赵忠英　施洋　王元慧

【摘 要】随着我国经济建设的进步和发展，控制与保护开关顺应控制系统、配电网络等的要求而产生，由于控制与保护开关具有传统电器组合所不具备的可靠性高、功能全等众多优点，越来越受到人们的青睐。但是由于现在开发出来的控制与保护开关成本太高，操作不便等缺点。本文结合降低成本以及实现检测大量程电流等目的， CPS控制与保护开关进行了设计。

【关键词】触头系统；现状；性能设计

随着社会的发展，人们的生活以及各行各业的发展都已经离不开电，电的作用体现在我们周围的各个角落，各种各样的电器也伴随着人们的需求而产生和发展。CPS控制与保护开关也在人们提出各种需求的情况下产生和发展着。CPS控制与保护开关的发展将对我国的各行各业的发展起到至关重要的作用，所以，对CPS控制与保护开关的设计和研究是十分有意义和价值的。

1.CPS控制与保护开关的现状及研究意义

1.1 CPS控制与保护开关的现状

随着社会的发展，人们对电器的需求也越来越多，90年代以来，电动机控制以及低压配电两个系统也已经发展到保护、智能化监控以及信息网络系统。现在，第二代以智能、环保、节能为主题的控制与保护开关已投入使用。伴随着不断变化的社会需求，我国也在原有的CPS控制与保护开关产品的基础上开展技术创新，开发更适合社会需求的新产品，使得我国CPS控制与保护开关的水平进一步提高，使国内的CPS控制与保护开关在国际竞争中更占优势。

现有CPS控制与保护开关主要包含动力模块、保护与控制单元、扩展功能模块、辅助触头及附件等模块。各种各样的CPS控制与保护开关在国内及国外市场上出现。各種CPS控制与保护开关的功能基本一致。

1.2 CPS控制与保护开关设计研究的意义

随着科技的迅猛发展，在工业生产中出现了大量的自动化的电器，这些电器的运行情况将严重影响到工业生产的质量和进度，所以，对CPS控制与保护开关有了越来越多的需求。CPS控制与保护开关的工作和运行情况依靠现场总线就可以进行实时的远程监控，达到保护和控制负载的效果。CPS控制与保护开关可以依靠显示器和键盘，在现场进行参数修改。CPS控制与保护开关已经按照高性能、安装及调试方便、系统设计简化、节省材料、节省能源、模块化、集成化、小型化等越来越高的要求发展和进步着，所以CPS控制与保护开关的设计和研究的意义是巨大的。

2.触头系统

2.1电接触基本原理

金属在空气中不免要氧化或硫化，在表面生成一层很薄的氧化膜或硫化膜，而后者的电阻率比金属本体的电阻率要大得多，这也使得触头接触处的电阻增大。这样，在触头接触处就形成了所谓的接触电阻，它会使触头的损耗增大，温升升高，因此接触电阻是有害的，然而又是不可避免的。根据实验研究，触头间的接触电阻为：Rj=K/（9.8F）a式中：F 为触头间的接触压力（N）；a 为与接触形式有关的指数，点接触时a=0.5、面接触时a=1、线接触时a=0.7；K为与材料的物理性质以及接触表面状况有关的系数（Ω·kg）。

2.2控制系统的硬件选型

2.2.1 MCU选型

单片机的主要功能体现在将RAM、CPU、ROM、I/O等零件全部聚集在一个集成电路上形成的微型的计算机。随着单片机的快速发展，类型也越来越多，并且各种类型的单片机都有其独特的优点，各种单片机不同特点的相互补充，进而扩大应用范围。结合CPS控制与保护开关的功能要求以及各种单片机的不同特点，8位单片机比较符合要求，所以本文的设计过程中选择了STC12C5A48S235型号的单片机。

2.2.2传感器的选型

由于CPS控制与保护开关的主要作用是在遇到不正常的情况下通过切断主回路来保护马达的。由于大电流交变电流的测量过程中，危险性很高，这就要求互感器发挥其电流转换作用，首先把大电流转化为比较小的电流以起到保护作用。结合CPS控制与保护开关的需求以及各种型号的互感器的功能特点，本次设计中选择LMZJ1-0.5型号的互感器。

2.3控制系统的硬件的电路模块

控制系统的硬件电路包括七大模块，分别是电源模块、键盘模块、MCU模块、显示模块、通信模块、程序放大及数据处理模块。

2.3.1通信模块

传统的RS232通信的传输距离只有15米，还存在只能支持点对点的传输，这是远远不能满足CPS控制与保护开关对传输距离以及总线式传输的要求的，所以本次设计中并没有采用RS232通信，而是选用了传输距离高达1200米并且支持总线式通讯的RS485通信，因为它不仅可以满足CPS控制与保护开关对传输距离的要求，还支持总线式通讯，并且还具有很多RS232不具备的优点。

2.3.2电源模块

CPS控制与保护开关要求在电源模块运用单相的全波桥形式的整流电路。电路中运用了四个相互连接成桥的二极管。考虑电源模块的重要性，本次设计中电源模块选择了LM7805型号的三端稳压电路。这是综合考虑了电源模块的各种需求以及LM7805的各种特性和优点做出的慎重选择。

2.3.3数据处理模块

由于需要对电压放大的倍数进行调解，并且需要把大小和方向都在变化的交流电变为直流电，此外，还需要滤除输出的整流电路中的交流成分。因此，CPS控制与保护开关对数据处理模块也提出了相对较多的要求。

2.3.4程控放大模块

为了满足操作方便及节约成本等需求，CPS控制与保护开关采用了程控放大器来避免和解决电流较小时出现的精确度不够的问题，进而达到大量程电流的测量只靠一个大电流比的互感器来实现的目标。

3.CPS控制与保护开关的下位机的程序设计

由于C语言具有语句精炼、移植性好等许多优点，所以在工业控制中得到广泛应用。但是优点众多的C语言也有其自身的缺陷，就是它是不能直接对计算机的接口地址及硬件资源进行访问的，因此，访问速度也远不及汇编语言。但是汇编语言的很多特性例如移植性等都是远不及C语言的。综合各语言特性的重要程度，本次设计选择C语言来作为下位机的编程语言。

4.总结

随着社会的发展，CPS控制与保护开关在各行各业的应用也越来越广泛，这就对CPS控制与保护开关的功能和性能有了越来越高的要求，CPS控制与保护开关也顺应了市场的需求按照高性能、安装及调试方便、系统设计简化、节省材料、节省能源、模块化、集成化、小型化等特点发展和改进着。伴随着CPS控制与保护开关的性能越来越优，它在生产生活中的作用也会越来越明显，对CPS控制与保护开关的设计和研究的需求也将越来越迫切。 [科]

【参考文献】

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[2]王平，高龙琴.全程电流测试的控制与保护开关设计[J].机械工程与自动化，2013，（4）：157-160.

[3]戴梅，谢启，徐伟等.控制与保护开关电器电源模块参数检测系统[J].测控技术，2011，30（6）：107-110.