智能晶閘管開關設計

李松　　 劉巍 楚立新

摘 要：文章以PIC單片機和CPLD集成系統為控制核心實現對晶閘管的控制，從而實現智能化控制晶閘管，以達到晶閘管安全投切、自我保護等功能。并且其系統結構簡單、抗干擾性強、控制精準。

關鍵詞：無功補償；晶閘管；單片機；CPLD

我國現在廣泛運用的無功補償裝置多為并聯電容器，這種補償方式簡單、靈活、方便，早期投切電容器組所使用的開關主要是真空接觸器等機械式開關，投切過程中所承受電壓或者電流比較大，如果負荷變化比較頻繁，就會使開關頻繁動作而大大降低其使用壽命。晶閘管半控器的出現很好的解決了機械開關的頻繁動作導致其壽命降低的缺點，大大提高設備的穩定性。如何更好安全的控制晶閘管將是在以后技術領域作為廣大技術研發人員的一個重要的課題。本次研討的智能晶閘管開關便是在其中一個方案。

1 硬件系統設計

工作原理：為使晶閘管更好的安全的開通與關斷為此需要將系統中的電流、電壓采集回來作為參考量作為保護和準確投切的依據，通過CPU的處理判斷后控制硬件電路來使晶閘管導通關斷。考慮到整個系統的穩定性和慢速性因此選用單片機作為CPU，采用CPLD作為硬件電路的芯片可以使整個系統更加集成和穩定。硬件系統結構圖如圖1

圖1 系統硬件結構圖

選用低功耗8位PIC單片機PIC18F67K22，其擁有64個管腳工作電壓可選為3.3V擁有128KB的片上閃存存儲器并且擁有多組I2C、SPI協議的總線接口以及2組USART通訊接口以滿足設計需求。

電能測量芯片ATT7022作為電壓電流采集芯片， ATT7022適用于三相三線和三相四線。集成功率、能量、有效值、功率因數及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠準確的測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數以滿足設計需求，從而減少了依靠外圍設計采樣電路、調理電路等所帶來的元件、參數選擇等復雜的問題出現，大大減少了設計時間，提高的系統的穩定性。

CPLD選擇ALTERA的EPM570T100C5N它擁有570個可編程邏輯門，支持JATG口編程并且可在3.3V下正常工作以減小系統功耗，支持最高300M的晶振滿足快速數據的處理需要。

使用RS485的通訊電路以便在工業使用時智能晶閘管開關可與上位機進行通訊鏈接，方便數據的交換。

為了操作者的觀察和操作方便在系統中還加入了LCD作為顯示設備，再通過四個功能按鍵：“取消”、“上”、“下”、“確定”作為控制按鍵可以對其設定保護參數和顯示數據的查看。

使用I2C總線的外部存儲器FM25CL64將智能晶閘管開關的故障報警信息存儲以便日后出現故障時操作者可以通過其信息判斷故障來源。

2 軟件設計

軟件設計分為單片機軟件和CPLD邏輯兩部分，分別實現了數據的處理和邏輯硬件的處理。

2.1 單片機軟件

單片機軟件多使用模塊化結構

（1）主程序模塊：此模塊主要對單片機進行初始化和各模塊之間按需調用與管理。（2）顯示模塊：此模塊將電壓、電流、功率因數、諧波畸變率等數據通過LCD進行顯示。（3）按鍵模塊：此模塊用來操作四個功能鍵并通過顯示模塊修改各保護參數和時間的設定。（4）保護模塊：此模塊可將ATT7022讀取的電壓、電流信息采用滑動窗口的數據分析方式進行預處理后在根據設定的保護參考信息判斷。（5）通訊模塊：此模塊用于和上位機的數據通訊鏈接，可讀取系統中保護等參考數據。（6）CPLD數據傳輸模塊：此模塊用于和CPLD信息的交換和控制CPLD的工作。

2.2 CPLD邏輯部分

CPLD程序采用了自頂向下的設計方法，先確認CPLD所實現功能后確認其基本構架，再通過Verilog HDL語言對其編寫各個模塊。

（1）電壓信號處理模塊：此模塊將單片機接受到的電壓信號再進行數字化處理用于控制投入晶閘管使用。（2）電流信號處理模塊：此模塊將單片機接受到的電流信號再進行數字化處理用于控制切除晶閘管使用。（3）開關模塊：此模塊是將電壓信號處理模塊和電流信號處理模塊信號集成處理直接作出開通關斷晶閘管信號的控制輸出。

圖3 CPLD邏輯程序圖

3 結束語

該設計使用單片機和CPLD的集成系統實現了對晶閘管的智能投切和保護功能，并且大大提高了系統的穩定，設計中程序和硬件還多采用了模塊化結構，移植更加簡便，可讀性更強，以便日后的升級需要。智能晶閘管開關使晶閘管的開通和關斷更加可靠穩定對無功補償系統中的電容器、電抗器等設備也有更好的保護，增加了產品的可靠性和穩定性。

參考文獻

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作者簡介：李松（1986-），男，助理工程師，2009年畢業于黑龍江科技學院自動化專業，在職，現從事TSC無功功率動態補償裝置的控制系統、電子系統的研發設計工作。