儲(chǔ)能電機(jī)保護(hù)裝置的研究與硬件設(shè)計(jì)

西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李忠欣 張 敏

西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 黃國(guó)兵

一、引言

目前國(guó)內(nèi)電機(jī)保護(hù)裝置一般采用單片機(jī)作為核心控制器，由于自身資源和速度的限制，加之GIS組合開(kāi)關(guān)的分合閘過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常高的共模電壓，電磁干擾十分嚴(yán)重，儲(chǔ)能電機(jī)的工作環(huán)境惡劣，受到的干擾較強(qiáng)。本文針對(duì)儲(chǔ)能電機(jī)的工作環(huán)境，選用PHILIPS公司ARM7系列工作頻率高、系統(tǒng)資源豐富的LPC2138芯片作為控制核心。它內(nèi)嵌512KB的高速Flash存儲(chǔ)器和32KB的RAM，具有豐富的外圍模塊和較大的處理和控制功能，還能進(jìn)行JTAG仿真調(diào)試和ISP編程等[1]。LPC2138應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置中，使保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)性高，并進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性加強(qiáng)。

二、儲(chǔ)能電機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

該保護(hù)裝置硬件包括電源電路、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊、繼電器輸出模塊以及通訊模塊。儲(chǔ)能電機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要對(duì)回路的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，電流信號(hào)采集來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)電流互感器的二次側(cè)輸出，根據(jù)采集電壓與工況環(huán)境需求選用CSM025A霍爾電流傳感器與VSM025A霍爾電壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

（一）電源電路

LPC2138的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限很低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性要求很高。裝置電源輸入端和開(kāi)關(guān)裝置距離很近，GIS組合開(kāi)關(guān)在動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的差模噪聲和共模噪聲，并且AC220V的電源自身也存在較大的干擾，在電源電路中要進(jìn)行一系列的抗干擾處理，為裝置的不同模塊分別提供3.3V、5V、±15V、24V穩(wěn)定的直流電源[2]。電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2中，在電路中串聯(lián)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲LRV100S，進(jìn)行過(guò)電流和熱保護(hù)。在電源電路中開(kāi)機(jī)的瞬間會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，用熱敏電阻5D-9和突波吸收器471KD10，有效地抑制開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電流，并且在完成抑制浪涌電流作用以后，由于其電流的持續(xù)作用，熱敏電阻器的電阻值將降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)正常的工作電流造成影響，它還進(jìn)行防雷和過(guò)壓保護(hù)。用共模扼流線圈L1抑制共模噪聲，在回路中運(yùn)用安規(guī)電容Cx1、Cy1和Cy2，其中跨線電容Cx1(X型電容器)抑制差模噪聲；線間旁路電容器Cy1和Cy2(Y型電容器)抑制共模噪聲。用LH10-10D0524 AC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換器具有寬輸入電壓、直流和交流集成、輸出低紋波和噪聲、高效率、能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)及短路保護(hù)、低功耗、安全隔離等特點(diǎn)，輸出5V、24V的直流電。在輸出直流端分別串聯(lián)差模扼流線圈L2、L3抑制差模噪聲和電容(如圖2所示)來(lái)進(jìn)一步抑制差模噪聲。經(jīng)過(guò)一系列的抗干擾處理，使輸出的電源擾動(dòng)小，達(dá)到裝置的電源要求。用WRA2415L DC-DC轉(zhuǎn)換器將24V轉(zhuǎn)換成±15V直流電，在輸出端使用電容器抑制差模噪聲，選用低壓差線性調(diào)壓器LM1117將5V轉(zhuǎn)換成3.3V直流電，同樣在輸出端選用電容器抑制差模噪聲。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)這一系列的抗干擾處理，輸出信號(hào)波動(dòng)較小，使得電源部分的抗干擾性加強(qiáng)，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（二）復(fù)位電路

使用MAX706芯片和74HC125芯片搭建復(fù)位電路如圖3所示。

圖3中MAX706芯片是一組CMOS監(jiān)控電路，能夠監(jiān)控電源電壓、微處理器或微控制器的工作狀態(tài)。按鍵S1可以完成手動(dòng)復(fù)位，nTST和和CPU的復(fù)位引腳相連可以完成上電自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)程序“跑飛”時(shí)，通過(guò)執(zhí)行軟件，周期性的向看門狗發(fā)送WDI信號(hào)，進(jìn)行看門狗復(fù)位。使用該復(fù)位電路為系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性提供強(qiáng)有力的保證。

（三）信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊

對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集的模擬信號(hào)，需要進(jìn)行功率放大，用OPA2251精密放大器，該放大器采用單電源供電，具有高共模抑制、高開(kāi)環(huán)增益、低偏移電壓的特點(diǎn)，在外部提供±15V的電壓時(shí)，輸出電壓范圍為2.7-36V。使用外部參考電壓VREF時(shí)，輸入模擬量達(dá)到0-2VREF，設(shè)定ADS芯片VREF為2.5V。輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入ADS7818芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADS7818采用SPI總線方式與CPU進(jìn)行通信。在CPU控制端只需進(jìn)行三路信號(hào)隔離，簡(jiǎn)化了隔離電路。ADS7818是12位的高速轉(zhuǎn)換芯片，采樣時(shí)間為350nS，時(shí)鐘的最高頻率為8MHz。信號(hào)調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4中，數(shù)據(jù)采集模塊采集的電流信號(hào)Ismp和電壓信號(hào)Vsmp通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)ADG1219進(jìn)行輸入A/D控制，模擬開(kāi)關(guān)與CPU之間用光電耦合器FODM611進(jìn)行隔離。裝置工作時(shí)，設(shè)定CPU的MUX連接端口產(chǎn)生高低電平的周期，使采集的兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性A/D轉(zhuǎn)換。CPU的連接端口與SCLK連接端口為AD7818的控制線，SDO連接端口為數(shù)據(jù)線，ADS7818芯片與CPU間用FODM611來(lái)隔離[3]。在每一器件的電源端使用耦合電容器進(jìn)行濾波，使系統(tǒng)抗干擾能力提高。

（四）繼電器輸出模塊

繼電器輸出模塊是儲(chǔ)能電機(jī)保護(hù)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用DS2E-S-DC24V繼電器作為動(dòng)作機(jī)構(gòu)，該繼電器靈敏度高，擊穿電壓可達(dá)1500V。繼電器輸出模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

繼電器輸出模塊設(shè)有光電隔離電路，一方面，采用光電隔離電路可以將CPU發(fā)出的控制數(shù)字信號(hào)與繼電器電路輸出端的模擬信號(hào)很好的隔離，抑制模擬信號(hào)的噪聲干擾；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)，

由保護(hù)裝置向動(dòng)作響應(yīng)電路輸出高電平，經(jīng)光電隔離驅(qū)動(dòng)中間繼電器，使斷路器跳閘，從而切斷故障回路電源。

（五）通訊模塊

采用RS485和RS232兩個(gè)通訊串口模塊，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信功能。設(shè)計(jì)RS232通訊串口的設(shè)計(jì)主要是方便內(nèi)部人員的調(diào)試使用。在現(xiàn)場(chǎng)用RS485串口通訊來(lái)克服RS232傳輸距離和傳輸速率上的短板，并且RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強(qiáng)[4]。通訊模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6中，RS485使用5V隔離器式的收發(fā)器ISO3082工作在半雙工模式狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。采用數(shù)字隔離器相對(duì)傳統(tǒng)的高速光耦而言，數(shù)字隔離器件具有功耗低、傳輸速率高、兼容3V/5V系統(tǒng)和外設(shè)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5][6]。用B0505 DC-DC芯片為收發(fā)器提供第二電源，實(shí)現(xiàn)電源隔離，抑制電源噪聲干擾，為RS485的穩(wěn)定性與可靠性作以保障。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)GIS開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能電機(jī)的工作環(huán)境，采用LPC2138微控制器為核心設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能電機(jī)保護(hù)裝置。針對(duì)GIS開(kāi)關(guān)分合閘過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的共模和差模電壓，電磁干擾十分嚴(yán)重的情況，裝置硬件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)輸入/輸出過(guò)程通道和電源通道的抗干擾手段進(jìn)行了研究分析，在電源部分、各種開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入部分、通信電路部分、輸出控制部分均采用光耦與CPU部分的電路進(jìn)行了隔離，采取了一系列抗干擾措施保障自身可靠運(yùn)行。為確保保護(hù)器電磁的兼容性，在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)將模擬地、數(shù)字地進(jìn)行了分開(kāi)，并在各主要器件的電源和地引腳之間加耦合電容進(jìn)行濾波。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的功能和抗干擾能力滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。

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