智能脱扣器的设计(编辑修改稿)

智能脱扣器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

源电路 各种工作电源突加、控制、形成电 路 执行元件 执行电路 模拟脱扣和 MCR 电路 多路信号处理电子开关选通电路 复位电 路 CPU A/DEPROM A/D 基准 E178。 ROM 晶振 显示键盘 远端信号报警触电 环境温度检测 串行通讯口 AC380V/400V220V/230V DC220V 110V 24V 智能脱扣器的设计 5 较小电流运行状态时控制器不能工作。 为此，设计了另一路辅助电源电路，由变压器或直 流外接逆变电源提供工作电源，便于用户对智能控制器在所配断路器运行前进行参数整定、功能检查、试验等；另外，在断路器故障分断后，亦可实现各种故障状态指示、报警触点输出等辅助功能；同时便于上位机随时与各种接口子站进行通信。 电源处理部分早期设计采用开关电源，由于其工作频率较高，电解电容工作寿命短，一般情况下开关电源的使用寿命相对较短。 但在直流情况下只能采用开关电源方式，并采用外接方式可由用户更换。 智能型脱扣器  5V 工作电源采用突加电路，当工作电压升到 时打开  5V 生成电路，低于 时关断，较宽范围的电压值可保证  5v 电源快速生成和稳定，从而保证了 CPU 的可靠工作。 整个系统的工作电源利用场效应管收，达林顿管作为电子开关，控制系统总工作电压不超过 30V，性能比较稳定。 电源部分的结构框图见图 图 电源结构框图 信号采集处理电源 信号采集处理原理框图见图。 智能型脱扣器的信号取于套在母线上的空芯互感器的二次输出。 其感应的二次电流输出与一次母线电流的微分 成正比。 进入控制器信号处理电路，首先进行积分处理，使二次感应信号与一次母线电流成正比。 空芯互感器由于无铁芯，具有较好的线性范围，感应信号适用于 CPU 处理。 考虑到一次回路电流高达 50kA/75kA，进入 A/D 转换的电流信号范围较大，为了提高精度和采样分辨率，把信号分为小信号和大信号两组，对于小信号利用硬件电路进行放大处理，而大信号直接输入。 接地电流信号一般较小，需经放大处理，其取样方式有两种： 一种方式为测量中线电流，直接取三极电流信号矢量和 İN＝ İA+İB+İC。 正常运行情智能脱扣器的设计 6 况下，系统平衡， İA+İB+İC＝ 0；在系统不平衡时或接地故障情况下，矢量和不等于零，取出此电流信号作为中线保护电流信号。 这种方式不能区分系统不平衡电流和接地故障电流。 另一种方式为测量接地电流。 接地信号取于中线互感器信号 IİL与三极电流信号矢量和 İA+İB+İCİL=İG， İG仅与接地电流有关而与中线电流无关，此电流可作为接地电流的保护信号。 上述两种方式可由用户选择。 A、 B、 C 三相大信号、三相小信号和接地漏电信号共 7 路输入经处理送多路电子开关，通过 CPU 控制电子开关选通所需的各路信号。 7 路信号采样处理周期为。 瞬动短路故 障采用峰值采样，考虑抗尖峰干扰，信号处理时间为双周期 1ms，最长捕捉到故障信号的时间为 5ms，硬件抗干扰 2~3ms，这样，总体上瞬动处理到执行时间为 7~8ms，短路故障电流较大时瞬动处理较快。 一般过载长延时、过流短延时、单相接地等故障信号采用有效值处理，以 20ms 为一个处理周期，受电网信号变化、陶变谐波等影响较小，在电机保护中可避开起动过程中波形畸变，实施可靠保护。 图 信号采集原理图 显示和键盘电路 智能脱扣器采用数码显示，发光管指示方式对各种状态和数值进行指示和显示，同时采用按键方式进 行整定、试验、检测等。 早期显示曾采用液晶方案，由于液晶显示在高温和振动情况下 容易损坏，特别是在部分现场环境较暗时．控制器是否正常运行不便监察。 但采用数码管又带来增加能耗问题较难解决，原方案中 5V 负载约 150mA 电流，5V 只需 20mA 左右。 约 100mA 能量只能通过吸收电路吸收。 ST 智能控制器在设计上智能脱扣器的设计 7 进行了改进，充分利用这部分空余能量，使数码管和指示订工作在 5V 状态中，从而解决了整机功耗问题，在现场使用不仅直观、清晰，且不受环境影响。 键盘部分采用按键方式．对显示和键盘均采用动态扫描， 循环一次，通过 INT1中断口线识别键中断，并进行实时处理中断子程序。 自诊断检测电路 智能脱扣器可检测环境温度，并发出报警信号，其原理见图。 图 电路检测与报警系统 CPU一根检测口线，其正常输出为周期 、占空比 1： 1的方波信号。 正常情况下，脉冲信号通过温度继电器常闭触头输入到比较器 T1，当输入 U1为低电平， U2为高电平时， CPU认为状态正常，当环境温度超过 80℃ +5℃时，温度继电器由常闭变为常开，比较器输出 U1为高电平， U2为低电平， CPU控制数码管显示 “E”字样告警，同时有 报警触头信号输出。 此时，控制器自身各种保护特性在一定的时间内 (大约 1h)均正常运行，故障处理不受影响，用户根据实际工作需要可分断断路器或减轻负荷处理，使智能控制器回到正常工作状态。 控制执行电路 智能脱扣器主要目的是能实时处理过载、短路、接地等故障信号，按保护特性要求延时或瞬时控制执行元件分断断路器，从而达到保护目的。 动作执行时，控制器发出脉冲方波．通过线圈的电流产生反向磁通抵消固有磁通，由执行元件中反力弹簧推动铁芯，从而带动断路器控制半袖分断断路器，线路原理见图。 智能脱扣器的设计 8 图 脱口 执行电路 智能型脱扣器的脱扣方式有两种：一种是 CPU 按保护特性对各种故障信号进行处理后，通 过芯片口线发出动作指令。 正常运行情况下， ， U U U3 为低电平，单稳态电路处于稳态，复合管 T 被截止，控制执行元件线圈 Q 无电流通过。 当 发出动作脉冲指令时． U1为脉冲方波输出， U2 随电容 C1 的充电，电平逐步升高，充电时间约 2ms。 脉冲宽度必须大于 2ms，否则信号将被截止。 RC1电路主要用于抗干扰。 一般情况下， 4ms，当 U2＞ U4 时， U3为高电平，单稳态电路被激活，输出 3~6ms 宽度方波触发复合管 T，线圈 Q 接通电流产生反磁通而动作。 CPU 控制信号为闭环设计，脱扣信号发出后，检测执行元件辅助接头，如执行元件未能动作，则CPU 继续发脱扣脉冲直到动作为止。 脱扣的另一种方式称为模拟脱扣，故障电流信号达到一定值时，不经 CPU 处理，直接输出脱扣信号图中 IA、 IB、 IC、 IN电流信号经积分跟随隔离处理后，直接与 U U6比较，由于 R1＝ R2， LM224运放构成反相电路， U5＝ U6，形成正负两个基准电压。 若信号峰值超过正基准或低于负基准，运放均可输出方波，其宽度与信号超过基准的绝对值大小相关。 所有输出方波以或的形式，通过选择开关 K 送脱扣电路。 当信号脉宽超过抗干扰脉宽时，激活单稳态电路并触发复合管 T 使执行元件动作。 模拟脱扣一般作为后备，动作电流为控制器瞬动最大定值，如 50kA 或 75kA。 在模拟脱扣电路中另有一种 MCR 接通分断保护功能， MCR 线路处理方式和模拟脱扣一样．只是动作定值较低，一般为 10kA 左右，在上电时． U7 为低电平，比较器输出 U8智能脱扣器的设计 9 为高电平， T2饱和导通， U5＝ U6＝ U10，合闸瞬间模拟脱扣电路基准较低，达到降低动作值目的。 而当 C2上电平 U7充电到＞ U11基准电压 (约 100ms)， U8为低电平， T2 被截止，此时基准较高。 只有在特大短路电流出现时，模拟控制电路才能起作用。 设计开关K 供用户选择，特别是在随断路器做短延时特性试验时，需关断 K，以防瞬动。 智能脱扣器硬件功能模块介绍 输入模块 输入模块是被检测现场参量的入口通道，也是把被测现场参量转换成可与中央控制模块接口的信息功能部件。 中央控制模块 这是智能监控单元的核心模块，负责处理和分析现场运行参量，以及上级管理中心或现场操作人员给出的操作命令，模块通常都要由中央处理器及必需的外围电路元件组成。 开关量输出模块 该模块接收中央控制模块输出的相应指令，完成对一次电器元件的操作控制，并输出系统要求的各种闭锁信号。 因此，与一般智能化的工业控制设备不同，智能电器监控单元只输出开关量。 为了把中央控制模块输出的这些指令信息可靠地发送到一次设备，输出模块应保证可靠的隔离和足够的驱动能力。 通信模块 通信模块是智能电器能够实现网络功能的关键，用来完成现场智能电器与管理中心上位计算机之间各类信息交换。 他把中央控制模块通过串行通信接口发出的信息，变成可以通过网络介质传送到上位管理计算机的数据；或把上位管 理计算机通过网络介质发给现场智能电器的信息转换成中央控制模块可以接收的数据。 由于不同的现场环境有不同的网络介质和网络类型，通信模块设计芳案也不同。 人机交互模块 对于监控单元与一次开关电器集成一体的智能开关电器，这是可选的一部分。 对于监控单元与开关柜体集成在一起的智能开关设备，这是完成就地设置开关柜功能和保护参数阀值及就地监测运行状态的重要环节。 智能脱扣器的设计 10 中央控制模块设计 中央控制模块是智能电器监控单元的核心，是开关电器完成智能控制和智能操作的关键。 它的基本结构必须是一个完整的微型计算机控制系统 ，包括中央处理器、存放表格和程序的 ROM、存放数据的 RAM，以及连接处理器和各种外部设备的 I/O 接口电路。 为适应智能工业设备的发展，各微处理器和外围电路生产厂商已向市场提供了许多不同的器件，给设计开发各种功能和类型的智能控制设备奠定了良好的基础。 中央控制模块结构设计步骤 决定监控单元控制模块结构的因素主要有两个：要完成的功能和使用的器件。 一般来说，中央控制模块设计的基本步骤如下所述。 1. 分析智能电器对监控单元的功能要求 根据智能电器监控和保护对象的要求，监控单元完成的功能可以分成三类。 ①监控单 元只完成逻辑处理和开关量输出功能。 完成这种功能的监控单元，其输入、输出只有开关（或逻辑）量。 处理器不进行模拟量的采样和处理，只对输入的各种逻辑信号做逻辑运算和判断，并根据判断结果输出相应的操作和闭锁信号。 ②监控单元只完成规定的保护和操作功能。 脱扣器保护功能有三段式和两段式，不需要检测现场参量。 它的保护特性误差范围较宽，但要求高稳定性。 它的过载保护特性可就地选择，瞬时和短延时脱扣电流阀值也能就地设定。 这类监控单元中央控制模块需要完成对被控开关电器工作电流的采样和数值处理，并根据处理结果完成开关电器操作控制。 ③监控单元具有监控对象和一次开关电器的全部监控和保护功能。 所有智能化开关柜的监控单元及馈电开关智能监控单元（ FTU）等都属于这一类型。 这类监控单元要完成对现场的电量、相关的非电量等模拟量的采样、数值处理和显示，还要完成对一次开关设备运行状态的监测，并根据处理和监测结果做出判断，输出相应的报警或操作信号。 2. 根据监控和保护能确定模块的配置 模块配置主要是选择处理器的处理功能；估计程序代码需占用的 ROM 容量，数据缓冲区所需 RAM 的容量；确定 I/O 端口的数量和输出驱动能力。 此外，还应考虑满足处理器对地址译码、地址 锁存、数据传输方向控制、总线驱动能力、复位和基准时钟、与外围芯片的时序配合等要求所需的辅助电路芯片。 3. 确定模块的电路结构 在了解中央处理模块要完成的功能并确定了模块基本配置的基础上，还需综合监控单元能分配给模块的物理空间和允许的监控单元成本，正确选择模块的电路结构。 当前，智能脱扣器的设计 11 在智能监控单元中常见的中央控制模块电路结构有单处理器、单处理器单芯片、单处理器双芯片和多处理器结构。 图 单处理器多芯片结构的中央控制模块电路示意图 ①单处理器多芯片结构。 这是使用最普遍的结构，处理器、存储器（ ROM， RAM）、I/O 接口电路各自都是独立的集成电路芯片，所有电路芯片都通过内部总线连接。 图 3– 1 所示。 采用这种结构，不需要处理器有片内存储器和足够数量的 I/O 端口，价格较低。 采用低价的独立 EOROM， EEPROM 作为存储器，修改方便，各种芯片配置比较灵活。 但由于芯片数量多， PCB 板上连线数量大，给步线和电磁兼容性设计带来很多困难。 这种结构用在监控单元开发阶段比较合适。 此外，中央处理器带有在片存储器和 I/O 接口，存储器容量和 I/O 数量不够时，应选择这种结构，以便扩展存储器容量和 I/O 端口数量。 ②单处理器单芯片结构。 采用这种 结构的中央控制模块，其处理器带有满足程序和数据存放要求的在片存储器及足够数量的 I/O 端口，因此模块中只有处理器和必要的辅助电路元件。 可以把供电电源、输入通道全部集成在一块 PCB 板上，其体积小，价格低，但只能完成比较简单的功能。 ③单处理器双芯片结构。 这是近年来发展起来的一种电路结构，由中央处理器和一片高性能的可编程外围系统器件 PSD 芯片组成。 芯片中有 32~64KB EPROM， 2KB SRAM，最多可提供 40 位 I/O 引脚。 此外，这类芯片具有可编程逻辑器件 PLD 阵列，通过对内部逻辑项编程，完成地址译码、地址锁 存等功能。 采用这类外围接口芯片组成的双片结构电路，可以取代单处理器多芯片结构电路，大大简化中央控制模块 PCB 板的步线设计，减小 PCB 板面积，有利于提高模块的抗干扰能。