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日期:2019-01-02 | 作者:缅甸小勐拉

基于CPLD的馈电开关保护器的设计

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  本文介绍了一种基于CPLD的馈电开关保护器的设计方案。提出了通过检测相位的方法精确判断系统是否漏电、缺相以及负载不平衡等故障,系统利用CPLD内部丰富的资源和高速处理功能,驱动A/D转换器,实现稳定、可靠、高速的数据采集。实践表明,该方案大大提高系统的资源利用率,节约成本,缩短开发周期,具有电路设计简单、可靠性高和易移植等特点。

  目前,我国低压供配电系统中馈电开关保护装置仍采用传统的鉴幅式继电保护或电子保护。这种保护整定误差大,动作时间长,可靠性低。特别在用于馈电线路中的短路保护时,若要保护全线路,则应保护范围末端最小短路电流整定,整定值小,使大型电动机起动时易造成保护误动作。

  若要躲过起动电流,则要求整定值大,将不能保护线路全长而且灵敏度较低。并且传统的保护装置采样系统中,通过单片机驱动A/D转换器,对三相电流、电压和零序电流、电压等进行检测,存在以下弊端:

  一是应用单片机通过软件控制数据采集的A/D转换,这样必将频繁中断系统的运行,从而减弱系统的数据运算能力,数据采集的速度也将受到限制。

  二是当馈电线路中有大功率设备启动、停止、或设备堵转、负载变化等情形发生时,电流波形会发生严重畸变,干扰单片机的正确判断。三是单片机在这种大功率场合应用,经常会发生死机问题,即使有看门狗,单片机恢复到正常工作也需要数十毫秒时间,这对数百安培到数千安培的大功率馈电线路非常不利。

  根据系统的功能和性能要求,针对传统方式中存在的问题,本文设计了利用CPLD的高精度、高速度的优点设计成状态机,直接检测馈电线路的相位,再配以高速的数据采集,可以准确、快速、高效的采取保护措施,最大限度的减少误动作。

  系统运行过程中不受波形畸变、死机等问题影响,即使万一发生干扰,状态机的刷新周期也只需几个微妙的时间,远远低于单片机的死机恢复时间,从而迅速判断是否漏电、缺相、负载严重不平衡等故障[1]。

  CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)是大规模可编程逻辑器件,由ALTERA公司最早推出,本设计采用MAX2系列EPM570T100C5芯片,该芯片具有优良的体系结构,适用于低成本、大批量应用;功耗低,可靠性高;密度大,封装小;工作在1.8V、2.5V、3.3V供电电压下,可以减少系统电源数量,做到与其它器件的无缝连接。

  该芯片内部宏单元数为440个,逻辑单元数为570个,TQFP封装,100个引脚。其中I/O引脚72个;4个编程引脚分别是:TMS(第33脚), TDI(第34脚), TCK(第35脚),TDO(第36脚);12个3.3V电源引脚;12个接地引脚[2]。

  本设计利用硬件开发工具Quartus2进行编程,通过原理图示图形设计输入,实现驱动A/D转换器和相位检测的功能,最后进行I/O分配和验证,与外围硬件电路共同完成馈电开关保护功能。

  本系统主要由过零触发器,CPLD处理模块,A/D转换模块以及终端显示四部分组成。三相电压、电流信号分别经过隔离变压器、电流互感器,转变为符合要求的电压、电流信号,再分别经过过零触发器,产生过零信号交由CPLD处理,6路数据采集的所有时序信号和控制逻辑由CPLD实现,当A/D转换结束后,再由CPLD对结果进行处理,经显示终端显示结果。总体硬件框图如图1所示。

  其中过零触发器由6个LM311组成,反向输入端全部接地,同向输入端分别接至IA、IB、IC、VA、VB、VC,当电压、电流信号正向或反向过零时产生方波信号输入至CPLD,其中过零信号如图2所示。

  由于三相电流、电压周期为20ms,当IA、IB、IC、VA、VB、VC过零信号经过5ms的延时,即为峰值信号。把6个峰值信号送至A/D转换驱动电路中,在驱动电路中由CPLD发出转换起始信号,启动转换过程,通过并入串出移位寄存器,将A/D转换命令输出给A/D串行数据转换器MAX147[3],开始数据转换。A/D转换器工作在双极性、单端输入、内部时钟模式,具体参见MAX147使用手册,本文不再赘述。

  当A/D转换结束之后,CPLD发出A/D转换结束信号,启动串入并出移位寄存器接收A/D转换结果,完成一次数据转换过程。数据采集结果由CPLD发送至显示终端或与上位机通讯。具体工作流程见图3所示[4]。

  为了有效的制止电机漏电或者负载不平衡故障,本设计通过检测每相电流和电压的相位差来判断。研究发现,由于三相电机为感性负载,每相电压与电流的相位差理论上应接近90度,然而当发生漏电或者负载不平衡故障时,电压与电流的相位差将会减小。

  根据这一特性,利用D触发器设计成计数器,当某一相电压过零时触发计数器,该相电流过零时停止计数,从电压过零到电流过零这段时间内所记的数,即为对应的相位,从而可以判断电压与电流的相位差是否发生变化,由此判断电机漏电或者负载不平衡故障。以上时序信号、逻辑控制皆由CPLD实现。

  在传统的数据采集系统中。单片机和A/D转换之间都存在数据的传送。由于受单片机执行指令时间和速度的限制,采集一个数据需要几到几十微秒的时间。如果单片机出现死机,恢复到正常工作也需要数十毫秒时间,这对数百安培到数千安培的大功率馈电线路非常不利。

  而本系统在经过相位检测确定处于正常工作状态之后,完全由CPLD自动实现数据采集的全过程,从而实现高速稳定的数据采集。系统的主程序的流程框图如图4所示[5]。

  图5为CPLD控制A/D转换器的仿真波形,其中start是数据采集的启动信号,当eoc出现低脉冲数据转换结束,通过控制oe输出使能信号,输出数据[6]。

  测试结果表明,该系统能够准确有效地对三相电压、电流采样,利用CPLD实现对A/D的逻辑控制,使用A/D转换器MAX147对数据进行处理,并利用直接检测相位的方法,及时有效的发现漏电、缺相、负载不平衡等故障。

  针对低压配电系统大功率负载三相电机,本设计基于CPLD设计了馈电开关保护器。本方案在成本控制、可扩展性能以及资源利用效率上都有很大提高。此设计方案已成功运用于馈电开关产品上,测试结果表明,该保护器对馈电开关的保护动作有了较大幅度的提高,产生了良好的经济效益和社会效益,市场前景良好。

  (摘编自《电气技术》,原文标题为“基于CPLD的馈电开关保护器设计”,作者为刘博、柳明洙、陈世杰、何东升。)

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