CN1598989A - 混合式电力电子断路器测控装置 - Google Patents

Abstract

混合式电力电子断路器测控装置涉及一种混合式电力电子断路器测控装置，主控装置由霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、A/D采样电路、交流信号过零检测电路、数字信号处理器、可编程逻辑控制器和开入开出量电路组成，电压电流信号经霍尔电压电流传感器转换后，输至A/D采样电路，采样后的结果由数字信号处理器来读取；可编程逻辑控制器控制数字信号处理器及A/D采样电路，驱动装置由驱动模块和可编程逻辑控制模块组成，可编程逻辑控制模块将驱动信号输至驱动模块；驱动模块将过流保护自锁信号输至可编程逻辑控制模块，可编程逻辑控制模块将过流软关断信号输至驱动模块，主控装置将控制信号输至驱动装置的可编程逻辑控制模块。

Description

混合式电力电子断路器测控装置

                              技术领域

本发明属于电力输配电设备领域，涉及一种混合式电力电子断路器测控装置。

                              背景技术

电力系统的迅速发展使其面临新问题和挑战，为了迎接挑战必需要寻找可以大幅提高断路器动作速度的技术。国外学者目前提出了一种新型的混合式功率控制器，它是在电磁开关的基础上，利用电力电子器件作为无触头开关与电磁开关的触头并联，由电磁开关承担稳态过程，而无触头开关解决开关的动态过程，两者形成优势互补。而为了能够真正有效的实现对该类断路器的控制就必需要设计可以实现能够快速的准确的对断路器的主电路的交流信号实现采集和数据处理，及时的判定故障的发生，同时要能够对混合式断路器的机械断路器和电力电子静态开关实现正确的控制，以及要能够对电力电子静态开关提供驱动和保护的断路器的测控装置。

                                发明内容

本发明提供一种能够缩短断路器分断时间的混合式电力电子断路器测控装置。

本发明采用如下技术方案：

一种属于电力输配电设备的混合式电力电子断路器测控装置，由主控装置1和驱动装置2组成，其特征在于主控装置由霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、A/D采样电路11、交流信号过零检测电路12、数字信号处理器13、用于产生控制信号的可编程逻辑控制器15和开入开出量电路16组成，主电路的电压、电流信号经过霍尔电压、电流传感器转换后，输出接至A/D采样电路，经过A/D采样后，将结果放在数据线由数字信号处理器13芯片来读取；可编程逻辑控制器15产生控制信号来控制数字信号处理器13及A/D采样电路11，驱动装置由驱动模块21和可编程逻辑控制模块22组成，可编程逻辑控制模块22将驱动信号输至驱动模块21；驱动模块22将过流保护自锁信号输至可编程逻辑控制模块22，可编程逻辑控制模块22将过流软关断信号输至驱动模块，主控装置将可编程逻辑控制器15产生的控制信号输至驱动装置的可编程逻辑控制模块22。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明利用了TMS320F240芯片强大的数据处理能力，配以高速的A/D采样芯片AD976A和霍尔传感器，可以对混合式电力电子断路器主电路中的交流信号进行实时采集和处理，可以缩短断路器的开断时间，同时可以提供对断路器的保护。

(2)本发明配以方便的液晶显示和键盘接口以及通讯模块，可以实现友好的人机接口功能和即使的数据交换功能，方便的实现该装置和上位机之间的通讯。

(3)本发明采用改进后的EXB841驱动电路对IGBT进行驱动能够缩短保护盲区的时间、改善过流保护的起控点，能够实现更加可靠、稳定的驱动。

(4)本发明采用CPLD构建逻辑控制电路，由于CPLD的可擦写性，使得控制逻辑的调整变得非常灵活，不需要对其硬件电路进行重新设计。该装置采用以CPLD和有源晶振为主要元件来构成数字化的过流保护自锁电路。因为CPLD的延时一般在纳秒级，有源晶振的频率也很稳定，故能够设计出延时非常精确的过流保护自锁电路。

                                附图说明

图1是混合式电力电子断路器测控装置的框图。该装置主要分为两个部分：测控装置主控装置和测控装置驱动装置。

图2、图3是电压、电流传感器及A/D采样电路的电原理图。

图4是交流信号过零检测电路的电原理图。

图5是数字信号处理器的控制电路的电原理图。

图6是存储器扩展电路的电原理图。

图7是CPLD控制信号电路的电原理图。

图8是CPLD内部的功能模块的示意图。

图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15分别是数据存储模块的控制逻辑示意图、液晶控制模块的控制逻辑示意图、看门狗的控制逻辑示意图、键盘信号的控制逻辑示意图、数据采集控制模块的控制逻辑示意图、开入开出量信号的控制逻辑示意图、等待信号的控制逻辑示意图。

图16是开入量、开出量电路的电原理图。

图17、图18分别是人机接口及通讯电路的电原理图。

图19是驱动装置EXB841驱动电路的电原理图。

图20是驱动装置CPLD逻辑控制模块电原理图。

图21是驱动装置CPLD逻辑控制模块内部逻辑示意图。

                              具体实施例

一种属于电力输配电设备的混合式电力电子断路器测控装置，由主控装置1和驱动装置2组成，其特征在于主控装置由霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、A/D采样电路11、交流信号过零检测电路12、数字信号处理器13、用于产生控制信号的可编程逻辑控制器15和开入开出量电路16组成，主电路的电压、电流信号经过霍尔电压、电流传感器转换后，输出接至A/D采样电路，经过A/D采样后，将结果放在数据线由数字信号处理器13来读取；可编程逻辑控制器15产生控制信号来控制数字信号处理器13及A/D采样电路11，驱动装置由驱动模块21和可编程逻辑控制模块22组成，可编程逻辑控制模块22将驱动信号输至驱动模块21；驱动模块22将过流保护自锁信号输至可编程逻辑控制模块22，可编程逻辑控制模块22将过流软关断信号输至驱动模块，主控装置将可编程逻辑控制器15产生的控制信号输至驱动装置的可编程逻辑控制模块22，

在本实施例中，

电压传感器采用VSM500D霍尔电压传感器，电流传感器采用HNC050LA霍尔电流传感器，A/D采样电路11由型号为AD976A的采样芯片和型号为AD7506的多路选择芯片组成，作为输出端的AD7506的28脚接至作为输入端的AD976A的1脚，数字信号处理器13采用TMS320F240芯片，霍尔电压传感器、霍尔电流传感器的测量端，依次接到电阻、电容的低通滤波电路的输入端，将低通滤波后的信号AN1～AN12和基准电压信号ANT_-6及ANT_+6接至AD7506的输入端，AD7506的A0～A3接至数字信号处理器13的第63、65、66、100脚，同时AD976的16位数据线接至数字信号处理器13的数据线上，AD976的26脚接至CPLD的36脚；上述可编程逻辑控制器15由XC95108芯片和在线编程口JTAG组成，其中XC95108的引脚22、38、64、64、78接+5V电源；引脚8、27、42、60接地；引脚28、29、30、59分别作为在线编程口JTAG的TDI、TMS、TCK和TDO端，并且在电源和地之间接0.1uF独石电容和10uF电解电容来去耦合，XC95108芯片的引脚1、2、3、4、5、6、7、9接到数字信号处理器13的数据线D0～D7，XC95108芯片的引脚10、11、12、14、15分别接显示模块LCD、LCDRD、LCDWE、LCDC/D、LCDRST引脚，引脚13接数字信号处理器13的CLKOUT引脚，引脚17、18、19、20、21、23、24、25分别接数字信号处理器13的A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15引脚，引脚26接数字信号处理器13的DS引脚、引脚31、32、33、34、35分别接数字信号处理器13的IS、W/R、READY引脚36接A/D采样电路11的AD976引脚，引脚37、39分别接数字信号处理器13的WE和R/C引脚，引脚43、44、45、46、47、48、50、51、52、53、54、55、56、57、58、61、62、63、65、66、67分别接至开入开出模块KI1～KI12和DL1～DL8引脚，引脚70、71、72、74分别接复位电路X5043的6、2、5、1引脚，引脚76、77、79、80、81、82、83、84接键盘的KEY7～KEY0引脚；数字信号处理器13的JP1端上连接有人机接口电路及通讯电路，人机接口电路由液晶显示模块以及指示灯组成，它提供了和液晶显示模块T6963C的接口端子JP1，主控制板提供给该端子的信号有：8位数据总线D0～D7；复位信号LCDRST；读写控制信号WR，RD；指令数据通道选择信号A0；液晶控制的片选信号LCD(注：这些信号由CPLD部分提供)，供电电压+5V和GND，以及用于液晶背光控制的负压Vo，同时提供和母板的控制信号联系的接口端子JP_CPU1。其提供的信号还有控制LED指示灯亮灭的信号L1～L7，装置的运行标志灯LED1～7用以显示装置正常，报警，动作，供电情况等状态，整定校对装置需要的RS232串口J1。通讯电路由MAX232和MAX485构成，数字信号处理器13的SCI口发出的TXD，RXD和DE信号经由MAX232和MAX485电平转换成标准通信电平，通过跳线开关SW1来决定装置的通信信号输出究竟是这两种协议中的哪一种，同时该模块提供了由CAN控制器MCP2510和CAN驱动器82c250构成的CAN总线接口；在数字信号处理器13的数据线上连接有存储器扩展电路14，存储器扩展电路14由两片静态数据存储器CY7c1021-15vc以及非易失性数据存储DS1644芯片组成，该电路的16位地址线、16位数据线、引脚WE、引脚W/R、引脚PS和数字信号处理器13相应管脚A0～A15、D0～D15、WE、W/R、PS管脚连接，引脚1644，引脚DAR_CS分别和CPLD的34、35脚相连；上述驱动模块21选用型号为EXB841的驱动芯片，在驱动芯片上连接有绝缘栅双极型晶体管IGBT且驱动芯片的1脚接绝缘栅双极型晶体管IGBT的射极E；2脚接+20V电源；R1为门极电阻，3脚通过门极电阻连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT门极G；5脚输出的过流保护信号，通过光耦连接至三极管的基极，三极管的集电极将过流保护自锁信号输至可编程逻辑控制模块22，6脚通过快速二极管D1和稳压二极管VZ3连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极，1脚和3脚之间连接有稳压二极管VZ1(+15V)和VZ2(+5V)1脚和3脚之间接有电阻R22脚与9脚之间接有电容C1，1脚与9脚之间接有电容C2，14脚、15脚是驱动信号输入端，在14脚上接有三极管Q和上拉电阻R3；可编程逻辑控制模块22由型号为XC9572的可编程逻辑器件和4兆有源晶振组成，XC9572的引脚22、38、64、73、78接+5V电源；引脚8、16、27、42、49、60接+5V地；引脚28、29、30、59分别连接至在线编程口JTAG的TDI、TMS、TCK和TDO端；引脚76与有源晶振的时钟输出端Clock连接；引脚1～6可分别与6路绝缘栅双极型晶体管IGBT的过流保护自锁信号端Lock1～Lock6连接，引脚7、9、10、11、12、13分别与自锁状态使能端Lockstate1～Lockstate6连接，引脚14、15、17、18、19、20分别与主控装置的驱动信号Input1～Input6连接；引脚21、23、24、25、26、31分别连接到6路EXB841的驱动信号输入脚14脚所连接的三极管的门极。有源晶振1脚悬空，2脚接地，4脚接+5V电源。2脚和4脚间加了一个0.1uF的去耦电容。

本发明的工作原理及工作过程如下：

混合式电力电子断路器的测控装置由主控装置1和驱动装置2组成。其中主控装置霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、A/D采样电路11、交流信号过零检测电路12、数字微处理器13、存储器扩展电路14、用于产生控制信号的CPLD复杂可编程逻辑器件15和开入开出量电路16、人机接口和通讯电路17组成。驱动装置由驱动模块21和CPLD逻辑控制模块22组成。本装置工作的原理见图1。

装置上电后通过人机接口下达合闸命令，数字信号处理器会通过CPLD检测断路器的触点的位置，当符合条件时使一个开出量变成高电平，该高电平送到电力电子器件IGBT的驱动电路使其导通，同时该开出量会通过中间继电器(经过延时)接通断路器的合闸线圈使其合闸，然后关断电力电子IGBT器件。当断路器合闸后该测控装置会通过传感器、A/D器件检测线路上的交流信号并且同时将转换后的数据送数字信号处理器处理，计算出各交流信号的有效值、频率、功率等，当检测到故障的时候，使开出量为高电平，先打开电力电子静态开关，然后经中间继电器接通断路器的分闸线圈使其断开，同时关断电力电子开关。这样在断路器通断的时候利用该测控装置控制电力电子开关先导通实现分流的作用，缩短断路器的通断时间。

测控装置主控装置部分：

电压、电流传感器及A/D采样电路

该部分电路如图2、3所示。其中图2中表明了电压，电流传感器的联接方式。在该测控装置中电压传感器采用南京茶花港联传感测控技术有限公司的VSM500D霍尔电压传感器。该传感器原边额定输入电压为500V，副边额定输出电流为20mA，这样通过测量该传感器8脚上测量电阻Rm上的电压就可以通过乘以转换系数得到原边上的电压。该测控装置中电流传感器采用南京中旭电子科技有限公司的HNC050LA霍尔电流传感器。该传感器原边额定测量电流为50A(AC/DC)副边输出电流为50mA(AC/DC)。这样通过测量该传感器的测量端接的测量电阻的端电压就可以得出原边上的电流的值。图3是A/D采样电路。其中A/D转换芯片采用美国AD公司的AD976A，该芯片一种高速16位模数转换器，其采样速率为100KSPS，能够在单电源5V供电情况下工作，具有极低功耗的特点，输入范围为-10V～+10V，可以满足装置的需要。AD通道选择芯片采用美国AD公司的AD7506芯片，该芯片是16通道选1个通道的芯片，通过对芯片的A0、A1、A2、A3管脚赋值选择通道0～15。从电压、电流传感器的副边的测量信号经过RC低通滤波后接到AD7506的0～15通道，经过通道选择将信号送AD976A中进行转换，结果输出到数字信号处理器控制单元。

模块间连接：该模块主要实现交流采样，故将12路交流信号经过传感器，将传感器的输出依次接到图3的电阻、电容的低通滤波电路的Uab～Iback_4端，将AN1～AN12和ANT_-6及ANT_+6接至AD7506的输入断，AD7506的A0～A3接至数字信号处理器的第63、65、66、100脚，同时AD976的16位数据线接至数字信号处理器的数据线上，AD976的26脚接至CPLD的36脚。

交流信号过零检测电路

交流信号过零检测电路如图4所示。交流电压、电流信号经过霍尔传感器转换经过由电阻和运算放大器CA1558和555芯片KA556构成的检测电路，将交流信号变换成方波由KA556的输出端输出，KA556是由两个555电路构成的，这样可以把两路的交流信号变换成方波信号，将方波信号接到数字信号处理器主控制电路中TMS320F240的67(CAP1)、68(CAP2)管脚，可以设置数字信号处理器控制寄存器使捕获单元在交流信号的上升沿/下降沿进行捕获。利用数字信号处理器具有的捕获单元在交流信号过零的时候产生中断获得控制混合式电力电子断路器开断的时间基准。

模块间连接：该模块实现交流信号过零检测，KA556的两个输出端接至数字信号处理器的67、68脚(捕获单元CAP1、CAP2)。

数字信号处理器控制电路

数字信号处理器控制电路如图5所示。其中该控制电路由美国TI公司的TMS320F240芯片，美国Xicor公司的X5043硬件看门狗芯片，20MHz晶振，电路构成。

在该测控装置中，数字信号处理器控制部分是核心电路，要实现对断路器的监控、驱动、保护等功能必须要通过数字信号处理器芯片才能实现。TMS320F240该芯片具有如下特点：①50ns的指令周期；②544字×16位片内程序/数据双口RAM；③16K字的片内程序FLASH；④事件管理模块EV，其中有通用定时单元、比较单元、捕获单元等；⑤双10位模数转换单元等。这些都使得F240芯片能够快速的实现数据处理，使得这种芯片特别适合功率器件的控制。X5043是硬件看门狗电路，当装置软件故障时可保证软件可靠复位。其控制信号WDI，WD_SO，WS_SI，WDSCK是通过CPU的控制，在CPLD内部经由信号变换后输出，参见CPLD模块的介绍。来自键盘的手动复位信号ERST，来自5043的自动复位信号，R1和EC1组成的上电复位电路一起实现三种不同状况下的装置复位，即手动，故障，上电。同时X5043可以用作串行EEPROM从而对存储器进行扩展。20MHz有源晶振提供CPU工作的时钟信号，输出至数字信号处理器的XTAL1/CLKIN引脚。常规的针对TMS320F240采用10MHz有源晶振，该装置采用20MHz晶振是为了提高数字信号处理器主频，缩短指令执行时间。该装置具有数字信号处理器的JTAG口，可以通过JTAG口的信号TRST，TMS，TDI，TDO，EMU0，EMU1实现装置的编程调试。

数字信号处理器控制电路的主要信号有以下几部分：

①16位数据总线D0～D15，16位地址总线A0～A15，读写控制信号DS，PS，IS，READY，R/W，W/R，WE，利用这些信号来完成对外部设备的控制和访问。

②中断信号NMI，KI_INT，KEY_INT，INT_CAN，利用外部中断和上述信号一起完成对键盘和通讯模块的控制。

③AD模块的通道选择信号ADA0～ADA3用以控制AD数据采集模块的通道切换。

④CAP1，CAP2是频率测量模块的输出信号，用以测量电压频率。

⑤信号DE，TXD，RXD，MCPRESET，TX0RTS，TX1RTS，TX2RTS是通讯模块的控制信号。

在数字信号处理器芯片控制下，这些信号不停的运转以实现该测控装置的功能。

CPLD控制信号电路

CPLD电路是产生该测控装置中很多控制信号的重要的部分，同时数字信号处理器对一些外设的片选信号，以及开入开出信号也要在CPLD电路中产生。该电路如图7所示。CPLD采用美国Xilinx公司的XC95108芯片，该芯片具有108个宏单元并且有108个I/O引脚。可以方便地进行编程以实现一定的逻辑输入和输出，同时可以利用JTAG口实现对CPLD编程调试。

CPLD模块主要有以下三个功能(注：内部的功能模块如图8所示)。

①地址译码电路产生外设的片选信号及控制信号。主要的信号有(1)数据存储模块的读写片选信号1644，DS，IS，DAT_CS及数据、地址的锁存信号(控制逻辑图见图9)。(2)液晶控制模块的控制信号(控制逻辑见图10)LCD，LCDRD，LCDWE，LCD_C/D，LCDRST，(3)看门狗的控制逻辑信号WDT，WD_SI，WD_SO，WDSCK(控制逻辑见图11)，(4)键盘信号KEY1～KEY7(控制逻辑见图12)，(5)数据采集控制模块的AD转换启动信号和片选信号AD976和R/C(逻辑见图13)。

②开入开出量模块提供的开入开出量信号，KI1～KI12，DL1～DL8，LOCAL，SET(逻辑图见图14)。

③等待信号，READY用以实现数字信号处理器在访问慢速外部设备时的时序匹配(逻辑图见图15)。

开入量、开出量电路

开入开出电路的功能一是将现场12V或是24V的开关量信号加以隔离转换，变成能够被主控制板准确的识别的电气信号，二是将主控制板发出的5V信号加以驱动放大，控制继电器输出动作，同时将该信号接到电力电子器件IGBT的驱动电路来控制IGBT的通断，从而达到缩短断路器分断时间的目的。其电路图如图16所示。

HEADER32*2和CON6和CON16分别是开入开出信号和外界联系的端子排。

装置背部的端子排CON6上的开入量信号IN1至IN12和公共端INCOM构成回路，这些开入量信号经由光电耦合521-4隔离后的输出引到HEADER32*2上，即KI1～KI12，从而和主控制部分发生联系。

装置背部的端子排CON16上的信号是控制电力设备动作的开出量信号，主控制板发出的8路动作信号DL1～DL8经由HEADER32*2接口，分别经过8个9013三极管驱动，521-4光耦隔离，去驱动8个中间继电器，进一步放大其驱动能力，其输出信号即为端子排CON16上的OUT1-1到OUT8-2。利用这8对信号实现对现场设备的控制。

模块连接：将HEADER32*2端子排和IGBT驱动电路的端子排对应相连。

人机接口及通讯电路

人机接口其电路图如图17所示。它提供了和液晶显示模块T6963C的接口端子JP1，主控制板提供给该端子的信号有：8位数据总线D0～D7；复位信号LCDRST；读写控制信号WR，RD；指令数据通道选择信号A0；液晶控制的片选信号LCD(注：这些信号由CPLD部分提供)，供电电压+5V和GND；以及用于液晶背光控制的负压Vo。

该电路板还提供和母板的控制信号联系的接口端子JP_CPU1。其提供的信号除了上述之外还有控制LED灯亮灭的信号L1～L7，串口通信信号232R，232T。装置的运行标志灯LED1～7用以显示装置正常，报警，动作，供电情况等状态，整定校对装置需要的RS232串口J1。其控制信号均由JP_CPU1给出。

通讯接口模块电路图如图18所示，装置采用了RS232/485标准硬件接口，通过数字信号处理器自带的SCI接口实现。对于传统的RS232/485通信方式而言，CPU的SCI口发出的TXD，RXD和DE信号经由MAX232和MAX485电平转换成标准通信电平，其中通过跳线开关SW1来决定装置的通信信号输出究竟是这两种协议中的哪一种。

同时该装置还提供了符合CAN2.0B协议的现场总线通讯接口。该接口是通过CAN控制器MCP2510和CAN驱动器82c250构成的。

测控装置驱动装置部分

EXB841驱动模块

此模块为IGBT驱动电路的核心部分，主要功能是1接收控制电路发出的开通与关断IGBT的信号，转换成相应的驱动电压来驱动IGBT的开通与关断。EXB841芯片为富士公司出品的IGBT高速驱动芯片，它具有单电源、模块化、过流检测、保护软关断等优点，最高工作频率为40kHz，最大驱动信号延时为1.5us。EXB841采用Vce检测识别过流并加以软关断保护。IGBT为压控器件，开通电压一般为12V～15V，关断电压一般为-1V～-1OV。EXB841提供的IGBT开通驱动电压为15V，关断驱动电压为-5V。EXB841目前运用得很广泛，但同时也存在着一些不足，如：存在保护盲区、过流保护起控点设置过高等问题。为了弥补EXB841这些功能上存在的不足，需要增加一些外围电路来对其驱动性能进行改善和优化，以实现更加可靠和稳定的驱动。

附图19为改进后的一路EXB841驱动电路原理图。如图所示：1脚接IGBT的射极E；2脚接+20V电源；R1为门极电阻，三脚通过门极电阻连接到IGBT门极G；4脚用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作，在绝大部分场合不需要电容，故在此电路图中悬空；5脚输出过流保护信号，通过光耦与外部电路连接。当IGBT为正常工作状态时，5脚电压为20V，光耦Tlp521不导通，Lock脚输出低电平，当过流故障时，5脚电压为0V，光耦导通，Lock脚输出高电平。Lock脚作为一个过流故障信号的标志连接到过流保护自锁电路，由Lock脚电平的高低来判断是否需要进行过流保护自锁；6脚通过快速二极管D1和稳压二极管VZ3连接到IGBT的集电极。加稳压二极管VZ3的目的是为了改变EXBg41的过流保护起控点和缩短其保护盲区；在1脚和3脚之间加稳压二极管VZ1(+15V)和VZ2(+5V)的作用是防止门极和射极之间出现过电压；在1脚和3脚之间接电阻R2的作用是避免IGBT的门极和射极断路，其位置应尽量靠近功率开关；电容C1、C2的作用是吸引由于电源接线附抗引起的供电电压变化，不是作为滤波电容使用的；14脚、15脚是驱动信号输入端，其内部采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，当14脚和15脚有10mA的电流流过时，光耦合器就导通，通过其内部电路产生+15V的电压驱动IGBT的开通。为了流过14、15脚的开通电流足够大，在外部电路上采用三极管Q加上拉电阻R3的办法。

模块连接：该模块的主要功能为产生驱动IGBT的驱动电压以及过流保护软关断。它与CPLD逻辑控制模块之间的连接如下：接受CPLD逻辑控制模块的Drive信号，即控制IGBT开断的信号；在过流的时候向CPLD逻辑控制模块发出Lock信号，即过流保护自锁信号。

CPLD逻辑控制模块

此模块的主要功能为：(1)作为数字信号处理器主控板与EXB841驱动电路之间的一个逻辑接口，在正常工作情况下接受来自数字信号处理器主控板的驱动信号并将它输出到相应的EXB841驱动电路控制IGBT的开通与关断(2)过流保护自锁功能：当线路发生过流故障时，EXB841进入过流检测，实施过流软关断。此时利用过流保护自锁功能强行封锁14脚和15脚的驱动信号，保证软关断的时间，防止IGBT由于短路情况下快速关断而损坏。当故障清除后，锁定能够自动解除，输入信号能够进行正常驱动。

附图20为CPLD逻辑控制模块的电路图，由CPLD和有源晶振组成。CPLD的型号为Xilinx公司的XC9572，有源晶振的频率为4MHz。如图所示，由XC9572和有源晶振组成CPLD逻辑控制电路在此完成6路IGBT驱动电路的通断控制与过流保护自锁功能。XC9572有84个引脚，输入输出电压遵循TTL电平标准，高电平5V，低电平0V。引脚22、38、64、73、78接+5V电源；引脚8、16、27、42、49、60接+5V地；引脚28、29、30、59分别作为JTAG口的TDI、TMS、TCK和TDO端使用；引脚76作为有源晶振的时钟Clock输入；引脚1～6分别连接6路IGBT驱动的过流信号标志Lock1～Lock6，当Lock脚为高电平时表明出现过流，当Lock脚为低电平时表明无过流出现；引脚7、9、10、11、12、13分别连接Lockstate1～Lockstate6，Lockstate为一个标志量，其电平的高低可由电路板上的跳线器进行人为的设定，当Lockstate为高电平时表明需要进行过流保护自锁，当Lockstate为低电平时表明不需要进行过流保护自锁；引脚14、15、17、18、19、20分别连接来自主控板的驱动信号Input1～Input6；引脚21、23、24、25、26、31为输出脚，输出IGBT驱动信号，它们分别连接到6路EXB841的驱动信号输入脚14脚所连接的三极管的门极，通过三极管来驱动EXB841内部隔离光耦的开通与关断。

附图21为6路CPLD逻辑控制电路中其中一路的内部逻辑电路图。如图所示，1、7、14、76脚为信号输入脚，分别接Lock1、Lockstate1、Input1和Clock。在实际使用的时候Lockstate1一般设为高电平。21脚输出驱动信号DRIVE1。U3是6位计数器，FDC为D触发器，在此作为电压跟随器使用。在没有出现过流故障的时候，Lock1为低电平，计数器U3和电压跟随器FDC的清零端CLR输入为高电平，U3和FDC的输出清零，OUTPUT1为高电平，此时CPLD的输出驱动信号DRIVE1跟主控板的驱动信号INPUT1一致，通过EXB841驱动IGBT的正常通断。当出现过流故障的时候，Lock1为高电平，U3和FDC的清零端CLR输入为低电平，U3接受有源晶振的脉冲信号开始计数，当U3计数输出为010100时(即20*0.25＝5us)NAND6输出为由高跳变到低，电压跟随器的输出相应的由低跳变到高并保持高电平，OUTPUT1由高跳变到低并保持低电平，此时驱动信号DRIVE1跳变为低，即在EXB841的5脚输出故障信号Lock1后的5us后实现延时软关断。在故障期间，Lock1和Lockstate1均为高电平，故LOCKENABLE1为高电平，或门OR2的输出始终为高，实现了对输入信号Input1的封锁。当故障消除后，Lock1立即跳变为低电平，解除对输入信号Input1的封锁。

Claims (6)

1、一种属于电力输配电设备的混合式电力电子断路器测控装置，由主控装置(1)和驱动装置(2)组成，其特征在于主控装置由霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、A/D采样电路(11)、交流信号过零检测电路(12)、数字信号处理器(13)、用于产生控制信号的可编程逻辑控制器(15)和开入开出量电路(16)组成，主电路的电压、电流信号经过霍尔电压、电流传感器转换后，输出接至A/D采样电路，经过A/D采样后，将结果放在数据线由数字信号处理器(13)来读取；可编程逻辑控制器(15)产生控制信号来控制数字信号处理器(13)及A/D采样电路(11)，驱动装置由驱动模块(21)和可编程逻辑控制模块(22)组成，可编程逻辑控制模块(22)将驱动信号输至驱动模块(21)；驱动模块(22)将过流保护自锁信号输至可编程逻辑控制模块(22)，可编程逻辑控制模块(22)将过流软关断信号输至驱动模块，主控装置将可编程逻辑控制器(15)产生的控制信号输至驱动装置的可编程逻辑控制模块(22)。

2、根据权利要求1所述的混合式电力电子断路器测控装置，其特征在于电压传感器采用VSM500D霍尔电压传感器，电流传感器采用HNC050LA霍尔电流传感器，A/D采样电路(11)由型号为AD976A的采样芯片和型号为AD7506的多路选择芯片组成，作为输出端的AD7506的28脚接至作为输入端的AD976A的1脚，数字信号处理器(13)采用TMS320F240芯片，霍尔电压传感器、霍尔电流传感器的测量端，依次接到电阻、电容的低通滤波电路的输入端，将低通滤波后的信号(AN1～AN12)和基准电压信号(ANT-6及ANT+6)接至AD7506的输入端，AD7506的A0～A3接至数字信号处理器(13)的第63、65、66、100脚，同时AD976的16位数据线接至数字信号处理器(13)的数据线上，AD976的26脚接至CPLD的36脚。

3、根据权利要求1所述的混合式电力电子断路器测控装置，其特征在于可编程逻辑控制器(15)由XC95108芯片和在线编程口(JTAG)组成，其中XC95108的引脚22、38、64、64、78接+5V电源；引脚8、27、42、60接地；引脚28、29、30、59分别作为在线编程口(JTAG)的TDI、TMS、TCK和TDO端，并且在电源和地之间接0.1uF独石电容和10uF电解电容来去耦合，XC95108芯片的引脚1、2、3、4、5、6、7、9接到数字信号处理器(13)的数据线D0～D7，XC95108芯片的引脚10、11、12、14、15分别接显示模块LCD、LCDRD、LCDWE、LCDC/D、LCDRST引脚，引脚13接数字信号处理器(13)的CLKOUT引脚，引脚17、18、19、20、21、23、24、25分别接数字信号处理器(13)的A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15引脚，引脚26接数字信号处理器(13)的DS引脚、引脚31、32、33、34、35分别接数字信号处理器(13)的IS、W/R、READY，引脚36接A/D采样电路(11)的AD976引脚，引脚37、39分别接数字信号处理器(13)的WE和R/C引脚，引脚43、44、45、46、47、48、50、51、52、53、54、55、56、57、58、61、62、63、65、66、67分别接至开入开出模块KI1～KI12和DL1～DL8引脚，引脚70、71、72、74分别接复位电路X5043的6、2、5、1引脚，引脚76、77、79、80、81、82、83、84接键盘的KEY7～KEY0引脚。

4、根据权利要求1所述的混合式电力电子断路器测控装置，其特征在于在数字信号处理器(13)的数据线上连接有存储器扩展电路(14)，存储器扩展电路(14)由两片静态数据存储器CY7c1021-15vc以及非易失性数据存储DS1644芯片组成，该电路的16位地址线、16位数据线、引脚WE、引脚W/R、引脚PS和数字信号处理器(13)相应管脚A0～A15、D0～D15、WE、W/R、PS管脚连接，引脚1644，引脚DAR CS分别和CPLD的34、35脚相连。

5、根据权利要求1所述的混合式电力电子断路器测控装置，其特征在于驱动模块(21)选用型号为EXB841的驱动芯片，在驱动芯片上连接有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)且驱动芯片的1脚接绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的射极E；2脚接+20V电源；R1为门极电阻，3脚通过门极电阻连接到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)门极G；5脚输出的过流保护信号，通过光耦连接至三极管的基极，三极管的集电极将过流保护自锁信号输至可编程逻辑控制模块(22)，6脚通过快速二极管D1和稳压二极管VZ3连接到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的集电极，1脚和3脚之间连接有稳压二极管VZ1(+15V)和VZ2(+5V)1脚和3脚之间接有电阻R22脚与9脚之间接有电容C1，1脚与9脚之间接有电容C2，14脚、15脚是驱动信号输入端，在14脚上接有三极管Q和上拉电阻R3。

6、根据权利要求1所述的混合式电力电子断路器测控装置，其特征在于可编程逻辑控制模块(22)由型号为XC9572的可编程逻辑器件和4兆有源晶振组成，XC9572的引脚22、38、64、73、78接+5V电源；引脚8、16、27、42、49、60接+5V地；引脚28、29、30、59分别连接至在线编程口(JTAG)的TDI、TMS、TCK和TDO端；引脚76与有源晶振的时钟输出端Clock连接；引脚1～6可分别与6路绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的过流保护自锁信号端Lock1～Lock6连接，引脚7、9、10、11、12、13分别与自锁状态使能端Lockstate1～Loekstate6连接，引脚14、15、17、18、19、20分别与主控装置的驱动信号Input1～Input6连接；引脚21、23、24、25、26、31分别连接到6路EXB841的驱动信号输入脚14脚所连接的三极管的门极。有源晶振1脚悬空，2脚接地，4脚接+5V电源。2脚和4脚间加了一个0.1uF的去耦电容。

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