導(dǎo)語：漏電保護(hù)硬件電路設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦井下高壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)也突破了傳統(tǒng)保護(hù)形式，出現(xiàn)了以各種處理器為核心的保護(hù)插件，為煤礦安全生產(chǎn)作出了重要貢獻(xiàn)。然而當(dāng)煤礦電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時(shí)，中性點(diǎn)發(fā)生改變，高爆開關(guān)中的漏電保護(hù)功能很難滿足要求，所以有必要對(duì)高壓隔爆開關(guān)漏電保護(hù)插件進(jìn)行研究。硬件電路設(shè)計(jì)是微機(jī)保護(hù)插件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，保護(hù)插件的功能最終都是通過硬件執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)的好壞直接影響到保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)和效果。在保證保護(hù)插件滿足工作性能和煤礦井下自動(dòng)化電站設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量簡化硬件系統(tǒng)，降低成本。

1漏電保護(hù)插件的功能

漏電保護(hù)插件是高壓開關(guān)中的重要組成部分，不僅是井下供電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，而且與上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速可靠的通訊。其主要實(shí)現(xiàn)的功能有:零序電壓、零序電流測量功能;選擇性漏電保護(hù)功能;通過RS485、CAN總線與上位機(jī)的通信功能。

2漏電保護(hù)插件的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由五部分組成:中央處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入/輸出單元、通信單元和電源單元。漏電保護(hù)插件的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。2．1中央處理單元。用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算、邏輯判斷、定時(shí)、控制等功能。在選擇CPU時(shí)主要考慮:數(shù)據(jù)處理的速度、便于縮短開發(fā)周期、良好的兼容性、能夠?qū)崿F(xiàn)功能擴(kuò)展、能夠適應(yīng)現(xiàn)場惡劣運(yùn)行環(huán)境，滿足系統(tǒng)提出的功能要求，且有足夠I/O接口、具有足夠通信接口，滿足系統(tǒng)各部分之間的數(shù)據(jù)通訊功能。圖1硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖中央處理單元由DSP芯片TMS320C6747及其外圍器件組成，包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、CPU復(fù)位監(jiān)控、電池監(jiān)測及晶振電路。TMS320C6747負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制、通信等。2．1．1TMS320C6747處理器TMS320C6747是美國TI(德州儀器)公司推出的基于C6000平臺(tái)最新C674x系列浮點(diǎn)處理器，可為開發(fā)人員提供高度靈活的解決方案，并且TMS320C6747DSP是具備業(yè)界最低功耗的浮點(diǎn)DSP。全新的C6745DSP運(yùn)行速度高達(dá)300MHz，包含各種串行端口用于系統(tǒng)控制，其中串行器與FIFO緩沖器的多通道音頻串行端口(McASP)就多達(dá)16個(gè)。另外，該器件還包含一個(gè)8位外部異步存儲(chǔ)器接口(EMIFA)和一個(gè)更高速的16位同步外部存儲(chǔ)器接口(EMIFB)，分別用于支持NAND/NOR閃存和SDRAM，片上RAM的容量還增加了128KB，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。2．1．2外圍擴(kuò)展單元微處理器外圍電路包括:實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、復(fù)位電路、晶振電路。1)晶振電路。TMS320C6747微處理器可以通過外部XPLLDIS引腳選擇系統(tǒng)的時(shí)鐘源，當(dāng)XPLLDIS為低電平時(shí)，系統(tǒng)采用外部時(shí)鐘或晶振直接作為系統(tǒng)時(shí)鐘;當(dāng)XPLLDIS為高電平時(shí)，外部時(shí)鐘或晶振經(jīng)過PLL倍頻后為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。系統(tǒng)可以通過PLL控制器來選擇PLL工作模式和倍頻系數(shù)。本插件選擇片上振蕩器30MHz外部晶體為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，通過內(nèi)部PLL可以使CPU產(chǎn)生150MHz工作頻率并通過高速預(yù)定標(biāo)器和低速預(yù)定標(biāo)器為外設(shè)提供所需時(shí)鐘，外接晶體電路如圖2所示。圖2晶振電路2)復(fù)位電路。復(fù)位電路用于重新啟動(dòng)CPU令其進(jìn)入或者返回到預(yù)知的循環(huán)程序并順序執(zhí)行。對(duì)于實(shí)際的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，特別是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，可靠性是一個(gè)不容忽視的問題。由于DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率比較高，在運(yùn)行時(shí)也極有可能發(fā)生被干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)。為了克服這種情況，除了軟件看門狗以外，還必須有一個(gè)可靠的硬件看門狗電路，用來監(jiān)控芯片的電源電平，作為硬件上最有效的保護(hù)措施。插件采用TI公司的TPS70302低功耗微處理器電源管理監(jiān)控芯片。引腳RESET——————輸出低電平;MR1和MR2————為手動(dòng)復(fù)位引腳輸入高電平;VIN1引腳輸入電壓高于內(nèi)部參考電壓;VOUT2必須大于它的校準(zhǔn)電壓的95%。PG1引腳能夠顯示VOUT1的狀態(tài)，當(dāng)VOUT1大于它的校準(zhǔn)電壓的95%時(shí)，為高電平，否則為低電平。低電平手動(dòng)復(fù)位MR1允許外部按鍵開關(guān)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)采用集成芯片F(xiàn)M31256，該芯片在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用電路原理，當(dāng)串行總線上出現(xiàn)多個(gè)芯片時(shí)，通過兩個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)片選使能;CAL/PFO為時(shí)鐘校準(zhǔn)和調(diào)電輸出，在校準(zhǔn)模式下，改引腳輸出512方波，正常操作模式下該引腳輸出掉電錯(cuò)誤;SCL為串行時(shí)鐘輸入，SDA為串行數(shù)據(jù)/地址輸入輸出。2．2數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元的主要功能就是將系統(tǒng)所需要的電壓和電流經(jīng)過電壓互感器和電流互感器的處理輸入到系統(tǒng)中，并經(jīng)電平轉(zhuǎn)換、采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。可以將數(shù)據(jù)采集分成兩個(gè)部分:模擬信號(hào)調(diào)理部分和A/D轉(zhuǎn)換部分。1)模擬信號(hào)調(diào)理部分。本保護(hù)插件需要采集的信號(hào)包括零序電壓和零序電流。由于礦井井下特殊的環(huán)境，在井下電力系統(tǒng)高壓電網(wǎng)中，一次互感器變換過后的零序電流、零序電壓信號(hào)在導(dǎo)線傳輸過程中，會(huì)受到干擾。尤其是電壓信號(hào)，經(jīng)過傳輸后，幅值還會(huì)衰減。因此還必須設(shè)置信號(hào)調(diào)理電路，將輸入過程中的模擬量經(jīng)過處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，含有大量的高頻暫態(tài)分量，如果要不失真的對(duì)其采樣，需要非常高的采樣頻率，這對(duì)硬件的要求將很高，造成成本的大幅增加。目前礦井保護(hù)裝置的保護(hù)原理大部分都是基于穩(wěn)態(tài)分量的，在采樣前通過低通濾波器濾除高頻分量，將頻率限定在一定的范圍內(nèi)，這樣不僅降低了對(duì)硬件的速度要求，也可以防止出現(xiàn)“頻譜混跌效應(yīng)”。2)低通濾波器的設(shè)計(jì)。電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，特別是三次和五次諧波，通常會(huì)使諧波源產(chǎn)生更大的諧波電流，對(duì)設(shè)備造成相當(dāng)大的危害，為了避免這些危害，必須有濾波電路將各次諧波濾除。濾波電路是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，按通頻帶分類，可分為低通、高通、帶通和帶阻等，工頻電網(wǎng)中存在的干擾絕大多數(shù)都是高次奇次諧波，因此設(shè)計(jì)中要采用低通濾波器。按元件分類，濾波器可分為有源濾波器、無源濾波器。本文采用有源濾波。有源濾波器可分為:最大平坦型(巴特沃思型)濾波器、等波紋型(切比雪夫型)濾波器、線性相移型(貝塞爾型)濾波器等。巴特沃斯濾波器通帶最平坦，阻帶下降慢。切比雪夫?yàn)V波器通帶等紋波，阻帶下降較快。濾除工頻電流中的諧波，一般以三、五、七次諧波較多，本文設(shè)計(jì)采用四階切比雪夫模擬濾波器用以消除三次以上諧波對(duì)系統(tǒng)造成的影響。此濾波器設(shè)計(jì)性能要求三次諧波衰減要達(dá)到40dB，其電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖上半部分。3)A/D轉(zhuǎn)換部分。CPU處理的是數(shù)字信號(hào)，所以經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的模擬量還必須要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量。其保護(hù)裝置中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及動(dòng)態(tài)范圍對(duì)其性能有著非常重要的影響。由于TMS320C6747引腳電壓為3．3V，所以本裝置采用輸出數(shù)字電壓高電平為3．3V的AD7656轉(zhuǎn)換器。當(dāng)SER/PAR和H/S引腳為低電平時(shí)，AD7656通過硬件CSTA、CSTB、CSTC引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣通道的控制;W/B引腳接低電平，可以通過并行口D0－15讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù);CS———為片選引腳，低電平有效;RD———為讀使能信號(hào)輸入端，低電平有效;當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)化開始時(shí)，BUSY引腳輸出高電平，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY引腳輸出低電平。2．3開關(guān)量輸入與輸出單元。1)開關(guān)量輸入單元。開關(guān)量輸入單元的信號(hào)取自于TMS320C6747，用于識(shí)別現(xiàn)場開關(guān)的狀態(tài)。將所有的輸入開關(guān)量均經(jīng)過光電耦合器，可以使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)在電氣上完全隔離，這樣就避免了開關(guān)量對(duì)系統(tǒng)的干擾。在開關(guān)量輸入中，應(yīng)用光電耦合器進(jìn)行隔離，不僅可以隔離外部干擾，而且還起到電平轉(zhuǎn)換的作用，即:將輸入量轉(zhuǎn)換為CPU可以處理的電平范圍之內(nèi)。本文設(shè)計(jì)中對(duì)開關(guān)量的采集速度要求不是很高，只選用了開關(guān)速度為10ms的光電隔離芯片TLP521。2)開關(guān)量輸出單元。開關(guān)量輸出單元為真空斷路器跳閘信號(hào)。TMS320C6747引腳輸出電平為CMOS電平，限制其不能直接控制外部設(shè)備，因此需要經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換處理之后才能控制外部設(shè)備的開啟和關(guān)閉。本文設(shè)計(jì)中采用小型OEGOZ－SS－124L型PCB繼電器去控制漏電后跳閘。OEGOZ－SS－124L型PCB繼電器控制電路。故障時(shí)，處理器通過RL1－RL4來控制PCB繼電器，每個(gè)繼電器通過兩路信號(hào)來控制，這樣有效防止了由于信號(hào)干擾出現(xiàn)的誤動(dòng)作?？刂菩盘?hào)經(jīng)過光電耦合器使+VT12電源驅(qū)動(dòng)PCB繼電器，PCB繼電器通過中間繼電器從而使斷路器跳閘，切開故障電源。2．4通信單元。在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，許多控制設(shè)備(如PLC)都帶有RS－485接口。因此，有必要設(shè)計(jì)CAN總線與RS－485總線的通信接口電路。本設(shè)計(jì)采用MAX485芯片作為收發(fā)器，MAX485是半雙工收發(fā)器，允許連接點(diǎn)為32個(gè)，完全滿足RS－485規(guī)范。TMS320C6747集成的增強(qiáng)型CAN總線通信接口，完全兼容于CAN2．0B標(biāo)準(zhǔn)接口。CAN總線協(xié)議是一種異步串行通信協(xié)議，不僅具有較強(qiáng)的高抗電磁干擾性，可以應(yīng)用于電磁噪聲比較大的場合;而且?guī)в?2個(gè)完全可配置郵箱和定時(shí)郵遞功能的增強(qiáng)型CAN總線模塊，能靈活實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的串口通信。DSP本身不具有CAN收發(fā)器功能，因此需要外接CAN收發(fā)器82C250。82C250為CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，能夠提供對(duì)總線的差動(dòng)接收和發(fā)送功能。同時(shí)，使用光電隔離器TLP2630可以有效實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。2．5電源單元。裝置中有包含多種電源:數(shù)字電源Vcc(3．3V)、Vdd(1．8V)、+5V;通信用+5S(+5V);模擬電源+VT3．3、+VT5、+VT24V、±VT12。TPS703xx系列器件的設(shè)計(jì)為DSP提供完整的電源管理方案，TPS703xx系列穩(wěn)壓器提供了非常低的壓差和雙輸出功率順序控制，主要針對(duì)DSP應(yīng)用。該器件具有低噪聲輸出性能，無需使用任何附加的旁路電容器，具有快速響應(yīng)和穩(wěn)定的47uF低ESR電容器。

3結(jié)語

保護(hù)插件采用高性能DSP處理器TMS320C6747作為保護(hù)裝置的中央處理單元，提高了裝置的性能;采用RS－485和CAN串行通訊接口，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)保護(hù)裝置和上位PC機(jī)之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊。

作者:田文科 單位:潞安礦業(yè)集團(tuán)公司