基于CPLD電子脫扣器設(shè)計(jì)與功能測(cè)試

朱朝峰，劉　憲，吳振宇

（1. 海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430061；2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

基于CPLD電子脫扣器設(shè)計(jì)與功能測(cè)試

朱朝峰1，劉憲2，吳振宇1

（1. 海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430061；2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

直流斷路器是確保艦船供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備安全的重要開關(guān)設(shè)備之一，而斷路器的故障保護(hù)功能最終是由脫扣器來控制完成的。本文按照艦船某型直流限流裝置的功能需求，完成了對(duì)基于CPLD電子脫扣器的設(shè)計(jì)，對(duì)該脫扣器進(jìn)行功能測(cè)試，得出其抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿足應(yīng)用背景的需求的結(jié)論。

CPLD電子脫扣器設(shè)計(jì)與功能測(cè)試

0　引言

1在艦船電力系統(tǒng)中，直流斷路器是非常重要的電氣連接、控制和保護(hù)元件之一，而斷路器的故障保護(hù)功能最終是由脫扣器來控制完成的。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，研制高可靠性的電子脫扣器和更高一級(jí)的智能脫扣器成為斷路器的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文以艦船某型直流限流裝置為應(yīng)用背景，對(duì)基于CPLD電子脫扣器進(jìn)行了簡單設(shè)計(jì)，并設(shè)定電壓比較值和電流上升率，搭建測(cè)試平臺(tái)，完成了對(duì)基于CPLD電子脫扣器的功能測(cè)試。

1　整體電路設(shè)計(jì)

基于CPLD電子脫扣器電路整體電路示意圖如圖1所示。霍爾閉環(huán)電流傳感器輸出電流型信號(hào)，該傳感器對(duì)主回路電流進(jìn)行采集，并將該信號(hào)以10000∶1的變比輸出給基于CPLD的電子脫扣器，脫扣器采樣電路對(duì)傳感器提供的電流信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和鉗位，以滿足供電電源為+5 V電壓比較器的需要。比較器將比較結(jié)果以高、低電平的形式經(jīng)高速光隔傳輸給控制核心CPLD，CPLD對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行一系列邏輯判斷，并決定是否產(chǎn)生故障脈沖，該脈沖控制電容放電及故障動(dòng)作觸發(fā)電路的動(dòng)作，繼而控制產(chǎn)生故障動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，最終實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能。

概括起來，基于CPLD電子脫扣器的硬件部分主要由短路故障檢測(cè)和故障動(dòng)作觸發(fā)兩大電路組成，其控制核心選用抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、延時(shí)短的可編程邏輯器件CPLD。

短路故障檢測(cè)電路中的電壓比較器和控制核心CPLD分別由+5 V和+3.3 V兩組電源供電，該電源又由精度高、具有隔離作用的直流電源模塊（+24 V輸入）提供。這不僅使得短路故障檢測(cè)電路與外部電路間形成隔離，也使得其內(nèi)部主要器件間隔離開來，從而大大提高了脫扣器硬件電路的抗干擾能力。CPLD控制故障動(dòng)作觸發(fā)電路后上電的功能電路以及互鎖功能電路也都在一定程度上增強(qiáng)了脫扣器工作的穩(wěn)定性和可靠性。為了避免因脫扣器本身器件故障而引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤動(dòng)作，在電壓比較器和控制核心CPLD之間加入了互檢電路以提高脫扣器工作的可靠性。

圖1　基于CPLD電子脫扣器硬件整體電路示意圖

圖2　艦船某型直流限流裝置結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外，基于CPLD電子脫扣器電路中還采用了電源濾波、屏蔽、隔離和接地等多種抗干擾設(shè)計(jì)來提高其工作的穩(wěn)定性。

2　基于CPLD電子脫扣器應(yīng)用背景

基于CPLD電子脫扣器的設(shè)計(jì)是以艦船某型直流限流裝置為背景，脫扣器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由爆炸橋、脈沖變壓器和熔斷器構(gòu)成的。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，基于CPLD的短路故障動(dòng)作觸發(fā)電路產(chǎn)生脈寬約50 μs的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)脈沖變壓器引爆電雷管使爆炸橋動(dòng)作斷開，電流隨之轉(zhuǎn)移到與之并聯(lián)的熔斷器上，熔斷器起弧，電流逐漸衰減到零，起到限制短路電流的作用。

圖2所示為艦船某型直流限流裝置結(jié)構(gòu)示意圖，與主回路相連的有三條并聯(lián)支路，高速工況下，3#開關(guān)合閘，1#、2#開關(guān)分閘；中/低速工況下，1#/2#開關(guān)合閘，3#開關(guān)分閘。主回路中設(shè)置了兩臺(tái)LEM傳感器，一臺(tái)LEM數(shù)據(jù)傳給CAN板，通過 CAN總線傳給集控室進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，一臺(tái) LEM數(shù)據(jù)傳給電子脫扣器，作為短路故障判斷的依據(jù)。中低速工況下，1#開關(guān)（主用）首先閉合，2#開關(guān)（備用）斷開，判斷到主回路中發(fā)生短路故障時(shí)，電子脫扣器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)同時(shí)引爆主用支路上并聯(lián)的兩個(gè)爆炸橋，限制短路電流，之后斷開1#開關(guān)，閉合2#開關(guān)，判斷到主回路中再次發(fā)生短路故障時(shí)，電子脫扣器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)同時(shí)引爆備用支路上并聯(lián)的兩個(gè)爆炸橋，限制短路電流。

3　基于CPLD電子脫扣器功能測(cè)試

3.1調(diào)試條件

根據(jù)艦船某型直流限流裝置設(shè)計(jì)要求，下面對(duì)電壓比較器的比較閾值和CPLD中duanlu.v模塊的min、max值進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)計(jì)要求：

最大預(yù)期短路電流

最小短路電流

啟動(dòng)運(yùn)算電流：

動(dòng)作電流

3.1.1電壓比較值的確定

已知霍爾傳感器變比為 10000∶1，取樣電阻為4.7 Ω，6 W搪瓷電阻。

那么啟動(dòng)值

由于基準(zhǔn)零值被抬高到2.5 V，故

正方向時(shí)

反方向時(shí)

動(dòng)作值

由于基準(zhǔn)零值被抬高到2.5V，故正方向時(shí)

反方向時(shí)

根據(jù)基于 PAC-Designer軟件中 ispPACPOWR1208門限閾值的設(shè)定范圍和精度，正向電壓第一、第二比較值分別為3.8327 V和4.3696 V；反向電壓第一、第二比較值分別為 0.6802 V和1.0975 V。

3.1.2min、max的確定

3.2測(cè)試結(jié)果

3.2.1短路故障測(cè)試平臺(tái)與結(jié)果

1）如圖3所示，用RC電路模擬正向短路故障，將基于CPLD電子脫扣器中采樣電阻R10斷開，RC回路開關(guān)斷開，取0.1 μF電容兩端電壓作為正向短路故障信號(hào)。

通過調(diào)節(jié)R得到不同的電流上升率，見表1。

2）如圖4所示，用RC電路模擬反向短路故障，將基于CPLD電子脫扣器中采樣電阻R10斷開，RC回路開關(guān)斷開，取0.1 μF電容兩端電壓作為反向短路故障信號(hào)。

圖3　正向短路故障模擬電路

表1　不同的正向電流上升率下試驗(yàn)結(jié)果

圖4　反向短路故障模擬電路

通過調(diào)節(jié)R得到不同的電流上升率，見表2。

表2　不同的反向電流上升率下試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2其他功能測(cè)試結(jié)果

①上電后，ispPAC-POWR1208監(jiān)測(cè)CPLD工作狀態(tài)的6腳（IN1）有高電平輸入，7腳（IN2）有低電平輸入，14腳（BJ1）為高電平；通過跳線將IN1拉為低電平，ispPAC-POWR1208的14腳（BJ1）有低電平的報(bào)警信號(hào)輸出；去掉光隔電阻R18將IN2置為高電平，ispPAC-POWR1208 的14腳（BJ1）有低電平的報(bào)警信號(hào)輸出。

②上電后，ispPAC-POWR1208的 12腳（D2-1）有輸出至 CPLD 的低電平信號(hào)，ispPAC-POWR1208工作狀態(tài)指示信號(hào)（D02-1低），CPLD的BJ2為高電平；去掉R49將D02-1置為高電平，CPLD的BJ2為低電平。

③上電后，ispPAC-POWR1208的 17腳（DOWN）有高電平輸出，三極管 Q1導(dǎo)通，V_LED為高電平。

3.2.3幾個(gè)關(guān)鍵信號(hào)的波形

1）電子脫扣器掉電后，當(dāng)ispPAC-POWR1208電壓小于4.5 V時(shí)，其17腳（DOWM）變?yōu)榈碗娖健Ｈ鐖D5所示，CH1為ispPAC-POWR1208供電電源+5V電壓信號(hào)，CH3為DOWN信號(hào)。

圖5　+5 V電壓掉電及DOWN信號(hào)波形

2）當(dāng)模擬短路信號(hào)輸入時(shí)，基于 CPLD短路故障檢測(cè)電路判斷到主回路故障并發(fā)出132 μs的故障脈沖，經(jīng)光隔后輸出約50 μs的導(dǎo)通信號(hào)，迫使電容放電及觸發(fā)電路中三極管N1、N2導(dǎo)通。三極管發(fā)射極和集電極兩端的電壓波形如圖6所示。

3）測(cè)試條件如 2），電容放電及觸發(fā)電路中的三極管N1、N2導(dǎo)通后，與其串聯(lián)的電阻R4、R21兩端產(chǎn)生動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)，并作為脈沖變壓器的原邊輸入。脈變?cè)呌|發(fā)信號(hào)波形如圖7所示。

4　小結(jié)

本文主要以艦船某型直流限流裝置為應(yīng)用背景，從提高硬件電路的可靠性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力等方面考慮，完成了對(duì)基于CPLD電子脫扣器硬件電路的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出了電壓比較器和CPLD的參數(shù)設(shè)定值。通過搭建短路故障測(cè)試平臺(tái)來模擬短路故障，觀察斷路器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開斷情況，同時(shí)也對(duì)各輸出端口信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。得出結(jié)論：基于CPLD電子脫扣器結(jié)構(gòu)簡單，精度高，延時(shí)短，易兼容，工作穩(wěn)定、可靠，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)能夠滿足應(yīng)用背景的需求，可作為工業(yè)控制和軍事領(lǐng)域應(yīng)用的參考。

圖6　三極管N1、N2導(dǎo)通波形

圖7　脈變?cè)呌|發(fā)波形

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Design and Test of Electric Tripper Based on CPLD

Zhu Chaofeng1，Liu Xian2，Wu Zhenyu1
(1. Naval Representatives Office in No.438 Factory，Wuhan 430061，China; 2. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

The direct current breaker is one of the important switchgears to ensure safety of ship’s power supply and power equipment. Fault protective function of circuit beaker is carried out by the tripper. According to the functional requirements of a certain type of DC current limiting device in a ship，electric tripper with CPLD is designed. Test results show that the tripper has very strong anti-interference capability and can meet the needs of application background.

CPLD; electric tripper; design and test

TM561

A

1003-4862（2015）12-0026-04

2015-10-05

朱朝峰（1984-），男，助理工程師。研究方向：艦船電力電子技術(shù)。