基于AVR单片机的煤矿电气设备性能试验装置研制

基于AVR单片机的煤矿电气设备性能试验装置研制
【摘要】煤矿井下安全生产一直是我国安全生产工作的重点。

本文在分析井下安全生产现状和AVR单片机特点的基础上，以AVR单片机为核心设计矿用电气设备特性试验装置，装置根据需要完成不同电压等级、不同额定电流的电气设备过载、短路、温升等试验操作。

【关键词】煤矿电气设备试验特性
一、前言
目前国内煤矿安全生产现状良好，井下安全生产事故总数、死亡人数和百万吨死亡率逐年下降，但随着开采强度和深度的增加，煤矿安全生产面临新的挑战。

如何从本质上排除煤矿安全生产事故隐患是当今煤矿安全生产工作和安全科技研究的重点。

矿用隔爆兼本质安全型多回路真空电磁起动器、矿用隔爆兼本质安全型真空馈电开关和矿用隔爆型照明信号综合保护装置等电气设备是煤矿井下输配电及安全生产所必需的设备，其在过载、短路及漏电时产生的火花容易引起井下瓦斯等可燃性气体爆炸，导致安全生产事故发生。

可见，开展煤矿井下电气设备性能试验装置的研制，对于提高井下电气设备质量、排除安全生产事故隐患和保证井下生产工作的顺利开展具有十分重要的意义。

ATmegal 16L属于在AVR单片机大家庭中一款新型高档单片机，它的芯片内部集成了较大容量的数据存储器和丰富的硬件接口电路。

ATmegal 16L具备AVR高档单片机系列产品的全部优良性能，但由于其采用了小引脚封装形式，所以价格和低档单片机相似，使其成为所有AVR单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能价格比最好的产品。

ATmegal 16L单片机具有32个可编程I/O口，可以根据需求定义I/O口的输入/输出方向，输出信号具有较强的驱动能力，能够直接驱动LED等大电流负载。

ATmegal 16L单片机的大部分I/0端口为复用端口，即可以作为通用数字I/O，还可以作为芯片内部其他外围电路的接口。

ATmegal 16L单片机具有三个定时/计数器，不仅具有常规的计数和定时功能，还具有信号捕捉、比较、实时时钟计数及脉宽调制输出等更为强大的功能。

ATmegal 16L单片机具有8路10位ADC转换器，可直接实现模拟信号和数字信号之间的相互的转换。

二、试验装置研制
煤矿电气设备性能试验装置主要完成矿用电气设备的温升、过载和短路特性试验，试验时将试品的三相串联后通一试验电流，然后对试品特定部位的温升或保护器的动作时间进行测量，最后结合相关国家或行业标准对试品的性能进行判定。

试验装置主要由大电流发生器、调压电源和控制系统三部分组成，其中大电流发生器用于为试品通试验电流，调压电源用于为试品提供操作电源，控制系统以AVR单片机ATmegal 16L为核心，采用高精度多量程电流互感器、继电器和计时器对试验过程的变量进行测量和显示。

2.1大电流发生装置
大电流发生装置采用多磁路组合产生不同容量的电流，通过万能转换开关旋转切换到不同的组合方式，本文设计的试验装置共包含四个磁路，分别为两个15KW和两个30KW的磁路，其中一个15KW磁路的输出电流值可调，另外一个15KW磁路和两个30KW磁路输出电流为固定值，通过不同的组合方式可以产生0-90KW的电流值，万能转换开关的档位和输出功率如下所示：
第1个“0”位：全部断开；“1”位：可投入0～15KW可调；
第2个“0”位：全部断开；“2”位：可投入0～15KW可调+15KW全压；
第3个“0”位：全部断开；“3”位：可投入0～15KW可调+30KW全压；
第4个“0”位：可投入30KW全压；“4”位：可投入0～15KW可调+15KW全压+30KW
全压；
第5个“0”位：可投入30KW全压；“5”位：可投入0～15KW可调+30KW全压+30KW 全压；
第6个“0”位：可投入30KW全压+30KW全压；“6”位：可投入0～15KW可调+其余全压，此时大电流发生装置满负荷。

操作面板上具有升压、降压开关，用于调整可调15KW磁路的输出，从而调整到所需的输出功率，可预调或带流调整。

在总电源接通时和磁路组合调整开关调到“0”位或越过“0”位时，该可调绕组的电压将自动回零，以防止瞬间过载。

在自动回零过程中输出电流调整按钮中的升压（红色）按钮会亮起警示，并输出电流调整按钮失效，同时该可调绕组不会被投入。

电压回零后且磁路组合调整开关不在“0”位时，红钮灯熄灭转入正常。

2.2 煤矿电气设备性能试验装置控制系统
煤矿电气设备性能试验装置控制系统主要由AVR单片机最小系统、电流测量单元、信号转换单元、IGBT、电机、操作按钮和显示单元组成（如图1所示）。

其中，AVR单片机最小系统是整个测量系统的核心，主要用于电流计算及发送控制指令给IGBT；电流测量单元是指多量程电流互感器，试验线路导线从互感器的中心穿过，主要用于测量试品的电流值；信号转换单元用于将电流互感器的输出信号转换成单片机可以识别的信号，并对信号进行滤波；IGBT用于控制电机的起动、运转和停止；电机的主轴和大磁路发生装置相连接，通过电机旋转调整大电流发生装置的输出；操作按钮用于外界向单片机输入控制指令；显示单元用来显示试品的电流，同时也可以用于显示试验时间。

三、结束语
煤矿电气设备的性能直接制约煤矿井下安全生产工作能否顺利开展。

本文结合AVR单片机
开发煤矿电气设备性能试验装置，并对大电流发生装置的原理进行分析，最后设计了煤矿电气设备性能试验装置控制系统。

试验装置能够按照标准要求完成矿用电气设备特性试验，具有结构简单、性能稳定及可靠性强等特点。

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