基于C8051F120的采煤机漏电保护装置的设计*

李炜怿

(陕西能源职业技术学院 咸阳 712000)

基于C8051F120的采煤机漏电保护装置的设计*

李炜怿

(陕西能源职业技术学院 咸阳 712000)

针对当前采煤机漏电保护装置抗干扰性差,漏电闭锁装置可靠性低的问题,论文设计了基于C8051F120的采煤机漏电保护装置。该装置中用WHB20SY15D4型开环霍尔电流传感器来检测漏电电流,用AZ431可控精密稳压源来给保护装置提供基准电压值,提高了漏电保护装置的抗干扰性;采用以C8051F120微处理器为核心的漏电闭锁检测装置,对采集的电压及电流信号进行去噪,得出准确的判断值,提高了漏电闭锁装置的可靠性。实验证明:该漏电保护装置检测动作准确可靠,并有效克服了噪声的干扰。

采煤机; 漏电保护; C8051F120; AZ431

Class Number TM331

1 引言

为了减少漏电引起的事故和人身触电事故的发生,漏电保护在电力系统中得到了广泛的应用,漏电保护技术可有效保证设备安全及生命安全[1]。由于井下采煤环境恶劣,采煤机在矿井下工作时难免会受到环境的影响,导致其出现漏电等故障,所以漏电保护装置对于井下采煤机来说是必不可少的。安全性、可靠性、速动性、灵敏性为采煤机漏电保护装置所必备的四大基本性能[2]。中性点不接地方式为目前采煤机的主要供电方式,由于该方式发生漏电时电流极小,难以区分是否有故障发生,所以需附加一个直流检测电源,此类漏电保护装置为目前用的较多的附加直流电源法[3～5],如图1所示,图中SK为三相电抗器,LK为零序电抗器,KA为继电器,O为中性点。由于该方法存在抗干扰性差,容易引起牵引电动机产生误动作可靠性不高[6],所以本文提出了基于C8051F120的采煤机漏电保护装置。本文首先介绍了该装置的整体设计,分析了漏电保护原理;然后通过硬件和软件两方面的分析,介绍了该采煤机漏电保护装置的主要硬件构成和软件控制流程设计;最后通过实验证明该漏电保护装置检测动作准确可靠,并克服了变频调速过程中的干扰。

图1 附加直流电源法保护电路示意图

2 漏电保护装置的总体设计

本文设计的漏电保护装置的总体设计如图2所示,图中S为WHB20SY15D4型开环霍尔电流传感器,J为减法电路,K1和K2为耐高压的继电器。K1和K2组成了动力回路检测系统,用以在漏电检测前先对动力回路进行检测,当动力回路中电压、电流不为零时,说明该回路已经运转,K1断开,漏电闭锁检测电路被断开,K2也断开;反之,K1闭合,建立漏电闭锁检测通道,K2也随之闭合。建立漏电检测通道后,两个霍尔传感器分别从A,B两点获取电流值,然后将此电流值转为电压值送给减法电路进行处理,过滤掉交流干扰信号,得出直流有效信号,该直流信号通过比较器与基准电压进行比较,将比较所得结果送给C8051F120主控系统进行实时分析判断,若判断有漏电故障,则控制闭锁装置进行闭锁,切断上电装置,禁止动力回路得电,通过液晶屏将故障的信息显示出来,并发出警报。

图2 采煤机漏电保护电路示意图

该漏电保护装置设计的主要特点表现在:首先,采用了以高压继电器为主的前置检测模块,能在漏电检测前对动力回路是否故障进行检测,同时也能在漏电故障时快速断开动力线路,以防动力线路中的高压使损坏加大;其次,采用霍尔传感器代替电流互感器对电压采样,能有效抵抗外界的干扰。另外设计了双回路耦合减法电路模块,对变频过程中产生的干扰信号进行消除,确保直流信号的稳定性用于后级比较,在比较器模块中采用AZ431可控精密稳压源,代替用电阻分压方式提供基准电压,保证了基准电压的稳定性;最后采用基于C8051F120的主控系统对比较器输出信号进行分析,通过分析结果来控制闭锁装置对主回路进行切断与否,同时将控制结果显示到液晶屏上,达到控制的实时性与准确性,提高了该装置的可靠性。

3 系统硬件设计

漏电保护装置的硬件部分是以附加直流电源法电路为基础进行改进,如图2所示,整个保护电路除了由高压继电器及双回路等电气部分外,还有基准电压模块及主控系统等电子部分,现将对电子部分基准电压模块及主控系统硬件进行分析。

3.1 基准电压模块电路

在漏电保护电路的比较器基准电压部分,采用的是AZ431电压基准芯片提供的基准电压,具备不受工作电压、负载、温度变化以及时间的影响,可提高保护电路的稳定性及抗干扰性。具体电路如图3所示。

图3 基准电压产生电路

由于AZ431内部结构使得Vref端电压值恒定为2.5V,而基准电压输出计算公式如下[7]:

(1)

从图3中可知R3=5K,R4=5K,将其值带入式(1)中,得出图3电路产生给比较器的基准电压值Vout为5V。由于AZ431为可控精密稳压源,故可通过设计R3和R4的配置,使得Vout得到从2.5V～36V之间的任何值。

3.2 主控系统硬件设计

漏电保护装置的主控系统以C8051F120微处理器为核心,该处理器内部拥有12位高速AD转换器,8个8位宽度的I/O资源以及丰富的中断资源[8],故主控系统外围的硬件得到了很大的简化,其原理框图如图4所示。

图4 主控系统硬件结构设计框图

图4中独立按键可实现操作员将信号输入到处理器中,可实现急停,自校正信号的传递,LCD显示器将检测到的当前状态进行显示,采样电路可对漏电信号进行采样,送入控制器进行分析,通过分析结果实现对闭锁装置的相应控制,另外,控制器还可通过485方式与采煤机的主控器进行通讯,达到精确控制每一台独立的采煤机。

4 系统软件设计

图5 主控系统软件设计流程图

漏电保护装置系统软件设计的流程图如图5所示。首先将定时器及AD等模块进行初始化,然后判断漏电检测信号是否启动,如果启动则进一步判断是否有自校正与急停信号输入,如有则执行对应操作,否则对电压、电流信号进行采集,送入C8051F120进行小波变换进行进一步去噪,得出准确的电压、电流信号,在根据得出的电压信号判断是否有漏电,如有则执行闭锁动作,并通过RS485与采煤机主控器进行通讯发出预警。

由于采集的数据中难免会混入噪声及其他干扰信号,为提高采集信号的准确性,在软件设计中采用了提升小波变换方法进行去噪,首先分解零序电流,通过式(2)将采集得到的信号Ij拆分为偶数部分Ie和奇数部分Io[9]。

F(Ij)=(Ie,Io)

(2)

然后用Ie的预测值P(Ie)来对Io进行预测,定义标量特性Q(x),在式(3)的条件下计算全局量[10]。

Q(Ie)=Q(Ij)

(3)

最后再构造一个算子T,用以更新Ie,定义如下[11]:

Ie=Ie+T(Io)

(4)

再用上述方法更新Io,最后得到去噪后的Ij。同理可对采集的电压进行更新。

通过提升小波变换算法计算出去噪后的电流、电压信号快速准确地得出控制量,达到准确可靠的判断效果。

5 实验仿真

基准电压对漏电状态的判断至关重要,将本文所用的基准电压模块图3进行仿真,仿真结果如图6所示。

图6 基准电压电路仿真输出波形

从图6可见仿真波形与所计算的理论值一样,可见该基准电压电路的设计满足于该漏电保护装置的使用。

以截割电动机为例来对双回路耦合减法电路的有效性。图7展示了截割电动机正常工作时的波形,图8展示了漏电时的波形。

从图7和图8的对比可见双回路耦合减法电路能有效地滤除干扰信号,得出正确的漏电判断信号。

(a)图2中A点信号经过S后的波形

(b)图2中B点信号经过S后的波形

(c)图2中减法电路输出的波形图7 截割电动机正常工作时双回路耦合减法电路的输出波形

(a)图2中A点信号经过S后的波形

(b)图2中B点信号经过S后的波形

(c)图2中减法电路输出的波形图8 截割电动机漏电时双回路耦合减法电路的输出波形

6 结语

本文漏电保护装置采用了前置检测模块,对动力回路进行检测,以防高电压是损坏加大。利用霍尔传感器采集所需信号,设计双回路耦合减法电路模块,可有效抵制干扰信号。采用AZ431可控精密稳压源,给比较器提供稳定准确的基准电压值。采用C8051F120为控制器的主控电路,通过提升小波变换算法对输入控制器的信号进行去噪,得到准确可靠的漏电检测信号,从而根据该信号的大小判定是否有漏电产生,若有漏电C8051F120就发出控制信号使闭锁装置切断动力线,禁止上电模块上电,从而达到漏电保护的作用。

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Design of Leakage Protection Device of Coal Winning Machine Based on C8051F120

LI Weiyi

(Shaanxi Energy Institute, Xianyang 712000)

Aiming at the defects such as low performance of anti-interference and low reliability, caused by the current leakage protection device of coal winning machine,this paper proposes an design of leakage protection device of coal winning machine based on C8051F120. this device uses open loop hall current sensor WHB20SY15D4 to detect the leakage current,and AZ431 controllable precision voltage source to provide protection device reference voltage value, the anti-interference of the leakage protection device is improved, C8051F120 mcu is used as the core of the electric leakage fastener to denoise the acquisition of the voltage and current signal, the accurate value is gotten, the reliability of leakage blocking device is improved. the experimental results shows that the leakage protection device is accurate and reliable, and can effectively overcome the interference of the noise.

coal winning machine, leakage protection, C8051F120, AZ431

2016年9月9日,

2016年10月26日

李炜怿,男,讲师,研究方向:电力电子技术应用。

TM331

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.039