动态均流特性实验方法为当固态断路器正常工作时，闭合接触器，使得负载处于短路状态。由于短路后，电流迅速上升并达到固态断路器限流保护值，MOSFET关断。利用示波器测量负载突变后各MOSFET的电流波形以及回路总电流的波形，可观察到MOSFET的动态均流特性。

所述的二极管反向击穿电压测试实验，其原理为：当MOSFET关断时，由于其关断速度极快，而线路中又不可避免的存在电感L。即使存在很小的电感L，MOSFET两端也会出现很高的电压，并将超过其承受电压，从而损坏MOSFET。但由于MOSFET的寄生二极管存在反向击穿电压，因此上述现象不一定会发生。当MOSFET两端电压突然升高，超过其寄生二极管的反向击穿电压后，该寄生二极管将会被反向击穿，并基本稳定在反向击穿电压。如果能量小于雪崩击穿能量，则不足以损坏该寄生二极管。因此，利用该特性，在短路情况下关断MOSFET，可测试MOSFET寄生二极管的反向击穿电压。测试方法与MOSFET的动态均流特性测试方法基本一致，区别在于用示波器检测并记录MOSFET两端的电压波形。

所述的MOSFET的关断能量损耗测试实验，其原理为：当发生短路时，MOSFET关断，超过其寄生二极管的反向击穿电压后，二极管被击穿，电流将从MOSFET转移至寄生二极管，寄生二极管将承受大部分短路电流。如果该短路电流较大且承受时间较长，那么通过寄生二极管的能量有可能超过其雪崩击穿能量EAS，从而导致MOSFET损坏。为了验证该能量是否超过雪崩击穿能量EAS，可通过波形图估算寄生二极管的损耗Eon，计算公式为(4.3)

其中，N为并联MOSFET的数量。

之后，可将损耗Eon与规格书中MOSFET的单次雪崩能量进行对比，以便验证

具体而言，还包括有燃烧室，燃烧室内设有导线，导线的两端跨接在所述回路的火线与零线之间，所述的验证固态断路器在降低电气火灾隐患方面的作用的实验，其方法为：在放置实验装置的短路观察室中，将较细的零线和火线拧在一起，并在周围放置棉花，带上较大的负载，细线发热最终导致短路，致使燃烧室中的棉花被引燃。而由于固态断路器保护速度快，能量集聚较小，仅有微小的火花，并迅速消失，且棉花没有被引燃。

具体而言，如图9所示，还包括有机壳1，上述的电器元件均设置在所述机壳1的内部，所述开关电路与对应的所述MOSFET功率场效应晶体管之间通过金属触点2连接，所述机壳1呈矩形，所述机壳1的上端设有安装板3，所述安装板3为水平设置，如图11所示，所述安装板3的上表面设有矩形槽4，所述金属触点2均匀设置在所述矩形槽4的内表面上，MOSFET功率场效应晶体管的线脚与所述金属触点2进行接触，完成MOSFET功率场效应晶体管与开关电路之间的连接，所述矩形槽4的一端转动连接有固定盖5，所述固定盖5与所述金属触点2的位置相对应，所述固定盖5与装置之间设有锁定装置，用于将所述固定盖5在关闭状态下进行固定，所述固定盖5关闭时，将MOSFET功率场效应晶体管的引脚与金属触点2之间压紧，从而完成MOSFET功率场效应晶体管与电路之间的连接，便于批量更换MOSFET功率场效应晶体管。

具体而言，所述矩形槽4的内部对应所述金属触点2的一侧设有压板6，所述压板6的表面通过若干个连接杆7与所述矩形槽4的内表面连接，所述连接杆7的两端两侧表面分别转动连接在所述矩形槽4的内表面与所述压板6的表面，而连接杆7之间平行设置，如图10和图11所示，当连接杆7转动时，带动压板6上升或下降，所述固定盖5通过转轴8转动连接在所述矩形槽4的内部，所述转轴8的一端转动连接在所述矩形槽4的内表面上，所述转轴8的另一端与其中一个所述连接杆7连接，如图11所示，转轴8与位于压板6一端的连接杆7进行连接，且转轴8与连接杆7与矩形槽4之间的转动轴心同轴设置，使得转轴8转动过程中，同时带动连接杆7转动，使得当固定杆5打开时，压板6同时在连接杆7的活动下上升，将MOSFET功率场效应晶体管放置在矩形槽4的内部后，在关闭固定盖5的同时，压板6与MOSFET功率场效应晶体管接触后将其压紧固定，从而防止在关盖时，MOSFET功率场效应晶体管发生移动，而导致引脚无法与金属触点2之间接触。

具体而言，如图12所示，所述转轴8与所述连接杆7之间为转动连接，所述连接杆7的表面设有圆形槽9，所述转轴8位于所述圆形槽9内，所述圆形槽9的侧壁设有滑槽10，所述连接杆7的表面对应所述滑槽10处固定连接有挡块11，所述挡块11与所述滑槽10之间设有弹簧12，从而当压板6与MOSFET功率场效应晶体管接触后，继续关闭固定盖5，转轴8继续转动，使得挡块11在滑槽10内部滑动，弹簧12被压缩，从而避免压坏MOSFET功率场效应晶体管。

工作原理：本实用西行使用时，将固定盖5打开，固定盖5带动转轴8转动，转轴8带动挡块11在滑槽10内部滑动，挡块11移动至滑槽10一端时，带动连接杆7转动，连接杆7则带动压板6上升，而后将MOSFET功率场效应晶体管放置在矩形槽4处，MOSFET功率场效应晶体管的引脚与金属触点2接触，关闭固定盖5，压板6同时在转轴8的作用下下降，将MOSFET功率场效应晶体管压住，而后继续关闭固定盖5，挡块11在滑槽10内滑动后，压缩弹簧12，最终将固定盖5完全关闭后，固定盖5将MOSFET功率场效应晶体管引脚与金属触点2压紧，完成MOSFET功率场效应晶体管与电路间的连接，从而便于更换MOSFET功率场效应晶体管，提升了工作效率，从而可进行试验。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种固态断路器测试实验装置，包括固态断路器和外围实验电路，其特征在于：所述固态断路器包括主开关电路、控制系统、驱动电路和调理电路；

所述主开关电路包括两组MOSFET反向串联而成，每组所述MOSFET通过10个MOSFET功率场效应晶体管并联而成；

所述控制系统包括信号调理电路和信号运算处理电路，所述信号调理电路用于将采集的电压、电流模拟信号调理放大为CPU板适于处理的模拟电压信号，同时调制出计算频率的方波信号，所述信号运算处理电路主要负责信号进行A/D转换，对转换后的数字信号进行运算处理，以控制所述开关电路；

所述驱动电路是以TLP250光耦为核心组成的驱动电路；

所述调理电路用于检测电压的过零点时开通定时器，通过定时器触发A/D转换器，开始采样电压和电流的数值，当下一个过零点来临时，停止定时器，禁止A/D采样，并记录采样点的个数，然后利用有效值计算公式计算电压和电流的有效值；

所述外围实验电路包括电源、所述固态断路器、转换开关、短路电阻、阻性负载、接触器、示波器、第一空气开关和第二空气开关。

2.根据权利要求1所述的一种固态断路器测试实验装置，其特征在于：所述固态断路器与第二空气开关通过所述转换开关分别与所述短路电阻，所述阻性负载，所述电源以及所述第一空气开关组成回路，所述示波器电连接在所述固态断路器上，所述接触器与所述阻性负载电连接，并将所述阻性负载短路。

3.根据权利要求2所述的一种固态断路器测试实验装置，其特征在于：还包括有燃烧室，所述燃烧室跨接在所述回路的火线与零线之间。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种固态断路器测试实验装置，其特征在于：还包括有机壳(1)，所述开关电路与对应的所述MOSFET功率场效应晶体管之间通过金属触点(2)连接，所述机壳(1)呈矩形，所述机壳(1)的上端设有安装板(3)，所述安装板(3)的上表面设有矩形槽(4)，所述金属触点(2)均匀设置在所述矩形槽(4)的内表面上，所述矩形槽(4)的一端转动连接有固定盖(5)，所述固定盖(5)与所述金属触点(2)的位置相对应。

5.根据权利要求4所述的一种固态断路器测试实验装置，其特征在于：所述矩形槽(4)的内部对应所述金属触点(2)的一侧设有压板(6)，所述压板(6)的表面通过若干个连接杆(7)与所述矩形槽(4)的内表面连接，所述连接杆(7)的两端两侧表面分别转动连接在所述矩形槽(4)的内表面与所述压板(6)的表面，所述固定盖(5)通过转轴(8)转动连接在所述矩形槽(4)的内部，所述转轴(8)的一端转动连接在所述矩形槽(4)的内表面上，所述转轴(8)的另一端与其中一个所述连接杆(7)连接。

6.根据权利要求5所述的一种固态断路器测试实验装置，其特征在于：所述转轴(8)与所述连接杆(7)之间为转动连接，所述连接杆(7)的表面设有圆形槽(9)，所述转轴(8)位于所述圆形槽(9)内，所述圆形槽(9)的侧壁设有滑槽(10)，所述连接杆(7)的表面对应所述滑槽(10)处固定连接有挡块(11)，所述挡块(11)与所述滑槽(10)之间设有弹簧(12)。

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