礦山配電站電壓保護(hù)控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（武威職業(yè)學(xué)院,甘肅 武威 733000）

近幾年，我國礦山配電站統(tǒng)一采用全自動(dòng)超大規(guī)模集成電路控制系統(tǒng)，特別是對(duì)保護(hù)電源、用電設(shè)備變頻以及電磁激勵(lì)等電路控制板的需求量很多。配電站作為礦山各種用電設(shè)備的主要核心裝置被大規(guī)模的應(yīng)用于礦山工程生產(chǎn)中，其供電線路的性能好壞對(duì)用電設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及工作中的安全穩(wěn)定性有著較直接的影響。在控制電路設(shè)計(jì)制造過程中，實(shí)現(xiàn)礦山配電站智能化工作，是礦山供電系統(tǒng)的前提和核心，大大提高了礦山的生產(chǎn)效率，保證了礦山配電站供電設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性[1]。本文根據(jù)礦山配電站電源特征設(shè)計(jì)了電壓保護(hù)控制電路，包括硬件設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，主要以單片機(jī)為重點(diǎn)構(gòu)建調(diào)壓、采樣以及反饋的閉合回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山配電站電源電路的保護(hù)。采用電壓保護(hù)控制電路，可以降低部分易損器件的應(yīng)用，達(dá)到減少礦山配電站故障的目的。

1 礦山配電站電壓保護(hù)控制電路的硬件設(shè)計(jì)

礦山配電站電壓保護(hù)控制電路的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括采樣電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)設(shè)計(jì)、濾波電路設(shè)計(jì)、電壓跟隨電路設(shè)計(jì)以及電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。其電路的主體設(shè)計(jì)是盡可能使采樣電路和單片機(jī)電路的控制信號(hào)輸出保持一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 電壓保護(hù)控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

采樣電路設(shè)計(jì)在電壓保護(hù)控制電路中是不可缺少的，礦山配電站電源測(cè)量端輸出電壓是整個(gè)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵，因此需要在測(cè)量出口進(jìn)行信號(hào)采樣，礦山配電站依照采樣信號(hào)的高低調(diào)節(jié)輸出高壓。在電壓保護(hù)控制電路的設(shè)計(jì)中，采樣電路設(shè)計(jì)方式可以分為兩種，分別是正壓采樣電路設(shè)計(jì)和負(fù)壓采樣電路設(shè)計(jì)，根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

濾波電路通常是由電阻原件和電容組成，最大的作用就是過濾除整流輸出電壓以外的紋波，盡可能保證直流電壓沒有交流電壓成分，使配電站的輸出電壓波形能夠更加平滑，以便可以得到相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓。單片機(jī)輸出的所有控制信號(hào)為得到穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)都需要進(jìn)行濾波電路處理。

電壓跟隨電路設(shè)計(jì)的作用是對(duì)電流進(jìn)行放大處理。在電壓保護(hù)控制電路中如果采樣信號(hào)的電流很小、能力較弱，單片機(jī)將不能依據(jù)采樣輸出的信號(hào)做出一定判斷，因此采樣信號(hào)在傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)之前需要進(jìn)行一次輸出電流放大處理的操作。在控制電路設(shè)計(jì)中增加一個(gè)難度不大的運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠很好的完成電流放大處理。選擇LM358芯片作為礦山配電站電壓保護(hù)控制電路設(shè)計(jì)中的放大器，其內(nèi)部包含兩個(gè)完全獨(dú)立的運(yùn)算程序，電源供電方式多樣，不光可以應(yīng)用于單電源供電，也可以為雙電源供電。近年，LM358芯片作為電壓跟隨器及電壓比較器被大規(guī)模應(yīng)用在電路中，其特性和參數(shù)如表1所示。

表1 LM358芯片的特性和參數(shù)

控制電路設(shè)計(jì)中的單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，單片機(jī)是一個(gè)具有復(fù)雜邏輯功能的芯片，其半導(dǎo)體硅片上包括微型處理器、輸出接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入接口、計(jì)算器、信息轉(zhuǎn)換器、并行口、串行口以及脈寬調(diào)試器等，是一個(gè)典型的嵌入電路式微控制器。盡管單品機(jī)的體積很小，但是其電路芯片具備一臺(tái)高級(jí)計(jì)算機(jī)的所有重要屬性，因其重量小、價(jià)格低廉被大規(guī)模應(yīng)用于控制電路設(shè)計(jì)中。電壓控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)先是進(jìn)行采樣，采樣電阻在礦山配電站電源輸出信號(hào)口獲取電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電路、電壓跟隨電路，將信號(hào)進(jìn)行放大處理后輸入至電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)，電壓轉(zhuǎn)換器可以將負(fù)采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的正壓信號(hào)，將正采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的負(fù)壓信號(hào)，當(dāng)采樣信號(hào)傳到單片機(jī)的端口時(shí)，單片機(jī)會(huì)依照采樣信號(hào)的特征做出結(jié)論，并進(jìn)行一定的調(diào)整，最后采樣信號(hào)再經(jīng)過濾波電路中，進(jìn)入到電流開關(guān)電源的控制端。

2 礦山配電站電壓保護(hù)控制電路的程序設(shè)計(jì)

礦山配電站電壓保護(hù)控制電路的軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、電路程序以及延時(shí)子程序。為了提高礦山配電站輸出電壓的穩(wěn)定性。電路的程序設(shè)計(jì)可以有效防止較大功率的供電電壓擊穿單片機(jī)，起到保護(hù)單片機(jī)不破損的作用。礦山配電站工作過程中，延時(shí)程序的設(shè)計(jì)可以保障高壓的穩(wěn)定輸出。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

礦上配電站啟動(dòng)后，電路開始運(yùn)行，單片機(jī)開始設(shè)定輸出電壓，高壓測(cè)量依照采樣信號(hào)特征做出判斷，當(dāng)采樣信號(hào)比電路設(shè)定的電壓數(shù)值大很多時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制輸出信號(hào)變小，當(dāng)采樣信號(hào)比電路設(shè)定的電壓數(shù)值小很多時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制輸出信號(hào)增大，以達(dá)到對(duì)閉環(huán)穩(wěn)壓控制的效果。

2.2 電路程序

在礦山配電站電壓保護(hù)控制電路設(shè)計(jì)中，利用單片微型計(jì)算機(jī)輸入程序來控制配電站電源的工作，其電路程序如下。

2.3 延時(shí)子程序

在電壓保護(hù)控制電路程序設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)單片機(jī)的輸出時(shí)間和采樣信號(hào)的流通時(shí)間，使其保持相同，是延時(shí)程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。調(diào)節(jié)公式如下。

控制電路的電阻值表示為R，電容值表示為C。控制時(shí)間為：

程序延時(shí)時(shí)間為：

P表示延時(shí)函數(shù)，D表示采樣信息流通時(shí)間，T表示單片機(jī)輸出時(shí)間，E表示控制電路用電系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

礦山配電站輸出電壓為35kv，應(yīng)用電壓保護(hù)控制電路工作48小時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

電壓保護(hù)控制電路中的輸出電壓經(jīng)過濾波器，生成無任何交流電流摻雜的直流電流，其在電阻上形成的電壓降即為信號(hào)電壓，經(jīng)單片微型計(jì)算機(jī)輸入到對(duì)比器的相同輸入端內(nèi)。當(dāng)電路處于閉合狀態(tài)時(shí)，將電路電壓和固定電壓進(jìn)行對(duì)比，得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 電壓保護(hù)控制電路測(cè)試結(jié)果

表3 配電站電壓保護(hù)控制電路的電壓比較

配電站電路的芯線發(fā)生故障時(shí)，變壓轉(zhuǎn)換器的輸出回路容易造成短接，電路中不再只是直流電，開始出現(xiàn)交流電，經(jīng)濾波器濾除后，不會(huì)在電阻上產(chǎn)生交流信號(hào)電壓。此時(shí)，電路電壓會(huì)比對(duì)比電壓小，將電阻斷開，電路短路故障時(shí)的對(duì)比電壓如表4所示。

表4 電路短路故障時(shí)的對(duì)比電壓

當(dāng)?shù)V山配電站電路某一處斷路時(shí)，電壓保護(hù)控制電路不會(huì)在電阻上產(chǎn)生直流電，將其形成的信號(hào)電壓與配電站正常供電的電壓對(duì)比，得到的數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 礦山配電站故障時(shí)的對(duì)比電壓

根據(jù)以上得到的數(shù)據(jù)整理分析可以知道，礦山配電站在正常供電時(shí)，當(dāng)用電設(shè)備發(fā)生短路和斷路等故障時(shí)，電壓保護(hù)控制電路可以使電阻斷開。在配電站沒有工作時(shí)，如果電路發(fā)生故障，電壓保護(hù)控制電路也會(huì)向接收器發(fā)出故障信號(hào)。

4 結(jié)語

根據(jù)礦山配電站的情況，通過分析用電設(shè)備原理及電路技術(shù)，進(jìn)行了電壓保護(hù)控制電路設(shè)計(jì)，并優(yōu)化部分設(shè)備，降低電路系統(tǒng)難度，避免多發(fā)故障單元的使用，有效減少礦山用電設(shè)備的故障。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以看出，電壓保護(hù)控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)多設(shè)備的直流、交流電壓穩(wěn)定輸出，最大限度的滿足礦山配電站用電設(shè)備對(duì)所需電源的要求，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。電壓控制保護(hù)電路應(yīng)用于礦山配電站，可以在緊急情況下向電源裝置提供準(zhǔn)確、可靠的預(yù)警信號(hào)，并且在控制線路出現(xiàn)任何故障時(shí)都可以起到一定保護(hù)的作用。電壓保護(hù)控制電路滿足礦山配電站的現(xiàn)場(chǎng)要求，礦山所有用電設(shè)備在工作時(shí)，電流、電壓如果發(fā)生短路、欠壓、掉電、漏電、過壓以及過流等故障時(shí)，可有效阻斷設(shè)備的線路，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而保護(hù)了用電設(shè)備，提高礦山生產(chǎn)效率，降低因用電造故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。礦山配電站電壓保護(hù)控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)大大提高了礦山生產(chǎn)率，具有極其重要的推廣價(jià)值。

[1]王波,趙濤,李夢(mèng)超.基于Multi-Agent的數(shù)字化礦山配電網(wǎng)保護(hù)方法[J].陜西煤炭,2016,35(4):101-103.