CN104270890B - 基于模块化设计的电力系统通用电量信号保护板 - Google Patents

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Abstract

一种基于模块化设计的电力系统通用电量信号保护板，属于电力系统电力变换控制系统中电压、电流的过量信号保护电路技术领域。包括信号输入跳线单元、核心保护模块单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元、底板；信号输入跳线单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元直接设计在底板上，核心保护模块通过插座与底板相连。输入信号通过信号输入跳线单元，将采集的监视信号传递给核心保护模块单元，经过对信号的逻辑处理，核心保护模块单元再通过信号输出跳线单元，将故障信号通过信号隔离电路单元隔离和滤波后输出。优点是通过对核心电路的设计和配置，最大程度地实现了保护电路良好的通用性、选择性和灵活性。

Description

基于模块化设计的电力系统通用电量信号保护板
技术领域
本发明属于电力系统电力变换控制系统中电压、电流的过量信号保护电路技术领域，特别是涉及一种基于模块化设计的电力系统通用电量信号保护板。将一般设计中采用的复杂而不可灵活配置的信号保护电路设计为通用型保护电路。将一般设计中重复设计的关键保护电路设计为独立的核心保护单元模块(单块小型PCB)，兼容单、双极性电量信号保护；而将采样信号输入、保护信号组合输出、电源等外围电路设计为保护底板，核心保护单元模块通过插针连接到保护底板，可根据电压、电流保护量的多少选择核心保护单元模块的数量，这种“核心保护单元模块+保护底板”的设计方法，减少了保护电路的设计难度，减少PCB层数，可以缩短电路板的开发周期。该设计的最大优点是通过对核心电路的设计和配置，最大程度地实现了保护电路良好的通用性、选择性和灵活性。
背景技术
在电力变换、变流驱动、开关电源等应用中，为实现电力电子开关器件的过压、过流保护，需要在驱动控制系统中设计完善的保护电路。因为电路拓扑和开关器件数量的不同，保护电路的保护参量、保护路数不尽相同，需要根据具体要求有针对性地设计。目前，随着一次电路中新型拓扑的出现和器件数量的增加，保护电路设计也越来越复杂，尤其是需要对多路信号进行保护的电路，在PCB制板时需要更多的元件，进而增加了布局和布线的难度，PCB制板的成本也越来越高；而且，在对电路进行局部优化和二次开发时，往往需要重新设计整个电路和PCB板，延长了研发周期，增加了PCB制作成本；在局部芯片烧坏进行更换时，本来只需要对该芯片进行更换，而电路板上芯片的外围接口电路不需要变动情况时，但是由于该芯片与整个电路板焊接固定在一起，还是需要对整个电路板进行更换。本设计对当前保护设计中关键电路和外围分开设计，构成“核心保护单元模块+保护底板”保护电路方案，在实际应用时可根据需要选配核心保护单元模块，并且可以通过保护底板上跳线实现各路保护信号的逻辑组合，从而在降低设计难度的基础上，大大提高保护电路的灵活性和模块化程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模块化设计的电力系统通用电量信号保护板，将复杂电量信号保护电路板的关键保护电路进行模块化和通用化设计，单独设计成模块化的小型PCB板，以减小底板布局空间和走线难度，并在保护底板上采用跳线的方法，实现各路保护信号的逻辑组合和输出，使得保护信号可以交叉使用部分电路和便于测试，提高保护电路设计的简单性、配置的灵活性和使用的通用性。
本发明根据电力系统电量保护电路的整体电路结构和处理信号的功能，对整个保护板进行区域划分；包括信号输入跳线单元、核心保护模块单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元、底板；信号输入跳线单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元直接设计在底板上，核心保护模块通过插座与底板相连。输入信号通过信号输入跳线单元，将采集的监视信号传递给核心保护模块单元，经过对信号的逻辑处理，核心保护模块单元再通过信号输出跳线单元，将故障信号通过信号隔离电路单元隔离和滤波后输出。
信号输入跳线单元包括左右2列插排，每列插排都由4个3引脚的插排组成，左侧插排依次与输入电量信号相连，右侧插排与核心保护单元模块相连，并固定在底板上。输入12路电量信号为通过霍尔传感器采集电力系统主回路中的电压和电流模拟信号，并通过跳线的方式，将12路电量灵活地输入到与核心保护底板相连的插排。霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。
核心保护模块单元由4个完全相同的保护单元模块组成，各模块均包括过量保护逻辑电路和参考电压阈值设定电路两部分，参考电压阈值设定电路为过量保护逻辑电路提供参考电压；核心保护模块单元配置3个7引脚的插排，作为小板与底板连接的媒介，分别为输入插排、输出插排和接地插排。并将信号输入插排的引脚分为2路单极性和3路双极性信号输入引脚。
过量保护逻辑电路包括不控整流电路、直流分压电路、滤波电路和电压比较电路。不控整流电路由6个二极管1N4148构成共阴极全桥整流电路，当输入双极性信号时，先通过不控整流电路转换为直流信号，输入输出的关系为：Ud＝2.34*Ui，经整流后的直流信号经过2个金属膜电阻分压后，再通过电压比较器LM311与设定的参考电压阈值进行比较，最后输出故障信号。当输入单极性信号时，则将输入信号直接接入直流分压电路，通过电压比较器与参考电压进行比较，输出故障信号。
参考电压阈值设定电路由底板提供±15V电压，并采用稳压二极管ZMM10将阈值设置范围分别维持在0V～+10V和－10V～0V之间，同时为了保证被保护信号判断的正确性，采用高精度、耐高压的精密电位器3224W-1-103E调节保护阈值参考电平的大小。
信号输出跳线单元，亦包括左右两列插排，每列插排都有4个4引脚的插排组成，左侧插排一次与保护单元模块相连，右侧插排与光耦隔离电路相连。保护单元模块处理后输出至底板和左侧插排的故障信号，通过跳线和右侧插排进入任意一路光耦隔离电路，从而实现功能强大的保护逻辑。
信号光耦隔离电路单元包括4路光耦隔离电路和滤波电路，光耦隔离电路采用高速光耦合器6N137，防止低压控制电路与外部高压电路之间的串扰，滤波电路为一阶RC电路。
所述核心保护单元模块，输入插排的1和7引脚作为直流信号输入，3、4、5引脚作为交流信号输入，2和6引脚作为接地和隔离交直流的引脚；输出插排的1、4引脚作为±15V电源引脚，2、3引脚接地，5为输出引脚，剩余引脚可悬空。
所述电量信号保护板，除了核心保护模块单元外，核心保护模块所需要的信号输入和输出、电源，以及信号隔离电路等外围电路，均设计在保护底板上，核心保护单元通过7引脚的插排与底板上设置的底座任意插接。由于底板元器件较多，为了焊接方便，采用直插式；而核心保护单元模块的器件采用贴片式，以减小电路板大小。
有益效果：
本发明不仅能够满足对单、双极性电量保护信号进行监测保护的功能，还可以最大程度保证各部分电路的利用率，大大提高了处理电路的灵活性和安全性，并降低了复杂PCB板的布局难度，减少了制板层数和费用，缩短了产品二次开发的周期，避免重复设计。
附图说明
图1是本发明的保护板整体结构图。
图2是本发明的保护单元模块小板电路原理图。
图3是本发明的保护单元模块与保护底板的连接示意图。
图4是本发明的保护单元模块输入信号跳线示意图。
图5是本发明的保护单元模块输出信号跳线示意图。
图1中U1ABC、U2ABC.三相电压，I1ABC、I2ABC.三相电流，J1～J8.三脚插排，J9～J16.四脚插排，OVOUT1～OVOUT4.保护单元模块输出量，/OVA1、/OVA2、/OVB1、/OVB2.保护板输出量。
图2中R1～R14.普通电阻，R15、R16.可调电阻，D1～D6.二极管，D7、D8.稳压二极管，C1～C4.陶瓷电容，U1、U2.过量保护模块，J1～J3.七脚插排，TP1～TP4.测试点，+REF.正参考电平，-REF.负参考电平。
具体实施方式
本发明根据电力系统电量保护电路的整体电路结构和处理信号的功能，对整个保护板进行区域划分；包括信号输入跳线单元、核心保护模块单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元、底板；信号输入跳线单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元直接设计在底板上，核心保护模块通过插座与底板相连。输入信号通过信号输入跳线单元，将采集的监视信号传递给核心保护模块单元，经过对信号的逻辑处理，核心保护模块单元再通过信号输出跳线单元，将故障信号通过信号隔离电路单元隔离和滤波后输出。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
1、按照功能和结构特点将该保护电路板划分为四个区域，如图1所示，分别为信号输入、保护单元、信号隔离电路、信号输出。本次设计输入4路三相电，即U1ABC、I1ABC、U2ABC、I2ABC；所以将需要模块化的、使用元器件较多的电路部分设计为4个过量保护单元模块(Ovprotect Module)；为了防止低压控制电路与外部高压电路之间的干扰，设计了与过量保护模块相对应的4路光耦隔离和滤波电路，由于该部分使用器件多为集成电路，占用空间大，所以不再设计为模块化的小电路板，而直接设计在底板上。
2、如图2所示，对模块化的过量保护单元模块进行设计：为了整体的对称性和信号的可靠性，这4个模块化小板的插接管脚均采用3个7引脚的插排，J1作为信号输入插排，J2作为电源和输出插排，J3作为固定和抗干扰接地插排；并将过量保护单元模块分为过量保护逻辑电路和保护阈值设定电路。
2.1、对于过量保护逻辑电路，采用二极管1N4148构成不控整流电路，并与电压比较电路相结合的方法，通过输入通道的切换实现兼容交流和直流信号过量检测的功能。即交流信号可以从J1的3、4、5引脚进入，先通过三相不控整流将交流信号变为直流，再经过电阻分压，经电压比较器LM311与设定的参考电压值进行比较，最后输出过量电压信号到J2的引脚5；若输入为直流信号，则从J1的1、7引脚输入，越过整流电路直接进入电压比较环节，输出过量信号。
2.2、保护阈值设定电路中，采用稳压二极管ZMM10将阈值设置范围维持在0V～+10V和－10V～0V之间，同时为了保证被保护信号判断的正确性，采用高精度、耐高压的精密电位器3224W-1-103E调节保护阈值电平的大小；当被保护信号电平超过设定的阈值电平时，比较器输出低电平；当被保护信号电平下降到低于阈值电平后，撤销过量信号。
3、对于底板的设计，如图3所示，核心保护单元模块通过插针任意插在底板上(各模块化小板可以互换)，并由底板提供模块化小板需要的电量输入信号、±15V电源信号，与光耦隔离和滤波电路一起构成整个保护电路板，为了最大程度上降低整板的焊接难度和缩小模块化的电路板的面积，小板上的元器件可采用表贴式，底板上的元器件可采用直插式。
4、对核心保护单元模块的输入和输出信号跳线的设计如下：被监测的保护信号从左侧输入，即U1ABC、I1ABC、U2ABC、I2ABC，通过跳线可以进入任意一个过量保护模块进行处理，为增加信号处理的灵活性，每排插针可设计为3个管脚，如图3所示。由四个保护单元模块输出的四个过量信号(OVOUT1、OVOUT2、OVOUT3、OVOUT4)到J9、J10、J11、J12，亦可经插针排跳线进入任一路滤波和光耦隔离电路。底板上用于每个保护单元模块输出跳线的插针排和用于光电隔离电路输入跳线的插针排的插针数可设计为多个(如设计为4个)，这样任何一个保护单元模块的输出可配置到一个或多个光电隔离电路，而任何一个光电隔离电路又可以接受一个或多个保护单元模块的输出信号，如图4所示，最后输出保护信号/OVA1、/OVA2、/OVB1、/OVB；这样大大提高了保护信号的组合逻辑，可以实现复杂而灵活的保护功能。

Claims (4)

1.一种基于模块化设计的电力系统通用电量信号保护板，其特征在于，包括信号输入跳线单元、核心保护模块单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元、底板；信号输入跳线单元、信号隔离电路单元、信号输出跳线单元直接设计在底板上，核心保护模块通过插座与底板相连；输入信号通过信号输入跳线单元，将采集的监视信号传递给核心保护模块单元，经过对信号的逻辑处理，核心保护模块单元再通过信号输出跳线单元，将故障信号通过信号隔离电路单元隔离和滤波后输出；
所述的信号输入跳线单元包括左右2列插排，每列插排都由4个3引脚的插排组成，左侧插排依次与输入电量信号相连，右侧插排与核心保护单元模块相连，并固定在底板上；输入12路电量信号为通过霍尔传感器采集电力系统主回路中的电压和电流模拟信号，并通过跳线的方式，将12路电量灵活地输入到与核心保护底板相连的插排；霍尔电压传感器型号为LV28-P，霍尔电流传感器是LA100-P。
2.根据权利要求1所述的保护板，其特征在于，所述的核心保护模块单元由4个完全相同的保护单元模块组成，各模块均包括过量保护逻辑电路和参考电压阈值设定电路两部分，参考电压阈值设定电路为过量保护逻辑电路提供参考电压；核心保护模块单元配置3个7引脚的插排，作为小板与底板连接的媒介，分别为输入插排、输出插排和接地插排，并将信号输入插排的引脚分为2路单极性和3路双极性信号输入引脚。
3.根据权利要求2所述的保护板，其特征在于，所述的过量保护逻辑电路包括不控整流电路、直流分压电路、滤波电路和电压比较电路；不控整流电路由6个二极管1N4148构成共阴极全桥整流电路，当输入双极性信号时，先通过不控整流电路转换为直流信号，输入输出的关系为：Ud＝2.34*Ui，经整流后的直流信号经过2个陶瓷电阻分压后，再通过电压比较器LM311与设定的参考电压阈值进行比较，最后输出故障信号；当输入单极性信号时，则将输入信号直接接入直流分压电路，通过电压比较器与参考电压进行比较，输出故障信号；
参考电压阈值设定电路由底板提供±15V电压，并采用稳压二极管ZMM10将阈值设置范围分别维持在0V～+10V和－10V～0V之间，同时为了保证被保护信号判断的正确性，采用高精度、耐高压的精密电位器3224W-1-103E调节保护阈值参考电平的大小。
4.根据权利要求1所述的保护板，其特征在于，所述的信号输出跳线单元，亦包括左右两列插排，每列插排都有4个4引脚的插排组成，左侧插排一次与保护单元模块相连，右侧插排与光耦隔离电路相连；保护单元模块处理后输出至底板和左侧插排的故障信号，通过跳线和右侧插排进入任意一路光耦隔离电路；
信号光耦隔离电路单元包括4路光耦隔离电路和滤波电路，光耦隔离电路采用高速光耦合器6N137，防止低压控制电路与外部高压电路之间的串扰，滤波电路为一阶RC电路；
所述核心保护单元模块，输入插排的1和7引脚作为直流信号输入，3、4、5引脚作为交流信号输入，2和6引脚作为接地和隔离交直流的引脚；输出插排的1、4引脚作为±15V电源引脚，2、3引脚接地，5为输出引脚，剩余引脚悬空；
所述电量信号保护板，除了核心保护模块单元外，核心保护模块所需要的信号输入和输出、电源，以及信号隔离电路外围电路，均设计在保护底板上，核心保护单元通过7引脚的插排与底板上设置的底座任意插接。
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