專利名稱：混合式電力電子斷路器測控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力輸配電設(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作速度的技術(shù)。國外學(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)的動態(tài)過程，兩者形成優(yōu)勢互補(bǔ)。而為了能夠真正有效的實(shí)現(xiàn)對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)確的對斷路器的主電路的交流信號實(shí)現(xiàn)采集和數(shù)據(jù)處理，及時的判定故障的發(fā)生，同時要能夠?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)動和保護(hù)的斷路器的測控裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種能夠縮短斷路器分?jǐn)鄷r間的混合式電力電子斷路器測控裝置。
本實(shí)用新型采用如下技術(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控裝置，由主控裝置1和驅(qū)動裝置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、交流信號過零檢測電路12、數(shù)字信號處理器13、用于產(chǎn)生控制信號的可編程邏輯控制器15和開入開出量電路組成，主電路的電壓、電流信號經(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)字信號處理器13芯片來讀?。豢删幊踢壿嬁刂破?5產(chǎn)生控制信號來控制數(shù)字信號處理器13及A/D采樣電路11，驅(qū)動裝置由驅(qū)動模塊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)動信號輸至驅(qū)動模塊21；驅(qū)動模塊21將過流保護(hù)自鎖信號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)斷信號輸至驅(qū)動模塊，主控裝置將可編程邏輯控制器15產(chǎn)生的控制信號輸至驅(qū)動裝置的可編程邏輯控制模塊22。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本實(shí)用新型利用了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，可以對混合式電力電子斷路器主電路中的交流信號進(jìn)行實(shí)時采集和處理，可以縮短斷路器的開斷時間，同時可以提供對斷路器的保護(hù)。
(2)本實(shí)用新型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)本實(shí)用新型采用改進(jìn)后的EXB841驅(qū)動電路對IGBT進(jìn)行驅(qū)動能夠縮短保護(hù)盲區(qū)的時間、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。
(4)本實(shí)用新型采用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的延時一般在納秒級，有源晶振的頻率也很穩(wěn)定，故能夠設(shè)計(jì)出延時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控裝置的框圖。該裝置主要分為兩個部分測控裝置主控裝置和測控裝置驅(qū)動裝置。
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是交流信號過零檢測電路的電原理圖。
圖5是數(shù)字信號處理器的控制電路的電原理圖。
圖6是存儲器擴(kuò)展電路的電原理圖。
圖7是CPLD控制信號電路的電原理圖。
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、開入開出量信號的控制邏輯示意圖、等待信號的控制邏輯示意圖。
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)動裝置EXB841驅(qū)動電路的電原理圖。
圖20是驅(qū)動裝置CPLD邏輯控制模塊電原理圖。
圖21是驅(qū)動裝置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控裝置，由主控裝置1和驅(qū)動裝置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、交流信號過零檢測電路12、數(shù)字信號處理器13、用于產(chǎn)生控制信號的可編程邏輯控制器15和開入開出量電路組成，主電路的電壓、電流信號經(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)字信號處理器13來讀??；可編程邏輯控制器15產(chǎn)生控制信號來控制數(shù)字信號處理器13及A/D采樣電路11，驅(qū)動裝置由驅(qū)動模塊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)動信號輸至驅(qū)動模塊21；驅(qū)動模塊21將過流保護(hù)自鎖信號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)斷信號輸至驅(qū)動模塊，主控裝置將可編程邏輯控制器15產(chǎn)生的控制信號輸至驅(qū)動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由型號為AD976A的采樣芯片和型號為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AN1～AN12和基準(zhǔn)電壓信號ANT_-6及ANT_+6接至AD7506的輸入端，AD7506的A0～A3接至數(shù)字信號處理器13的第63、65、66、100腳，同時AD976的16位數(shù)據(jù)線接至數(shù)字信號處理器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)字信號處理器13的A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15引腳，引腳26接數(shù)字信號處理器13的DS引腳、引腳31、32、33、34、35分別接數(shù)字信號處理器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有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7；復(fù)位信號LCDRST；讀寫控制信號WR，RD；指令數(shù)據(jù)通道選擇信號A0；液晶控制的片選信號LCD(注這些信號由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，同時提供和母板的控制信號聯(lián)系的接口端子JP_CPU1。其提供的信號還有控制LED指示燈亮滅的信號L1～L7，裝置的運(yùn)行標(biāo)志燈LED1～7用以顯示裝置正常，報警，動作，供電情況等狀態(tài)，整定校對裝置需要的RS232串口J1。通訊電路由MAX232和MAX485構(gòu)成，數(shù)字信號處理器13的SCI口發(fā)出的TXD，RXD和DE信號經(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輸出究竟是這兩種協(xié)議中的哪一種，同時該模塊提供了由CAN控制器MCP2510和CAN驅(qū)動器82c250構(gòu)成的CAN總線接口；在數(shù)字信號處理器13的數(shù)據(jù)線上連接有存儲器擴(kuò)展電路14，存儲器擴(kuò)展電路14由兩片靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器CY7c1021-15vc以及非易失性數(shù)據(jù)存儲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)動模塊21選用型號為EXB841的驅(qū)動芯片，在驅(qū)動芯片上連接有絕緣柵雙極型晶體管IGBT且驅(qū)動芯片的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，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)動信號輸入端，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)動信號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)動信號輸入腳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0.1uF的去耦電容。
本實(shí)用新型的工作原理及工作過程如下
混合式電力電子斷路器的測控裝置由主控裝置1和驅(qū)動裝置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、交流信號過零檢測電路12、數(shù)字微處理器13、存儲器擴(kuò)展電路14、用于產(chǎn)生控制信號的CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件15和開入開出量電路、人機(jī)接口和通訊電路17組成。驅(qū)動裝置由驅(qū)動模塊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)字信號處理器會通過CPLD檢測斷路器的觸點(diǎn)的位置，當(dāng)符合條件時使一個開出量變成高電平，該高電平送到電力電子器件IGBT的驅(qū)動電路使其導(dǎo)通，同時該開出量會通過中間繼電器(經(jīng)過延時)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)斷路器合閘后該測控裝置會通過傳感器、A/D器件檢測線路上的交流信號并且同時將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送數(shù)字信號處理器處理，計(jì)算出各交流信號的有效值、頻率、功率等，當(dāng)檢測到故障的時候，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，同時關(guān)斷電力電子開關(guān)。這樣在斷路器通斷的時候利用該測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間。
測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。在該測控裝置中電壓傳感器采用南京茶花港聯(lián)傳感測控技術(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，這樣通過測量該傳感器8腳上測量電阻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量電流為50A(AC/DC)副邊輸出電流為50mA(AC/DC)。這樣通過測量該傳感器的測量端接的測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AD公司的AD7506芯片，該芯片是16通道選1個通道的芯片，通過對芯片的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量信號經(jīng)過RC低通濾波后接到AD7506的0～15通道，經(jīng)過通道選擇將信號送AD976A中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)果輸出到數(shù)字信號處理器控制單元。
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)字信號處理器的第63、65、66、100腳，同時AD976的16位數(shù)據(jù)線接至數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)線上，AD976的26腳接至CPLD的36腳。
交流信號過零檢測電路交流信號過零檢測電路如圖4所示。交流電壓、電流信號經(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)成的檢測電路，將交流信號變換成方波由KA556的輸出端輸出，KA556是由兩個555電路構(gòu)成的，這樣可以把兩路的交流信號變換成方波信號，將方波信號接到數(shù)字信號處理器主控制電路中TMS320F240的67(CAP1)、68(CAP2)管腳，可以設(shè)置數(shù)字信號處理器控制寄存器使捕獲單元在交流信號的上升沿/下降沿進(jìn)行捕獲。利用數(shù)字信號處理器具有的捕獲單元在交流信號過零的時候產(chǎn)生中斷獲得控制混合式電力電子斷路器開斷的時間基準(zhǔn)。
模塊間連接該模塊實(shí)現(xiàn)交流信號過零檢測，KA556的兩個輸出端接至數(shù)字信號處理器的67、68腳(捕獲單元CAP1、CAP2)。
數(shù)字信號處理器控制電路數(shù)字信號處理器控制電路如圖5所示。其中該控制電路由美國TI公司的TMS320F240芯片，美國Xicor公司的X5043硬件看門狗芯片，20MHz晶振，電路構(gòu)成。
在該測控裝置中，數(shù)字信號處理器控制部分是核心電路，要實(shí)現(xiàn)對斷路器的監(jiān)控、驅(qū)動、保護(hù)等功能必須要通過數(shù)字信號處理器芯片才能實(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)裝置軟件故障時可保證軟件可靠復(fù)位。其控制信號WDI，WD_SO，WS_SI，WDSCK是通過CPU的控制，在CPLD內(nèi)部經(jīng)由信號變換后輸出，參見CPLD模塊的介紹。來自鍵盤的手動復(fù)位信號ERST，來自5043的自動復(fù)位信號，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，故障，上電。同時X5043可以用作串行EEPROM從而對存儲器進(jìn)行擴(kuò)展。20MHz有源晶振提供CPU工作的時鐘信號，輸出至數(shù)字信號處理器的XTAL1/CLKIN引腳。常規(guī)的針對TMS320F240采用10MHz有源晶振，該裝置采用20MHz晶振是為了提高數(shù)字信號處理器主頻，縮短指令執(zhí)行時間。該裝置具有數(shù)字信號處理器的JTAG口，可以通過JTAG口的信號TRST，TMS，TDI，TDO，EMU0，EMU1實(shí)現(xiàn)裝置的編程調(diào)試。
數(shù)字信號處理器控制電路的主要信號有以下幾部分①16位數(shù)據(jù)總線D0～D15，16位地址總線A0～A15，讀寫控制信號DS，PS，IS，READY，R/W，W/R，WE，利用這些信號來完成對外部設(shè)備的控制和訪問。
②中斷信號NMI，KI_INT，KEY_INT，INT_CAN，利用外部中斷和上述信號一起完成對鍵盤和通訊模塊的控制。
③AD模塊的通道選擇信號ADA0～ADA3用以控制AD數(shù)據(jù)采集模塊的通道切換。
④CAP1，CAP2是頻率測量模塊的輸出信號，用以測量電壓頻率。
⑤信號DE，TXD，RXD，MCPRESET，TX0RTS，TX1RTS，TX2RTS是通訊模塊的控制信號。
在數(shù)字信號處理器芯片控制下，這些信號不停的運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)該測控裝置的功能。
CPLD控制信號電路CPLD電路是產(chǎn)生該測控裝置中很多控制信號的重要的部分，同時數(shù)字信號處理器對一些外設(shè)的片選信號，以及開入開出信號也要在CPLD電路中產(chǎn)生。該電路如圖7所示。CPLD采用美國Xilinx公司的XC95108芯片，該芯片具有108個宏單元并且有108個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，同時可以利用JTAG口實(shí)現(xiàn)對CPLD編程調(diào)試。
CPLD模塊主要有以下三個功能(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)的片選信號及控制信號。主要的信號有(1)數(shù)據(jù)存儲模塊的讀寫片選信號1644，DS，IS，DAT_CS及數(shù)據(jù)、地址的鎖存信號(控制邏輯圖見圖9)。(2)液晶控制模塊的控制信號(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WDT，WD_SI，WD_SO，WDSCK(控制邏輯見圖11)，(4)鍵盤信號KEY1～KEY7(控制邏輯見圖12)，(5)數(shù)據(jù)采集控制模塊的AD轉(zhuǎn)換啟動信號和片選信號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，KI1～KI12，DL1～DL8，LOCAL，SET(邏輯圖見圖14)。
③等待信號，READY用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理器在訪問慢速外部設(shè)備時的時序匹配(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12V或是24V的開關(guān)量信號加以隔離轉(zhuǎn)換，變成能夠被主控制板準(zhǔn)確的識別的電氣信號，二是將主控制板發(fā)出的5V信號加以驅(qū)動放大，控制繼電器輸出動作，同時將該信號接到電力電子器件IGBT的驅(qū)動電路來控制IGBT的通斷，從而達(dá)到縮短斷路器分?jǐn)鄷r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IN1至IN12和公共端INCOM構(gòu)成回路，這些開入量信號經(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上的信號是控制電力設(shè)備動作的開出量信號，主控制板發(fā)出的8路動作信號DL1～DL8經(jīng)由HEADER32*2接口，分別經(jīng)過8個9013三極管驅(qū)動，521-4光耦隔離，去驅(qū)動8個中間繼電器，進(jìn)一步放大其驅(qū)動能力，其輸出信號即為端子排CON16上的OUT1-1到OUT8-2。利用這8對信號實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。
模塊連接將HEADER32*2端子排和IGBT驅(qū)動電路的端子排對應(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有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7；復(fù)位信號LCDRST；讀寫控制信號WR，RD；指令數(shù)據(jù)通道選擇信號A0；液晶控制的片選信號LCD(注這些信號由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聯(lián)系的接口端子JP_CPU1。其提供的信號除了上述之外還有控制LED燈亮滅的信號L1～L7，串口通信信號232R，232T。裝置的運(yùn)行標(biāo)志燈LED1～7用以顯示裝置正常，報警，動作，供電情況等狀態(tài)，整定校對裝置需要的RS232串口J1。其控制信號均由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)字信號處理器自帶的SCI接口實(shí)現(xiàn)。對于傳統(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輸出究竟是這兩種協(xié)議中的哪一種。
同時該裝置還提供了符合CAN2.0B協(xié)議的現(xiàn)場總線通訊接口。該接口是通過CAN控制器MCP2510和CAN驅(qū)動器82c250構(gòu)成的。
測控裝置驅(qū)動裝置部分EXB841驅(qū)動模塊此模塊為IGBT驅(qū)動電路的核心部分，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，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的驅(qū)動電壓來驅(qū)動IGBT的開通與關(guān)斷。EXB841芯片為富士公司出品的IGBT高速驅(qū)動芯片，它具有單電源、模塊化、過流檢測、保護(hù)軟關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，最高工作頻率為40kHz，最大驅(qū)動信號延時為1.5us。EXB841采用Vce檢測識別過流并加以軟關(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)動電壓為15V，關(guān)斷驅(qū)動電壓為-5V。EXB841目前運(yùn)用得很廣泛，但同時也存在著一些不足，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其驅(qū)動性能進(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。
附圖19為改進(jìn)后的一路EXB841驅(qū)動電路原理圖。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)電路誤動作，在絕大部分場合不需要電容，故在此電路圖中懸空；5腳輸出過流保護(hù)信號，通過光耦與外部電路連接。當(dāng)IGBT為正常工作狀態(tài)時，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，5腳電壓為0V，光耦導(dǎo)通，Lock腳輸出高電平。Lock腳作為一個過流故障信號的標(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EXB841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)動信號輸入端，其內(nèi)部采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，當(dāng)14腳和15腳有10mA的電流流過時，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IGBT的驅(qū)動電壓以及過流保護(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，即控制IGBT開斷的信號；在過流的時候向CPLD邏輯控制模塊發(fā)出Lock信號，即過流保護(hù)自鎖信號。
CPLD邏輯控制模塊此模塊的主要功能為(1)作為數(shù)字信號處理器主控板與EXB841驅(qū)動電路之間的一個邏輯接口，在正常工作情況下接受來自數(shù)字信號處理器主控板的驅(qū)動信號并將它輸出到相應(yīng)的EXB841驅(qū)動電路控制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，EXB841進(jìn)入過流檢測，實(shí)施過流軟關(guān)斷。此時利用過流保護(hù)自鎖功能強(qiáng)行封鎖14腳和15腳的驅(qū)動信號，保證軟關(guān)斷的時間，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，鎖定能夠自動解除，輸入信號能夠進(jìn)行正常驅(qū)動。
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)動電路的通斷控制與過流保護(hù)自鎖功能。XC9572有84個引腳，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作為有源晶振的時鐘Clock輸入；引腳1～6分別連接6路IGBT驅(qū)動的過流信號標(biāo)志Lock1～Lock6，當(dāng)Lock腳為高電平時表明出現(xiàn)過流，當(dāng)Lock腳為低電平時表明無過流出現(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為高電平時表明需要進(jìn)行過流保護(hù)自鎖，當(dāng)Lockstate為低電平時表明不需要進(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)動信號Input1～I(xiàn)nput6；引腳21、23、24、25、26、31為輸出腳，輸出IGBT驅(qū)動信號，它們分別連接到6路EXB841的驅(qū)動信號輸入腳14腳所連接的三極管的門極，通過三極管來驅(qū)動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腳為信號輸入腳，分別接Lock1、Lockstate1、Input1和Clock。在實(shí)際使用的時候Lockstate1一般設(shè)為高電平。21腳輸出驅(qū)動信號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CPLD的輸出驅(qū)動信號DRIVE1跟主控板的驅(qū)動信號INPUT1一致，通過EXB841驅(qū)動IGBT的正常通斷。當(dāng)出現(xiàn)過流故障的時候，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開始計(jì)數(shù)，當(dāng)U3計(jì)數(shù)輸出為010100時(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，此時驅(qū)動信號DRIVE1跳變?yōu)榈停丛贓XB841的5腳輸出故障信號Lock1后的5us后實(shí)現(xiàn)延時軟關(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)了對輸入信號Input1的封鎖。當(dāng)故障消除后，Lock1立即跳變?yōu)榈碗娖剑獬龑斎胄盘朓nput1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控裝置，由主控裝置(1)和驅(qū)動裝置(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)、交流信號過零檢測電路(12)、數(shù)字信號處理器(13)、用于產(chǎn)生控制信號的可編程邏輯控制器(15)和開入開出量電路組成，主電路的電壓、電流信號經(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)字信號處理器(13)來讀?。豢删幊踢壿嬁刂破?15)產(chǎn)生控制信號來控制數(shù)字信號處理器(13)及A/D采樣電路(11)，驅(qū)動裝置由驅(qū)動模塊(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)動信號輸至驅(qū)動模塊(21)；驅(qū)動模塊(21)將過流保護(hù)自鎖信號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)斷信號輸至驅(qū)動模塊，主控裝置將可編程邏輯控制器(15)產(chǎn)生的控制信號輸至驅(qū)動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)由型號為AD976A的采樣芯片和型號為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(AN1～AN12)和基準(zhǔn)電壓信號(ANT_-6及ANT_+6)接至AD7506的輸入端，AD7506的A0～A3接至數(shù)字信號處理器(13)的第63、65、66、100腳，同時AD976的16位數(shù)據(jù)線接至數(shù)字信號處理器(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)字信號處理器(13)的A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15引腳，引腳26接數(shù)字信號處理器(13)的DS引腳、引腳31、32、33、34、35分別接數(shù)字信號處理器(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控裝置，其特征在于在數(shù)字信號處理器(13)的數(shù)據(jù)線上連接有存儲器擴(kuò)展電路(14)，存儲器擴(kuò)展電路(14)由兩片靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器CY7c1021-15vc以及非易失性數(shù)據(jù)存儲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控裝置，其特征在于驅(qū)動模塊(21)選用型號為EXB841的驅(qū)動芯片，在驅(qū)動芯片上連接有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)且驅(qū)動芯片的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，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)動信號輸入端，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控裝置，其特征在于可編程邏輯控制模塊(22)由型號為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)動信號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)動信號輸入腳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0.1uF的去耦電容。
專利摘要混合式電力電子斷路器測控裝置涉及一種混合式電力電子斷路器測控裝置，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、交流信號過零檢測電路、數(shù)字信號處理器、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)字信號處理器來讀??；可編程邏輯控制器控制數(shù)字信號處理器及A/D采樣電路，驅(qū)動裝置由驅(qū)動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)動信號輸至驅(qū)動模塊；驅(qū)動模塊將過流保護(hù)自鎖信號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)斷信號輸至驅(qū)動模塊，主控裝置將控制信號輸至驅(qū)動裝置的可編程邏輯控制模塊。
文檔編號G05B19/05GK2757310SQ20042007828
公開日2006年2月8日 申請日期2004年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月3日
發(fā)明者鄭建勇, 梅軍, 秦申蓓, 丁祖軍, 蘇麟, 吳恒榮, 陳軍 申請人:東南大學(xué), 江蘇華廈電氣集團(tuán)