储能电机保护装置的研究与硬件设计

西安工程大学机电工程学院 李忠欣 张 敏

西安工程大学计算机学院 黄国兵

一、引言

目前国内电机保护装置一般采用单片机作为核心控制器，由于自身资源和速度的限制，加之GIS组合开关的分合闸过程中会产生非常高的共模电压，电磁干扰十分严重，储能电机的工作环境恶劣，受到的干扰较强。本文针对储能电机的工作环境，选用PHILIPS公司ARM7系列工作频率高、系统资源丰富的LPC2138芯片作为控制核心。它内嵌512KB的高速Flash存储器和32KB的RAM，具有丰富的外围模块和较大的处理和控制功能，还能进行JTAG仿真调试和ISP编程等[1]。LPC2138应用于电动机保护装置中，使保护装置硬件结构紧凑，实时性高，并进行抗干扰设计，系统可靠性和稳定性加强。

二、储能电机保护装置的硬件设计

该保护装置硬件包括电源电路、复位电路、数据采集模块、信号调理及A/D转换模块、继电器输出模块以及通讯模块。储能电机保护装置的硬件设计如图1所示。

其中，数据采集模块主要对回路的电流和电压信号进行采集，电流信号采集来自现场电流互感器的二次侧输出，根据采集电压与工况环境需求选用CSM025A霍尔电流传感器与VSM025A霍尔电压传感器进行数据采样。

（一）电源电路

LPC2138的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限很低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性要求很高。装置电源输入端和开关装置距离很近，GIS组合开关在动作时会产生较大的差模噪声和共模噪声，并且AC220V的电源自身也存在较大的干扰，在电源电路中要进行一系列的抗干扰处理，为装置的不同模块分别提供3.3V、5V、±15V、24V稳定的直流电源[2]。电源电路设计如图2所示。

图2中，在电路中串联自恢复保险丝LRV100S，进行过电流和热保护。在电源电路中开机的瞬间会产生浪涌电流，用热敏电阻5D-9和突波吸收器471KD10，有效地抑制开机时的浪涌电流，并且在完成抑制浪涌电流作用以后，由于其电流的持续作用，热敏电阻器的电阻值将降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响，它还进行防雷和过压保护。用共模扼流线圈L1抑制共模噪声，在回路中运用安规电容Cx1、Cy1和Cy2，其中跨线电容Cx1(X型电容器)抑制差模噪声；线间旁路电容器Cy1和Cy2(Y型电容器)抑制共模噪声。用LH10-10D0524 AC-DC转换器进行电压转换，该转换器具有宽输入电压、直流和交流集成、输出低纹波和噪声、高效率、能实现过载保护及短路保护、低功耗、安全隔离等特点，输出5V、24V的直流电。在输出直流端分别串联差模扼流线圈L2、L3抑制差模噪声和电容(如图2所示)来进一步抑制差模噪声。经过一系列的抗干扰处理，使输出的电源扰动小，达到装置的电源要求。用WRA2415L DC-DC转换器将24V转换成±15V直流电，在输出端使用电容器抑制差模噪声，选用低压差线性调压器LM1117将5V转换成3.3V直流电，同样在输出端选用电容器抑制差模噪声。开关电源产生的干扰信号通过这一系列的抗干扰处理，输出信号波动较小，使得电源部分的抗干扰性加强，加强了系统的稳定性。

（二）复位电路

使用MAX706芯片和74HC125芯片搭建复位电路如图3所示。

图3中MAX706芯片是一组CMOS监控电路，能够监控电源电压、微处理器或微控制器的工作状态。按键S1可以完成手动复位，nTST和和CPU的复位引脚相连可以完成上电自动复位。当程序“跑飞”时，通过执行软件，周期性的向看门狗发送WDI信号，进行看门狗复位。使用该复位电路为系统的稳定性与可靠性提供强有力的保证。

（三）信号调理及A/D转换模块

对数据采集模块采集的模拟信号，需要进行功率放大，用OPA2251精密放大器，该放大器采用单电源供电，具有高共模抑制、高开环增益、低偏移电压的特点，在外部提供±15V的电压时，输出电压范围为2.7-36V。使用外部参考电压VREF时，输入模拟量达到0-2VREF，设定ADS芯片VREF为2.5V。输出的电压信号进入ADS7818芯片进行A/D转换，ADS7818采用SPI总线方式与CPU进行通信。在CPU控制端只需进行三路信号隔离，简化了隔离电路。ADS7818是12位的高速转换芯片，采样时间为350nS，时钟的最高频率为8MHz。信号调理电路及A/D转换电路设计如图4所示。

图4中，数据采集模块采集的电流信号Ismp和电压信号Vsmp通过模拟开关ADG1219进行输入A/D控制，模拟开关与CPU之间用光电耦合器FODM611进行隔离。装置工作时，设定CPU的MUX连接端口产生高低电平的周期，使采集的两类数据进行周期性A/D转换。CPU的连接端口与SCLK连接端口为AD7818的控制线，SDO连接端口为数据线，ADS7818芯片与CPU间用FODM611来隔离[3]。在每一器件的电源端使用耦合电容器进行滤波，使系统抗干扰能力提高。

（四）继电器输出模块

继电器输出模块是储能电机保护装置的执行机构，用DS2E-S-DC24V继电器作为动作机构，该继电器灵敏度高，击穿电压可达1500V。继电器输出模块电路设计如图5所示。

继电器输出模块设有光电隔离电路，一方面，采用光电隔离电路可以将CPU发出的控制数字信号与继电器电路输出端的模拟信号很好的隔离，抑制模拟信号的噪声干扰；另一方面，当系统发生运行故障时，

由保护装置向动作响应电路输出高电平，经光电隔离驱动中间继电器，使断路器跳闸，从而切断故障回路电源。

（五）通讯模块

采用RS485和RS232两个通讯串口模块，实现下位机与上位机的通信功能。设计RS232通讯串口的设计主要是方便内部人员的调试使用。在现场用RS485串口通讯来克服RS232传输距离和传输速率上的短板，并且RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强[4]。通讯模块电路设计如图6所示。

图6中，RS485使用5V隔离器式的收发器ISO3082工作在半双工模式状态进行数据收发。采用数字隔离器相对传统的高速光耦而言，数字隔离器件具有功耗低、传输速率高、兼容3V/5V系统和外设简单等优点[5][6]。用B0505 DC-DC芯片为收发器提供第二电源，实现电源隔离，抑制电源噪声干扰，为RS485的稳定性与可靠性作以保障。

三、结束语

本文针对GIS开关储能电机的工作环境，采用LPC2138微控制器为核心设计了储能电机保护装置。针对GIS开关分合闸过程中会产生相当高的共模和差模电压，电磁干扰十分严重的情况，装置硬件设计时对输入/输出过程通道和电源通道的抗干扰手段进行了研究分析，在电源部分、各种开关信号输入部分、通信电路部分、输出控制部分均采用光耦与CPU部分的电路进行了隔离，采取了一系列抗干扰措施保障自身可靠运行。为确保保护器电磁的兼容性，在PCB板设计时将模拟地、数字地进行了分开，并在各主要器件的电源和地引脚之间加耦合电容进行滤波。试验结果表明，装置的功能和抗干扰能力满足相关技术规范的要求。

[1] 周立功.深入浅出ARM7-LPC213X[M].北京:北京航天大学出版社,2005.

[2] 刘光斌.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[3] 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社.2005,11:012-098.

[4] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

[5] 郝迎吉,李良富.基于80C196单片机的智能监测电机保护系统的研制[J].工业仪表与自动化装置,2001.

[6] 黄圣国,肖纪立,蔡树国,等.多功能智能电机保护装置的研制[J].电子测量与仪器学报,1998,Vol.12,No,1.