專利名稱：混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力輸配電設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展使其面臨新問題和挑戰(zhàn)，為了迎接挑戰(zhàn)必需要尋找可以大幅提高斷路器動(dòng)作速度的技術(shù)。國(guó)外學(xué)者目前提出了一種新型的混合式功率控制器，它是在電磁開關(guān)的基礎(chǔ)上，利用電力電子器件作為無觸頭開關(guān)與電磁開關(guān)的觸頭并聯(lián)，由電磁開關(guān)承擔(dān)穩(wěn)態(tài)過程，而無觸頭開關(guān)解決開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程，兩者形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。而為了能夠真正有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)該類斷路器的控制就必需要設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)能夠快速的準(zhǔn)確的對(duì)斷路器的主電路的交流信號(hào)實(shí)現(xiàn)采集和數(shù)據(jù)處理，及時(shí)的判定故障的發(fā)生，同時(shí)要能夠?qū)旌鲜綌嗦菲鞯臋C(jī)械斷路器和電力電子靜態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)正確的控制，以及要能夠?qū)﹄娏﹄娮屿o態(tài)開關(guān)提供驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的斷路器的測(cè)控裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠縮短斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種屬于電力輸配電設(shè)備的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，由主控裝置1和驅(qū)動(dòng)裝置2組成，其特征在于主控裝置由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、A/D采樣電路11、交流信號(hào)過零檢測(cè)電路12、數(shù)字信號(hào)處理器13、用于產(chǎn)生控制信號(hào)的可編程邏輯控制器15和開入開出量電路16組成，主電路的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過霍爾電壓、電流傳感器轉(zhuǎn)換后，輸出接至A/D采樣電路，經(jīng)過A/D采樣后，將結(jié)果放在數(shù)據(jù)線由數(shù)字信號(hào)處理器13芯片來讀?。豢删幊踢壿嬁刂破?5產(chǎn)生控制信號(hào)來控制數(shù)字信號(hào)處理器13及A/D采樣電路11，驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)模塊21和可編程邏輯控制模塊22組成，可編程邏輯控制模塊22將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊21；驅(qū)動(dòng)模塊22將過流保護(hù)自鎖信號(hào)輸至可編程邏輯控制模塊22，可編程邏輯控制模塊22將過流軟關(guān)斷信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊，主控裝置將可編程邏輯控制器15產(chǎn)生的控制信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)裝置的可編程邏輯控制模塊22。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明利用了TMS320F240芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，配以高速的A/D采樣芯片AD976A和霍爾傳感器，可以對(duì)混合式電力電子斷路器主電路中的交流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，可以縮短斷路器的開斷時(shí)間，同時(shí)可以提供對(duì)斷路器的保護(hù)。
(2)本發(fā)明配以方便的液晶顯示和鍵盤接口以及通訊模塊，可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)接口功能和即使的數(shù)據(jù)交換功能，方便的實(shí)現(xiàn)該裝置和上位機(jī)之間的通訊。
(3)本發(fā)明采用改進(jìn)后的EXB841驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能夠縮短保護(hù)盲區(qū)的時(shí)間、改善過流保護(hù)的起控點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加可靠、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)。
(4)本發(fā)明采用CPLD構(gòu)建邏輯控制電路，由于CPLD的可擦寫性，使得控制邏輯的調(diào)整變得非常靈活，不需要對(duì)其硬件電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。該裝置采用以CPLD和有源晶振為主要元件來構(gòu)成數(shù)字化的過流保護(hù)自鎖電路。因?yàn)镃PLD的延時(shí)一般在納秒級(jí)，有源晶振的頻率也很穩(wěn)定，故能夠設(shè)計(jì)出延時(shí)非常精確的過流保護(hù)自鎖電路。


圖1是混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置的框圖。該裝置主要分為兩個(gè)部分測(cè)控裝置主控裝置和測(cè)控裝置驅(qū)動(dòng)裝置。
圖2、圖3是電壓、電流傳感器及A/D采樣電路的電原理圖。
圖4是交流信號(hào)過零檢測(cè)電路的電原理圖。
圖5是數(shù)字信號(hào)處理器的控制電路的電原理圖。
圖6是存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的電原理圖。
圖7是CPLD控制信號(hào)電路的電原理圖。
圖8是CPLD內(nèi)部的功能模塊的示意圖。
圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15分別是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的控制邏輯示意圖、液晶控制模塊的控制邏輯示意圖、看門狗的控制邏輯示意圖、鍵盤信號(hào)的控制邏輯示意圖、數(shù)據(jù)采集控制模塊的控制邏輯示意圖、開入開出量信號(hào)的控制邏輯示意圖、等待信號(hào)的控制邏輯示意圖。
圖16是開入量、開出量電路的電原理圖。
圖17、圖18分別是人機(jī)接口及通訊電路的電原理圖。
圖19是驅(qū)動(dòng)裝置EXB841驅(qū)動(dòng)電路的電原理圖。
圖20是驅(qū)動(dòng)裝置CPLD邏輯控制模塊電原理圖。
圖21是驅(qū)動(dòng)裝置CPLD邏輯控制模塊內(nèi)部邏輯示意圖。
具體實(shí)施例一種屬于電力輸配電設(shè)備的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，由主控裝置1和驅(qū)動(dòng)裝置2組成，其特征在于主控裝置由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、A/D采樣電路11、交流信號(hào)過零檢測(cè)電路12、數(shù)字信號(hào)處理器13、用于產(chǎn)生控制信號(hào)的可編程邏輯控制器15和開入開出量電路16組成，主電路的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過霍爾電壓、電流傳感器轉(zhuǎn)換后，輸出接至A/D采樣電路，經(jīng)過A/D采樣后，將結(jié)果放在數(shù)據(jù)線由數(shù)字信號(hào)處理器13來讀?。豢删幊踢壿嬁刂破?5產(chǎn)生控制信號(hào)來控制數(shù)字信號(hào)處理器13及A/D采樣電路11，驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)模塊21和可編程邏輯控制模塊22組成，可編程邏輯控制模塊22將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊21；驅(qū)動(dòng)模塊22將過流保護(hù)自鎖信號(hào)輸至可編程邏輯控制模塊22，可編程邏輯控制模塊22將過流軟關(guān)斷信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊，主控裝置將可編程邏輯控制器15產(chǎn)生的控制信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)裝置的可編程邏輯控制模塊22，在本實(shí)施例中，電壓傳感器采用VSM500D霍爾電壓傳感器，電流傳感器采用HNC050LA霍爾電流傳感器，A/D采樣電路11由型號(hào)為AD976A的采樣芯片和型號(hào)為AD7506的多路選擇芯片組成，作為輸出端的AD7506的28腳接至作為輸入端的AD976A的1腳，數(shù)字信號(hào)處理器13采用TMS320F240芯片，霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器的測(cè)量端，依次接到電阻、電容的低通濾波電路的輸入端，將低通濾波后的信號(hào)AN1～AN12和基準(zhǔn)電壓信號(hào)ANT_-6及ANT_+6接至AD7506的輸入端，AD7506的A0～A3接至數(shù)字信號(hào)處理器13的第63、65、66、100腳，同時(shí)AD976的16位數(shù)據(jù)線接至數(shù)字信號(hào)處理器13的數(shù)據(jù)線上，AD976的26腳接至CPLD的36腳；上述可編程邏輯控制器15由XC95108芯片和在線編程口JTAG組成，其中XC95108的引腳22、38、64、64、78接+5V電源；引腳8、27、42、60接地；引腳28、29、30、59分別作為在線編程口JTAG的TDI、TMS、TCK和TDO端，并且在電源和地之間接0.1uF獨(dú)石電容和10uF電解電容來去耦合，XC95108芯片的引腳1、2、3、4、5、6、7、9接到數(shù)字信號(hào)處理器13的數(shù)據(jù)線D0～D7，XC95108芯片的引腳10、11、12、14、15分別接顯示模塊LCD、LCDRD、LCDWE、LCDC/D、LCDRST引腳，引腳13接數(shù)字信號(hào)處理器13的CLKOUT引腳，引腳17、18、19、20、21、23、24、25分別接數(shù)字信號(hào)處理器13的A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15引腳，引腳26接數(shù)字信號(hào)處理器13的DS引腳、引腳31、32、33、34、35分別接數(shù)字信號(hào)處理器13的IS、W/R、READY引腳36接A/D采樣電路11的AD976引腳，引腳37、39分別接數(shù)字信號(hào)處理器13的WE和R/C引腳，引腳43、44、45、46、47、48、50、51、52、53、54、55、56、57、58、61、62、63、65、66、67分別接至開入開出模塊KI1～KI12和DL1～DL8引腳，引腳70、71、72、74分別接復(fù)位電路X5043的6、2、5、1引腳，引腳76、77、79、80、81、82、83、84接鍵盤的KEY7～KEY0引腳；數(shù)字信號(hào)處理器13的JP1端上連接有人機(jī)接口電路及通訊電路，人機(jī)接口電路由液晶顯示模塊以及指示燈組成，它提供了和液晶顯示模塊T6963C的接口端子JP1，主控制板提供給該端子的信號(hào)有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7；復(fù)位信號(hào)LCDRST；讀寫控制信號(hào)WR，RD；指令數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)A0；液晶控制的片選信號(hào)LCD(注這些信號(hào)由CPLD部分提供)，供電電壓+5V和GND，以及用于液晶背光控制的負(fù)壓Vo，同時(shí)提供和母板的控制信號(hào)聯(lián)系的接口端子JP_CPU1。其提供的信號(hào)還有控制LED指示燈亮滅的信號(hào)L1～L7，裝置的運(yùn)行標(biāo)志燈LED1～7用以顯示裝置正常，報(bào)警，動(dòng)作，供電情況等狀態(tài)，整定校對(duì)裝置需要的RS232串口J1。通訊電路由MAX232和MAX485構(gòu)成，數(shù)字信號(hào)處理器13的SCI口發(fā)出的TXD，RXD和DE信號(hào)經(jīng)由MAX232和MAX485電平轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信電平，通過跳線開關(guān)SW1來決定裝置的通信信號(hào)輸出究竟是這兩種協(xié)議中的哪一種，同時(shí)該模塊提供了由CAN控制器MCP2510和CAN驅(qū)動(dòng)器82c250構(gòu)成的CAN總線接口；在數(shù)字信號(hào)處理器13的數(shù)據(jù)線上連接有存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路14，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路14由兩片靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7c1021-15vc以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)DS1644芯片組成，該電路的16位地址線、16位數(shù)據(jù)線、引腳WE、引腳W/R、引腳PS和數(shù)字信號(hào)處理器13相應(yīng)管腳A0～A15、D0～D15、WE、W/R、PS管腳連接，引腳1644，引腳DAR_CS分別和CPLD的34、35腳相連；上述驅(qū)動(dòng)模塊21選用型號(hào)為EXB841的驅(qū)動(dòng)芯片，在驅(qū)動(dòng)芯片上連接有絕緣柵雙極型晶體管IGBT且驅(qū)動(dòng)芯片的1腳接絕緣柵雙極型晶體管IGBT的射極E；2腳接+20V電源；R1為門極電阻，3腳通過門極電阻連接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT門極G；5腳輸出的過流保護(hù)信號(hào)，通過光耦連接至三極管的基極，三極管的集電極將過流保護(hù)自鎖信號(hào)輸至可編程邏輯控制模塊22，6腳通過快速二極管D1和穩(wěn)壓二極管VZ3連接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極，1腳和3腳之間連接有穩(wěn)壓二極管VZ1(+15V)和VZ2(+5V)1腳和3腳之間接有電阻R22腳與9腳之間接有電容C1，1腳與9腳之間接有電容C2，14腳、15腳是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，在14腳上接有三極管Q和上拉電阻R3；可編程邏輯控制模塊22由型號(hào)為XC9572的可編程邏輯器件和4兆有源晶振組成，XC9572的引腳22、38、64、73、78接+5V電源；引腳8、16、27、42、49、60接+5V地；引腳28、29、30、59分別連接至在線編程口JTAG的TDI、TMS、TCK和TDO端；引腳76與有源晶振的時(shí)鐘輸出端Clock連接；引腳1～6可分別與6路絕緣柵雙極型晶體管IGBT的過流保護(hù)自鎖信號(hào)端Lock1～Lock6連接，引腳7、9、10、11、12、13分別與自鎖狀態(tài)使能端Lockstate1～Lockstate6連接，引腳14、15、17、18、19、20分別與主控裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Input1～I(xiàn)nput6連接；引腳21、23、24、25、26、31分別連接到6路EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入腳14腳所連接的三極管的門極。有源晶振1腳懸空，2腳接地，4腳接+5V電源。2腳和4腳間加了一個(gè)0.1uF的去耦電容。
本發(fā)明的工作原理及工作過程如下
混合式電力電子斷路器的測(cè)控裝置由主控裝置1和驅(qū)動(dòng)裝置2組成。其中主控裝置霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、A/D采樣電路11、交流信號(hào)過零檢測(cè)電路12、數(shù)字微處理器13、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路14、用于產(chǎn)生控制信號(hào)的CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件15和開入開出量電路16、人機(jī)接口和通訊電路17組成。驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)模塊21和CPLD邏輯控制模塊22組成。本裝置工作的原理見圖1。
裝置上電后通過人機(jī)接口下達(dá)合閘命令，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)通過CPLD檢測(cè)斷路器的觸點(diǎn)的位置，當(dāng)符合條件時(shí)使一個(gè)開出量變成高電平，該高電平送到電力電子器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電路使其導(dǎo)通，同時(shí)該開出量會(huì)通過中間繼電器(經(jīng)過延時(shí))接通斷路器的合閘線圈使其合閘，然后關(guān)斷電力電子IGBT器件。當(dāng)斷路器合閘后該測(cè)控裝置會(huì)通過傳感器、A/D器件檢測(cè)線路上的交流信號(hào)并且同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送數(shù)字信號(hào)處理器處理，計(jì)算出各交流信號(hào)的有效值、頻率、功率等，當(dāng)檢測(cè)到故障的時(shí)候，使開出量為高電平，先打開電力電子靜態(tài)開關(guān)，然后經(jīng)中間繼電器接通斷路器的分閘線圈使其斷開，同時(shí)關(guān)斷電力電子開關(guān)。這樣在斷路器通斷的時(shí)候利用該測(cè)控裝置控制電力電子開關(guān)先導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)分流的作用，縮短斷路器的通斷時(shí)間。
測(cè)控裝置主控裝置部分電壓、電流傳感器及A/D采樣電路該部分電路如圖2、3所示。其中圖2中表明了電壓，電流傳感器的聯(lián)接方式。在該測(cè)控裝置中電壓傳感器采用南京茶花港聯(lián)傳感測(cè)控技術(shù)有限公司的VSM500D霍爾電壓傳感器。該傳感器原邊額定輸入電壓為500V，副邊額定輸出電流為20mA，這樣通過測(cè)量該傳感器8腳上測(cè)量電阻Rm上的電壓就可以通過乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)得到原邊上的電壓。該測(cè)控裝置中電流傳感器采用南京中旭電子科技有限公司的HNC050LA霍爾電流傳感器。該傳感器原邊額定測(cè)量電流為50A(AC/DC)副邊輸出電流為50mA(AC/DC)。這樣通過測(cè)量該傳感器的測(cè)量端接的測(cè)量電阻的端電壓就可以得出原邊上的電流的值。圖3是A/D采樣電路。其中A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國(guó)AD公司的AD976A，該芯片一種高速16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣速率為100KSPS，能夠在單電源5V供電情況下工作，具有極低功耗的特點(diǎn)，輸入范圍為-10V～+10V，可以滿足裝置的需要。AD通道選擇芯片采用美國(guó)AD公司的AD7506芯片，該芯片是16通道選1個(gè)通道的芯片，通過對(duì)芯片的A0、A1、A2、A3管腳賦值選擇通道0～15。從電壓、電流傳感器的副邊的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過RC低通濾波后接到AD7506的0～15通道，經(jīng)過通道選擇將信號(hào)送AD976A中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)果輸出到數(shù)字信號(hào)處理器控制單元。
模塊間連接該模塊主要實(shí)現(xiàn)交流采樣，故將12路交流信號(hào)經(jīng)過傳感器，將傳感器的輸出依次接到圖3的電阻、電容的低通濾波電路的Uab～I(xiàn)back_4端，將AN1～AN12和ANT_-6及ANT_+6接至AD7506的輸入斷，AD7506的A0～A3接至數(shù)字信號(hào)處理器的第63、65、66、100腳，同時(shí)AD976的16位數(shù)據(jù)線接至數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)線上，AD976的26腳接至CPLD的36腳。
交流信號(hào)過零檢測(cè)電路交流信號(hào)過零檢測(cè)電路如圖4所示。交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)換經(jīng)過由電阻和運(yùn)算放大器CA1558和555芯片KA556構(gòu)成的檢測(cè)電路，將交流信號(hào)變換成方波由KA556的輸出端輸出，KA556是由兩個(gè)555電路構(gòu)成的，這樣可以把兩路的交流信號(hào)變換成方波信號(hào)，將方波信號(hào)接到數(shù)字信號(hào)處理器主控制電路中TMS320F240的67(CAP1)、68(CAP2)管腳，可以設(shè)置數(shù)字信號(hào)處理器控制寄存器使捕獲單元在交流信號(hào)的上升沿/下降沿進(jìn)行捕獲。利用數(shù)字信號(hào)處理器具有的捕獲單元在交流信號(hào)過零的時(shí)候產(chǎn)生中斷獲得控制混合式電力電子斷路器開斷的時(shí)間基準(zhǔn)。
模塊間連接該模塊實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)過零檢測(cè)，KA556的兩個(gè)輸出端接至數(shù)字信號(hào)處理器的67、68腳(捕獲單元CAP1、CAP2)。
數(shù)字信號(hào)處理器控制電路數(shù)字信號(hào)處理器控制電路如圖5所示。其中該控制電路由美國(guó)TI公司的TMS320F240芯片，美國(guó)Xicor公司的X5043硬件看門狗芯片，20MHz晶振，電路構(gòu)成。
在該測(cè)控裝置中，數(shù)字信號(hào)處理器控制部分是核心電路，要實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的監(jiān)控、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能必須要通過數(shù)字信號(hào)處理器芯片才能實(shí)現(xiàn)。TMS320F240該芯片具有如下特點(diǎn)①50ns的指令周期；②544字×16位片內(nèi)程序/數(shù)據(jù)雙口RAM；③16K字的片內(nèi)程序FLASH；④事件管理模塊EV，其中有通用定時(shí)單元、比較單元、捕獲單元等；⑤雙10位模數(shù)轉(zhuǎn)換單元等。這些都使得F240芯片能夠快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，使得這種芯片特別適合功率器件的控制。X5043是硬件看門狗電路，當(dāng)裝置軟件故障時(shí)可保證軟件可靠復(fù)位。其控制信號(hào)WDI，WD_SO，WS_SI，WDSCK是通過CPU的控制，在CPLD內(nèi)部經(jīng)由信號(hào)變換后輸出，參見CPLD模塊的介紹。來自鍵盤的手動(dòng)復(fù)位信號(hào)ERST，來自5043的自動(dòng)復(fù)位信號(hào)，R1和EC1組成的上電復(fù)位電路一起實(shí)現(xiàn)三種不同狀況下的裝置復(fù)位，即手動(dòng)，故障，上電。同時(shí)X5043可以用作串行EEPROM從而對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。20MHz有源晶振提供CPU工作的時(shí)鐘信號(hào)，輸出至數(shù)字信號(hào)處理器的XTAL1/CLKIN引腳。常規(guī)的針對(duì)TMS320F240采用10MHz有源晶振，該裝置采用20MHz晶振是為了提高數(shù)字信號(hào)處理器主頻，縮短指令執(zhí)行時(shí)間。該裝置具有數(shù)字信號(hào)處理器的JTAG口，可以通過JTAG口的信號(hào)TRST，TMS，TDI，TDO，EMU0，EMU1實(shí)現(xiàn)裝置的編程調(diào)試。
數(shù)字信號(hào)處理器控制電路的主要信號(hào)有以下幾部分①16位數(shù)據(jù)總線D0～D15，16位地址總線A0～A15，讀寫控制信號(hào)DS，PS，IS，READY，R/W，W/R，WE，利用這些信號(hào)來完成對(duì)外部設(shè)備的控制和訪問。
②中斷信號(hào)NMI，KI_INT，KEY_INT，INT_CAN，利用外部中斷和上述信號(hào)一起完成對(duì)鍵盤和通訊模塊的控制。
③AD模塊的通道選擇信號(hào)ADA0～ADA3用以控制AD數(shù)據(jù)采集模塊的通道切換。
④CAP1，CAP2是頻率測(cè)量模塊的輸出信號(hào)，用以測(cè)量電壓頻率。
⑤信號(hào)DE，TXD，RXD，MCPRESET，TX0RTS，TX1RTS，TX2RTS是通訊模塊的控制信號(hào)。
在數(shù)字信號(hào)處理器芯片控制下，這些信號(hào)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)該測(cè)控裝置的功能。
CPLD控制信號(hào)電路CPLD電路是產(chǎn)生該測(cè)控裝置中很多控制信號(hào)的重要的部分，同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)一些外設(shè)的片選信號(hào)，以及開入開出信號(hào)也要在CPLD電路中產(chǎn)生。該電路如圖7所示。CPLD采用美國(guó)Xilinx公司的XC95108芯片，該芯片具有108個(gè)宏單元并且有108個(gè)I/O引腳。可以方便地進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)一定的邏輯輸入和輸出，同時(shí)可以利用JTAG口實(shí)現(xiàn)對(duì)CPLD編程調(diào)試。
CPLD模塊主要有以下三個(gè)功能(注內(nèi)部的功能模塊如圖8所示)。
①地址譯碼電路產(chǎn)生外設(shè)的片選信號(hào)及控制信號(hào)。主要的信號(hào)有(1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的讀寫片選信號(hào)1644，DS，IS，DAT_CS及數(shù)據(jù)、地址的鎖存信號(hào)(控制邏輯圖見圖9)。(2)液晶控制模塊的控制信號(hào)(控制邏輯見圖10)LCD，LCDRD，LCDWE，LCD_C/D，LCDRST，(3)看門狗的控制邏輯信號(hào)WDT，WD_SI，WD_SO，WDSCK(控制邏輯見圖11)，(4)鍵盤信號(hào)KEY1～KEY7(控制邏輯見圖12)，(5)數(shù)據(jù)采集控制模塊的AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)和片選信號(hào)AD976和R/C(邏輯見圖13)。
②開入開出量模塊提供的開入開出量信號(hào)，KI1～KI12，DL1～DL8，LOCAL，SET(邏輯圖見圖14)。
③等待信號(hào)，READY用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理器在訪問慢速外部設(shè)備時(shí)的時(shí)序匹配(邏輯圖見圖15)。
開入量、開出量電路開入開出電路的功能一是將現(xiàn)場(chǎng)12V或是24V的開關(guān)量信號(hào)加以隔離轉(zhuǎn)換，變成能夠被主控制板準(zhǔn)確的識(shí)別的電氣信號(hào)，二是將主控制板發(fā)出的5V信號(hào)加以驅(qū)動(dòng)放大，控制繼電器輸出動(dòng)作，同時(shí)將該信號(hào)接到電力電子器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電路來控制IGBT的通斷，從而達(dá)到縮短斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間的目的。其電路圖如圖16所示。
HEADER32*2和CON6和CON16分別是開入開出信號(hào)和外界聯(lián)系的端子排。
裝置背部的端子排CON6上的開入量信號(hào)IN1至IN12和公共端INCOM構(gòu)成回路，這些開入量信號(hào)經(jīng)由光電耦合521-4隔離后的輸出引到HEADER32*2上，即KI1～KI12，從而和主控制部分發(fā)生聯(lián)系。
裝置背部的端子排CON16上的信號(hào)是控制電力設(shè)備動(dòng)作的開出量信號(hào)，主控制板發(fā)出的8路動(dòng)作信號(hào)DL1～DL8經(jīng)由HEADER32*2接口，分別經(jīng)過8個(gè)9013三極管驅(qū)動(dòng)，521-4光耦隔離，去驅(qū)動(dòng)8個(gè)中間繼電器，進(jìn)一步放大其驅(qū)動(dòng)能力，其輸出信號(hào)即為端子排CON16上的OUT1-1到OUT8-2。利用這8對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。
模塊連接將HEADER32*2端子排和IGBT驅(qū)動(dòng)電路的端子排對(duì)應(yīng)相連。
人機(jī)接口及通訊電路人機(jī)接口其電路圖如圖17所示。它提供了和液晶顯示模塊T6963C的接口端子JP1，主控制板提供給該端子的信號(hào)有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7；復(fù)位信號(hào)LCDRST；讀寫控制信號(hào)WR，RD；指令數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)A0；液晶控制的片選信號(hào)LCD(注這些信號(hào)由CPLD部分提供)，供電電壓+5V和GND；以及用于液晶背光控制的負(fù)壓Vo。
該電路板還提供和母板的控制信號(hào)聯(lián)系的接口端子JP_CPU1。其提供的信號(hào)除了上述之外還有控制LED燈亮滅的信號(hào)L1～L7，串口通信信號(hào)232R，232T。裝置的運(yùn)行標(biāo)志燈LED1～7用以顯示裝置正常，報(bào)警，動(dòng)作，供電情況等狀態(tài)，整定校對(duì)裝置需要的RS232串口J1。其控制信號(hào)均由JP_CPU1給出。
通訊接口模塊電路圖如圖18所示，裝置采用了RS232/485標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，通過數(shù)字信號(hào)處理器自帶的SCI接口實(shí)現(xiàn)。對(duì)于傳統(tǒng)的RS232/485通信方式而言，CPU的SCI口發(fā)出的TXD，RXD和DE信號(hào)經(jīng)由MAX232和MAX485電平轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)通信電平，其中通過跳線開關(guān)SW1來決定裝置的通信信號(hào)輸出究竟是這兩種協(xié)議中的哪一種。
同時(shí)該裝置還提供了符合CAN2.0B協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口。該接口是通過CAN控制器MCP2510和CAN驅(qū)動(dòng)器82c250構(gòu)成的。
測(cè)控裝置驅(qū)動(dòng)裝置部分EXB841驅(qū)動(dòng)模塊此模塊為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的核心部分，主要功能是1接收控制電路發(fā)出的開通與關(guān)斷IGBT的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng)IGBT的開通與關(guān)斷。EXB841芯片為富士公司出品的IGBT高速驅(qū)動(dòng)芯片，它具有單電源、模塊化、過流檢測(cè)、保護(hù)軟關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，最高工作頻率為40kHz，最大驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為1.5us。EXB841采用Vce檢測(cè)識(shí)別過流并加以軟關(guān)斷保護(hù)。IGBT為壓控器件，開通電壓一般為12V～15V，關(guān)斷電壓一般為-1V～-1OV。EXB841提供的IGBT開通驅(qū)動(dòng)電壓為15V，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓為-5V。EXB841目前運(yùn)用得很廣泛，但同時(shí)也存在著一些不足，如存在保護(hù)盲區(qū)、過流保護(hù)起控點(diǎn)設(shè)置過高等問題。為了彌補(bǔ)EXB841這些功能上存在的不足，需要增加一些外圍電路來對(duì)其驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行改善和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更加可靠和穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)。
附圖19為改進(jìn)后的一路EXB841驅(qū)動(dòng)電路原理圖。如圖所示1腳接IGBT的射極E；2腳接+20V電源；R1為門極電阻，三腳通過門極電阻連接到IGBT門極G；4腳用于連接外部電容，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作，在絕大部分場(chǎng)合不需要電容，故在此電路圖中懸空；5腳輸出過流保護(hù)信號(hào)，通過光耦與外部電路連接。當(dāng)IGBT為正常工作狀態(tài)時(shí)，5腳電壓為20V，光耦Tlp521不導(dǎo)通，Lock腳輸出低電平，當(dāng)過流故障時(shí)，5腳電壓為0V，光耦導(dǎo)通，Lock腳輸出高電平。Lock腳作為一個(gè)過流故障信號(hào)的標(biāo)志連接到過流保護(hù)自鎖電路，由Lock腳電平的高低來判斷是否需要進(jìn)行過流保護(hù)自鎖；6腳通過快速二極管D1和穩(wěn)壓二極管VZ3連接到IGBT的集電極。加穩(wěn)壓二極管VZ3的目的是為了改變EXBg41的過流保護(hù)起控點(diǎn)和縮短其保護(hù)盲區(qū)；在1腳和3腳之間加穩(wěn)壓二極管VZ1(+15V)和VZ2(+5V)的作用是防止門極和射極之間出現(xiàn)過電壓；在1腳和3腳之間接電阻R2的作用是避免IGBT的門極和射極斷路，其位置應(yīng)盡量靠近功率開關(guān)；電容C1、C2的作用是吸引由于電源接線附抗引起的供電電壓變化，不是作為濾波電容使用的；14腳、15腳是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，其內(nèi)部采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離，當(dāng)14腳和15腳有10mA的電流流過時(shí)，光耦合器就導(dǎo)通，通過其內(nèi)部電路產(chǎn)生+15V的電壓驅(qū)動(dòng)IGBT的開通。為了流過14、15腳的開通電流足夠大，在外部電路上采用三極管Q加上拉電阻R3的辦法。
模塊連接該模塊的主要功能為產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓以及過流保護(hù)軟關(guān)斷。它與CPLD邏輯控制模塊之間的連接如下接受CPLD邏輯控制模塊的Drive信號(hào)，即控制IGBT開斷的信號(hào)；在過流的時(shí)候向CPLD邏輯控制模塊發(fā)出Lock信號(hào)，即過流保護(hù)自鎖信號(hào)。
CPLD邏輯控制模塊此模塊的主要功能為(1)作為數(shù)字信號(hào)處理器主控板與EXB841驅(qū)動(dòng)電路之間的一個(gè)邏輯接口，在正常工作情況下接受來自數(shù)字信號(hào)處理器主控板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將它輸出到相應(yīng)的EXB841驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的開通與關(guān)斷(2)過流保護(hù)自鎖功能當(dāng)線路發(fā)生過流故障時(shí)，EXB841進(jìn)入過流檢測(cè)，實(shí)施過流軟關(guān)斷。此時(shí)利用過流保護(hù)自鎖功能強(qiáng)行封鎖14腳和15腳的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證軟關(guān)斷的時(shí)間，防止IGBT由于短路情況下快速關(guān)斷而損壞。當(dāng)故障清除后，鎖定能夠自動(dòng)解除，輸入信號(hào)能夠進(jìn)行正常驅(qū)動(dòng)。
附圖20為CPLD邏輯控制模塊的電路圖，由CPLD和有源晶振組成。CPLD的型號(hào)為Xilinx公司的XC9572，有源晶振的頻率為4MHz。如圖所示，由XC9572和有源晶振組成CPLD邏輯控制電路在此完成6路IGBT驅(qū)動(dòng)電路的通斷控制與過流保護(hù)自鎖功能。XC9572有84個(gè)引腳，輸入輸出電壓遵循TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，高電平5V，低電平0V。引腳22、38、64、73、78接+5V電源；引腳8、16、27、42、49、60接+5V地；引腳28、29、30、59分別作為JTAG口的TDI、TMS、TCK和TDO端使用；引腳76作為有源晶振的時(shí)鐘Clock輸入；引腳1～6分別連接6路IGBT驅(qū)動(dòng)的過流信號(hào)標(biāo)志Lock1～Lock6，當(dāng)Lock腳為高電平時(shí)表明出現(xiàn)過流，當(dāng)Lock腳為低電平時(shí)表明無過流出現(xiàn)；引腳7、9、10、11、12、13分別連接Lockstate1～Lockstate6，Lockstate為一個(gè)標(biāo)志量，其電平的高低可由電路板上的跳線器進(jìn)行人為的設(shè)定，當(dāng)Lockstate為高電平時(shí)表明需要進(jìn)行過流保護(hù)自鎖，當(dāng)Lockstate為低電平時(shí)表明不需要進(jìn)行過流保護(hù)自鎖；引腳14、15、17、18、19、20分別連接來自主控板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Input1～I(xiàn)nput6；引腳21、23、24、25、26、31為輸出腳，輸出IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它們分別連接到6路EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入腳14腳所連接的三極管的門極，通過三極管來驅(qū)動(dòng)EXB841內(nèi)部隔離光耦的開通與關(guān)斷。
附圖21為6路CPLD邏輯控制電路中其中一路的內(nèi)部邏輯電路圖。如圖所示，1、7、14、76腳為信號(hào)輸入腳，分別接Lock1、Lockstate1、Input1和Clock。在實(shí)際使用的時(shí)候Lockstate1一般設(shè)為高電平。21腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRIVE1。U3是6位計(jì)數(shù)器，F(xiàn)DC為D觸發(fā)器，在此作為電壓跟隨器使用。在沒有出現(xiàn)過流故障的時(shí)候，Lock1為低電平，計(jì)數(shù)器U3和電壓跟隨器FDC的清零端CLR輸入為高電平，U3和FDC的輸出清零，OUTPUT1為高電平，此時(shí)CPLD的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRIVE1跟主控板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)INPUT1一致，通過EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT的正常通斷。當(dāng)出現(xiàn)過流故障的時(shí)候，Lock1為高電平，U3和FDC的清零端CLR輸入為低電平，U3接受有源晶振的脈沖信號(hào)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)U3計(jì)數(shù)輸出為010100時(shí)(即20*0.25＝5us)NAND6輸出為由高跳變到低，電壓跟隨器的輸出相應(yīng)的由低跳變到高并保持高電平，OUTPUT1由高跳變到低并保持低電平，此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRIVE1跳變?yōu)榈?，即在EXB841的5腳輸出故障信號(hào)Lock1后的5us后實(shí)現(xiàn)延時(shí)軟關(guān)斷。在故障期間，Lock1和Lockstate1均為高電平，故LOCKENABLE1為高電平，或門OR2的輸出始終為高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)Input1的封鎖。當(dāng)故障消除后，Lock1立即跳變?yōu)榈碗娖?，解除?duì)輸入信號(hào)Input1的封鎖。
權(quán)利要求
1.一種屬于電力輸配電設(shè)備的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，由主控裝置(1)和驅(qū)動(dòng)裝置(2)組成，其特征在于主控裝置由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、A/D采樣電路(11)、交流信號(hào)過零檢測(cè)電路(12)、數(shù)字信號(hào)處理器(13)、用于產(chǎn)生控制信號(hào)的可編程邏輯控制器(15)和開入開出量電路(16)組成，主電路的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過霍爾電壓、電流傳感器轉(zhuǎn)換后，輸出接至A/D采樣電路，經(jīng)過A/D采樣后，將結(jié)果放在數(shù)據(jù)線由數(shù)字信號(hào)處理器(13)來讀?。豢删幊踢壿嬁刂破?15)產(chǎn)生控制信號(hào)來控制數(shù)字信號(hào)處理器(13)及A/D采樣電路(11)，驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)模塊(21)和可編程邏輯控制模塊(22)組成，可編程邏輯控制模塊(22)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊(21)；驅(qū)動(dòng)模塊(22)將過流保護(hù)自鎖信號(hào)輸至可編程邏輯控制模塊(22)，可編程邏輯控制模塊(22)將過流軟關(guān)斷信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊，主控裝置將可編程邏輯控制器(15)產(chǎn)生的控制信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)裝置的可編程邏輯控制模塊(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，其特征在于電壓傳感器采用VSM500D霍爾電壓傳感器，電流傳感器采用HNC050LA霍爾電流傳感器，A/D采樣電路(11)由型號(hào)為AD976A的采樣芯片和型號(hào)為AD7506的多路選擇芯片組成，作為輸出端的AD7506的28腳接至作為輸入端的AD976A的1腳，數(shù)字信號(hào)處理器(13)采用TMS320F240芯片，霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器的測(cè)量端，依次接到電阻、電容的低通濾波電路的輸入端，將低通濾波后的信號(hào)(AN1～AN12)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)(ANT-6及ANT+6)接至AD7506的輸入端，AD7506的A0～A3接至數(shù)字信號(hào)處理器(13)的第63、65、66、100腳，同時(shí)AD976的16位數(shù)據(jù)線接至數(shù)字信號(hào)處理器(13)的數(shù)據(jù)線上，AD976的26腳接至CPLD的36腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，其特征在于可編程邏輯控制器(15)由XC95108芯片和在線編程口(JTAG)組成，其中XC95108的引腳22、38、64、64、78接+5V電源；引腳8、27、42、60接地；引腳28、29、30、59分別作為在線編程口(JTAG)的TDI、TMS、TCK和TDO端，并且在電源和地之間接0.1uF獨(dú)石電容和10uF電解電容來去耦合，XC95108芯片的引腳1、2、3、4、5、6、7、9接到數(shù)字信號(hào)處理器(13)的數(shù)據(jù)線D0～D7，XC95108芯片的引腳10、11、12、14、15分別接顯示模塊LCD、LCDRD、LCDWE、LCDC/D、LCDRST引腳，引腳13接數(shù)字信號(hào)處理器(13)的CLKOUT引腳，引腳17、18、19、20、21、23、24、25分別接數(shù)字信號(hào)處理器(13)的A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15引腳，引腳26接數(shù)字信號(hào)處理器(13)的DS引腳、引腳31、32、33、34、35分別接數(shù)字信號(hào)處理器(13)的IS、W/R、READY，引腳36接A/D采樣電路(11)的AD976引腳，引腳37、39分別接數(shù)字信號(hào)處理器(13)的WE和R/C引腳，引腳43、44、45、46、47、48、50、51、52、53、54、55、56、57、58、61、62、63、65、66、67分別接至開入開出模塊KI1～KI12和DL1～DL8引腳，引腳70、71、72、74分別接復(fù)位電路X5043的6、2、5、1引腳，引腳76、77、79、80、81、82、83、84接鍵盤的KEY7～KEY0引腳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，其特征在于在數(shù)字信號(hào)處理器(13)的數(shù)據(jù)線上連接有存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路(14)，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路(14)由兩片靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7c1021-15vc以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)DS1644芯片組成，該電路的16位地址線、16位數(shù)據(jù)線、引腳WE、引腳W/R、引腳PS和數(shù)字信號(hào)處理器(13)相應(yīng)管腳A0～A15、D0～D15、WE、W/R、PS管腳連接，引腳1644，引腳DAR CS分別和CPLD的34、35腳相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)模塊(21)選用型號(hào)為EXB841的驅(qū)動(dòng)芯片，在驅(qū)動(dòng)芯片上連接有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)且驅(qū)動(dòng)芯片的1腳接絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的射極E；2腳接+20V電源；R1為門極電阻，3腳通過門極電阻連接到絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)門極G；5腳輸出的過流保護(hù)信號(hào)，通過光耦連接至三極管的基極，三極管的集電極將過流保護(hù)自鎖信號(hào)輸至可編程邏輯控制模塊(22)，6腳通過快速二極管D1和穩(wěn)壓二極管VZ3連接到絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的集電極，1腳和3腳之間連接有穩(wěn)壓二極管VZ1(+15V)和VZ2(+5V)1腳和3腳之間接有電阻R22腳與9腳之間接有電容C1，1腳與9腳之間接有電容C2，14腳、15腳是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，在14腳上接有三極管Q和上拉電阻R3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，其特征在于可編程邏輯控制模塊(22)由型號(hào)為XC9572的可編程邏輯器件和4兆有源晶振組成，XC9572的引腳22、38、64、73、78接+5V電源；引腳8、16、27、42、49、60接+5V地；引腳28、29、30、59分別連接至在線編程口(JTAG)的TDI、TMS、TCK和TDO端；引腳76與有源晶振的時(shí)鐘輸出端Clock連接；引腳1～6可分別與6路絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的過流保護(hù)自鎖信號(hào)端Lock1～Lock6連接，引腳7、9、10、11、12、13分別與自鎖狀態(tài)使能端Lockstate1～Loekstate6連接，引腳14、15、17、18、19、20分別與主控裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Input1～I(xiàn)nput6連接；引腳21、23、24、25、26、31分別連接到6路EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入腳14腳所連接的三極管的門極。有源晶振1腳懸空，2腳接地，4腳接+5V電源。2腳和4腳間加了一個(gè)0.1uF的去耦電容。
全文摘要
混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置涉及一種混合式電力電子斷路器測(cè)控裝置，主控裝置由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、A/D采樣電路、交流信號(hào)過零檢測(cè)電路、數(shù)字信號(hào)處理器、可編程邏輯控制器和開入開出量電路組成，電壓電流信號(hào)經(jīng)霍爾電壓電流傳感器轉(zhuǎn)換后，輸至A/D采樣電路，采樣后的結(jié)果由數(shù)字信號(hào)處理器來讀取；可編程邏輯控制器控制數(shù)字信號(hào)處理器及A/D采樣電路，驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)模塊和可編程邏輯控制模塊組成，可編程邏輯控制模塊將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊；驅(qū)動(dòng)模塊將過流保護(hù)自鎖信號(hào)輸至可編程邏輯控制模塊，可編程邏輯控制模塊將過流軟關(guān)斷信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)模塊，主控裝置將控制信號(hào)輸至驅(qū)動(dòng)裝置的可編程邏輯控制模塊。
文檔編號(hào)H01H9/54GK1598989SQ20041004156
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月30日
發(fā)明者鄭建勇, 梅軍, 秦申蓓, 丁祖軍, 蘇麟, 吳恒榮, 陳軍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)