【文章內(nèi)容簡介】 源電路 各種工作電源突加、控制、形成電 路 執(zhí)行元件 執(zhí)行電路 模擬脫扣和 MCR 電路 多路信號處理電子開關(guān)選通電路 復(fù)位電 路 CPU A/DEPROM A/D 基準 E178。ROM 晶振 顯示鍵盤 遠端信號報警觸電 環(huán)境溫度檢測 串行通訊口 AC380V/400V220V/230V DC220V 110V 24V 智能脫扣器的設(shè)計 5 較小電流運行狀態(tài)時控制器不能工作。為此，設(shè)計了另一路輔助電源電路，由變壓器或直 流外接逆變電源提供工作電源，便于用戶對智能控制器在所配斷路器運行前進行參數(shù)整定、功能檢查、試驗等；另外，在斷路器故障分斷后，亦可實現(xiàn)各種故障狀態(tài)指示、報警觸點輸出等輔助功能；同時便于上位機隨時與各種接口子站進行通信。電源處理部分早期設(shè)計采用開關(guān)電源，由于其工作頻率較高，電解電容工作壽命短，一般情況下開關(guān)電源的使用壽命相對較短。但在直流情況下只能采用開關(guān)電源方式，并采用外接方式可由用戶更換。智能型脫扣器 ? 5V 工作電源采用突加電路，當工作電壓升到 時打開 ? 5V 生成電路，低于 時關(guān)斷，較寬范圍的電壓值可保證 ? 5v 電源快速生成和穩(wěn)定，從而保證了 CPU 的可靠工作。整個系統(tǒng)的工作電源利用場效應(yīng)管收，達林頓管作為電子開關(guān)，控制系統(tǒng)總工作電壓不超過 30V，性能比較穩(wěn)定。電源部分的結(jié)構(gòu)框圖見圖 圖 電源結(jié)構(gòu)框圖 信號采集處理電源 信號采集處理原理框圖見圖 。 智能型脫扣器的信號取于套在母線上的空芯互感器的二次輸出。其感應(yīng)的二次電流輸出與一次母線電流的微分 成正比。進入控制器信號處理電路，首先進行積分處理，使二次感應(yīng)信號與一次母線電流成正比?？招净ジ衅饔捎跓o鐵芯，具有較好的線性范圍，感應(yīng)信號適用于 CPU 處理?？紤]到一次回路電流高達 50kA/75kA，進入 A/D 轉(zhuǎn)換的電流信號范圍較大，為了提高精度和采樣分辨率，把信號分為小信號和大信號兩組，對于小信號利用硬件電路進行放大處理，而大信號直接輸入。接地電流信號一般較小，需經(jīng)放大處理，其取樣方式有兩種： 一種方式為測量中線電流，直接取三極電流信號矢量和 ?N＝ ?A+?B+?C。正常運行情智能脫扣器的設(shè)計 6 況下，系統(tǒng)平衡， ?A+?B+?C＝ 0；在系統(tǒng)不平衡時或接地故障情況下，矢量和不等于零，取出此電流信號作為中線保護電流信號。這種方式不能區(qū)分系統(tǒng)不平衡電流和接地故障電流。 另一種方式為測量接地電流。接地信號取于中線互感器信號 I?L與三極電流信號矢量和 ?A+?B+?C?L=?G， ?G僅與接地電流有關(guān)而與中線電流無關(guān)，此電流可作為接地電流的保護信號。 上述兩種方式可由用戶選擇。 A、 B、 C 三相大信號、三相小信號和接地漏電信號共 7 路輸入經(jīng)處理送多路電子開關(guān)，通過 CPU 控制電子開關(guān)選通所需的各路信號。 7 路信號采樣處理周期為 。瞬動短路故 障采用峰值采樣，考慮抗尖峰干擾，信號處理時間為雙周期 1ms，最長捕捉到故障信號的時間為 5ms，硬件抗干擾 2~3ms，這樣，總體上瞬動處理到執(zhí)行時間為 7~8ms，短路故障電流較大時瞬動處理較快。一般過載長延時、過流短延時、單相接地等故障信號采用有效值處理，以 20ms 為一個處理周期，受電網(wǎng)信號變化、陶變諧波等影響較小，在電機保護中可避開起動過程中波形畸變，實施可靠保護。 圖 信號采集原理圖 顯示和鍵盤電路 智能脫扣器采用數(shù)碼顯示，發(fā)光管指示方式對各種狀態(tài)和數(shù)值進行指示和顯示，同時采用按鍵方式進 行整定、試驗、檢測等。早期顯示曾采用液晶方案，由于液晶顯示在高溫和振動情況下 容易損壞，特別是在部分現(xiàn)場環(huán)境較暗時．控制器是否正常運行不便監(jiān)察。但采用數(shù)碼管又帶來增加能耗問題較難解決，原方案中 5V 負載約 150mA 電流，5V 只需 20mA 左右。約 100mA 能量只能通過吸收電路吸收。 ST 智能控制器在設(shè)計上智能脫扣器的設(shè)計 7 進行了改進，充分利用這部分空余能量，使數(shù)碼管和指示訂工作在 5V 狀態(tài)中，從而解決了整機功耗問題，在現(xiàn)場使用不僅直觀、清晰，且不受環(huán)境影響。鍵盤部分采用按鍵方式．對顯示和鍵盤均采用動態(tài)掃描， 循環(huán)一次，通過 INT1中斷口線識別鍵中斷，并進行實時處理中斷子程序。 自診斷檢測電路 智能脫扣器可檢測環(huán)境溫度，并發(fā)出報警信號，其原理見圖 。 圖 電路檢測與報警系統(tǒng) CPU一根檢測口線，其正常輸出為周期 、占空比 1： 1的方波信號。正常情況下，脈沖信號通過溫度繼電器常閉觸頭輸入到比較器 T1，當輸入 U1為低電平， U2為高電平時， CPU認為狀態(tài)正常，當環(huán)境溫度超過 80℃ +5℃時，溫度繼電器由常閉變?yōu)槌ｉ_，比較器輸出 U1為高電平， U2為低電平， CPU控制數(shù)碼管顯示 “E”字樣告警，同時有 報警觸頭信號輸出。此時，控制器自身各種保護特性在一定的時間內(nèi) (大約 1h)均正常運行，故障處理不受影響，用戶根據(jù)實際工作需要可分斷斷路器或減輕負荷處理，使智能控制器回到正常工作狀態(tài)。 控制執(zhí)行電路 智能脫扣器主要目的是能實時處理過載、短路、接地等故障信號，按保護特性要求延時或瞬時控制執(zhí)行元件分斷斷路器，從而達到保護目的。動作執(zhí)行時，控制器發(fā)出脈沖方波．通過線圈的電流產(chǎn)生反向磁通抵消固有磁通，由執(zhí)行元件中反力彈簧推動鐵芯，從而帶動斷路器控制半袖分斷斷路器，線路原理見圖 。 智能脫扣器的設(shè)計 8 圖 脫口 執(zhí)行電路 智能型脫扣器的脫扣方式有兩種：一種是 CPU 按保護特性對各種故障信號進行處理后，通 過芯片口線發(fā)出動作指令。正常運行情況下， ， U U U3 為低電平，單穩(wěn)態(tài)電路處于穩(wěn)態(tài)，復(fù)合管 T 被截止，控制執(zhí)行元件線圈 Q 無電流通過。當 發(fā)出動作脈沖指令時． U1為脈沖方波輸出， U2 隨電容 C1 的充電，電平逐步升高，充電時間約 2ms。 脈沖寬度必須大于 2ms，否則信號將被截止。 RC1電路主要用于抗干擾。一般情況下， 4ms，當 U2＞ U4 時， U3為高電平，單穩(wěn)態(tài)電路被激活，輸出 3~6ms 寬度方波觸發(fā)復(fù)合管 T，線圈 Q 接通電流產(chǎn)生反磁通而動作。 CPU 控制信號為閉環(huán)設(shè)計，脫扣信號發(fā)出后，檢測執(zhí)行元件輔助接頭，如執(zhí)行元件未能動作，則CPU 繼續(xù)發(fā)脫扣脈沖直到動作為止。脫扣的另一種方式稱為模擬脫扣，故障電流信號達到一定值時，不經(jīng) CPU 處理，直接輸出脫扣信號圖中 IA、 IB、 IC、 IN電流信號經(jīng)積分跟隨隔離處理后，直接與 U U6比較，由于 R1＝ R2， LM224運放構(gòu)成反相電路， U5＝ U6，形成正負兩個基準電壓。若信號峰值超過正基準或低于負基準，運放均可輸出方波，其寬度與信號超過基準的絕對值大小相關(guān) 。所有輸出方波以或的形式，通過選擇開關(guān) K 送脫扣電路。當信號脈寬超過抗干擾脈寬時，激活單穩(wěn)態(tài)電路并觸發(fā)復(fù)合管 T 使執(zhí)行元件動作。模擬脫扣一般作為后備，動作電流為控制器瞬動最大定值，如 50kA 或 75kA。在模擬脫扣電路中另有一種 MCR 接通分斷保護功能， MCR 線路處理方式和模擬脫扣一樣．只是動作定值較低，一般為 10kA 左右，在上電時． U7 為低電平，比較器輸出 U8智能脫扣器的設(shè)計 9 為高電平， T2飽和導(dǎo)通， U5＝ U6＝ U10，合閘瞬間模擬脫扣電路基準較低，達到降低動作值目的。而當 C2上電平 U7充電到＞ U11基準電壓 (約 100ms)， U8為低電平， T2 被截止，此時基準較高。只有在特大短路電流出現(xiàn)時，模擬控制電路才能起作用。設(shè)計開關(guān)K 供用戶選擇，特別是在隨斷路器做短延時特性試驗時，需關(guān)斷 K，以防瞬動。 智能脫扣器硬件功能模塊介紹 輸入模塊 輸入模塊是被檢測現(xiàn)場參量的入口通道，也是把被測現(xiàn)場參量轉(zhuǎn)換成可與中央控制模塊接口的信息功能部件。 中央控制模塊 這是智能監(jiān)控單元的核心模塊，負責(zé)處理和分析現(xiàn)場運行參量，以及上級管理中心或現(xiàn)場操作人員給出的操作命令，模塊通常都要由中央處理器及必需的外圍電路元件組成。 開關(guān)量輸出模塊 該模塊接收中央控制模塊輸出的相應(yīng)指令，完成對一次電器元件的操作控制，并輸出系統(tǒng)要求的各種閉鎖信號。因此，與一般智能化的工業(yè)控制設(shè)備不同，智能電器監(jiān)控單元只輸出開關(guān)量。為了把中央控制模塊輸出的這些指令信息可靠地發(fā)送到一次設(shè)備，輸出模塊應(yīng)保證可靠的隔離和足夠的驅(qū)動能力。 通信模塊 通信模塊是智能電器能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵，用來完成現(xiàn)場智能電器與管理中心上位計算機之間各類信息交換。他把中央控制模塊通過串行通信接口發(fā)出的信息，變成可以通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳送到上位管理計算機的數(shù)據(jù)；或把上位管 理計算機通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)發(fā)給現(xiàn)場智能電器的信息轉(zhuǎn)換成中央控制模塊可以接收的數(shù)據(jù)。由于不同的現(xiàn)場環(huán)境有不同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)類型，通信模塊設(shè)計芳案也不同。 人機交互模塊 對于監(jiān)控單元與一次開關(guān)電器集成一體的智能開關(guān)電器，這是可選的一部分。對于監(jiān)控單元與開關(guān)柜體集成在一起的智能開關(guān)設(shè)備，這是完成就地設(shè)置開關(guān)柜功能和保護參數(shù)閥值及就地監(jiān)測運行狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)。 智能脫扣器的設(shè)計 10 中央控制模塊設(shè)計 中央控制模塊是智能電器監(jiān)控單元的核心，是開關(guān)電器完成智能控制和智能操作的關(guān)鍵。它的基本結(jié)構(gòu)必須是一個完整的微型計算機控制系統(tǒng) ，包括中央處理器、存放表格和程序的 ROM、存放數(shù)據(jù)的 RAM，以及連接處理器和各種外部設(shè)備的 I/O 接口電路。為適應(yīng)智能工業(yè)設(shè)備的發(fā)展，各微處理器和外圍電路生產(chǎn)廠商已向市場提供了許多不同的器件，給設(shè)計開發(fā)各種功能和類型的智能控制設(shè)備奠定了良好的基礎(chǔ)。 中央控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟 決定監(jiān)控單元控制模塊結(jié)構(gòu)的因素主要有兩個：要完成的功能和使用的器件。一般來說，中央控制模塊設(shè)計的基本步驟如下所述。 1. 分析智能電器對監(jiān)控單元的功能要求 根據(jù)智能電器監(jiān)控和保護對象的要求，監(jiān)控單元完成的功能可以分成三類。 ①監(jiān)控單 元只完成邏輯處理和開關(guān)量輸出功能。完成這種功能的監(jiān)控單元，其輸入、輸出只有開關(guān)（或邏輯）量。處理器不進行模擬量的采樣和處理，只對輸入的各種邏輯信號做邏輯運算和判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出相應(yīng)的操作和閉鎖信號。 ②監(jiān)控單元只完成規(guī)定的保護和操作功能。脫扣器保護功能有三段式和兩段式，不需要檢測現(xiàn)場參量。它的保護特性誤差范圍較寬，但要求高穩(wěn)定性。它的過載保護特性可就地選擇，瞬時和短延時脫扣電流閥值也能就地設(shè)定。這類監(jiān)控單元中央控制模塊需要完成對被控開關(guān)電器工作電流的采樣和數(shù)值處理，并根據(jù)處理結(jié)果完成開關(guān)電器操作控制。 ③監(jiān)控單元具有監(jiān)控對象和一次開關(guān)電器的全部監(jiān)控和保護功能。所有智能化開關(guān)柜的監(jiān)控單元及饋電開關(guān)智能監(jiān)控單元（ FTU）等都屬于這一類型。這類監(jiān)控單元要完成對現(xiàn)場的電量、相關(guān)的非電量等模擬量的采樣、數(shù)值處理和顯示，還要完成對一次開關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，并根據(jù)處理和監(jiān)測結(jié)果做出判斷，輸出相應(yīng)的報警或操作信號。 2. 根據(jù)監(jiān)控和保護能確定模塊的配置 模塊配置主要是選擇處理器的處理功能；估計程序代碼需占用的 ROM 容量，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)所需 RAM 的容量；確定 I/O 端口的數(shù)量和輸出驅(qū)動能力。此外，還應(yīng)考慮滿足處理器對地址譯碼、地址 鎖存、數(shù)據(jù)傳輸方向控制、總線驅(qū)動能力、復(fù)位和基準時鐘、與外圍芯片的時序配合等要求所需的輔助電路芯片。 3. 確定模塊的電路結(jié)構(gòu) 在了解中央處理模塊要完成的功能并確定了模塊基本配置的基礎(chǔ)上，還需綜合監(jiān)控單元能分配給模塊的物理空間和允許的監(jiān)控單元成本，正確選擇模塊的電路結(jié)構(gòu)。當前，智能脫扣器的設(shè)計 11 在智能監(jiān)控單元中常見的中央控制模塊電路結(jié)構(gòu)有單處理器、單處理器單芯片、單處理器雙芯片和多處理器結(jié)構(gòu)。 圖 單處理器多芯片結(jié)構(gòu)的中央控制模塊電路示意圖 ①單處理器多芯片結(jié)構(gòu)。這是使用最普遍的結(jié)構(gòu)，處理器、存儲器（ ROM， RAM）、I/O 接口電路各自都是獨立的集成電路芯片，所有電路芯片都通過內(nèi)部總線連接。圖 3– 1 所示。采用這種結(jié)構(gòu)，不需要處理器有片內(nèi)存儲器和足夠數(shù)量的 I/O 端口，價格較低。采用低價的獨立 EOROM， EEPROM 作為存儲器，修改方便，各種芯片配置比較靈活。但由于芯片數(shù)量多， PCB 板上連線數(shù)量大，給步線和電磁兼容性設(shè)計帶來很多困難。這種結(jié)構(gòu)用在監(jiān)控單元開發(fā)階段比較合適。此外，中央處理器帶有在片存儲器和 I/O 接口，存儲器容量和 I/O 數(shù)量不夠時，應(yīng)選擇這種結(jié)構(gòu)，以便擴展存儲器容量和 I/O 端口數(shù)量。 ②單處理器單芯片結(jié)構(gòu)。采用這種 結(jié)構(gòu)的中央控制模塊，其處理器帶有滿足程序和數(shù)據(jù)存放要求的在片存儲器及足夠數(shù)量的 I/O 端口，因此模塊中只有處理器和必要的輔助電路元件?？梢园压╇婋娫?、輸入通道全部集成在一塊 PCB 板上，其體積小，價格低，但只能完成比較簡單的功能。 ③單處理器雙芯片結(jié)構(gòu)。這是近年來發(fā)展起來的一種電路結(jié)構(gòu)，由中央處理器和一片高性能的可編程外圍系統(tǒng)器件 PSD 芯片組成。芯片中有 32~64KB EPROM， 2KB SRAM，最多可提供 40 位 I/O 引腳。此外，這類芯片具有可編程邏輯器件 PLD 陣列，通過對內(nèi)部邏輯項編程，完成地址譯碼、地址鎖 存等功能。采用這類外圍接口芯片組成的雙片結(jié)構(gòu)電路，可以取代單處理器多芯片結(jié)構(gòu)電路，大大簡化中央控制模塊 PCB 板的步線設(shè)計，減小 PCB 板面積，有利于提高模塊的抗干擾能