基于C8051F120的采煤機漏電保護裝置的設計*

李煒懌

(陜西能源職業技術學院 咸陽 712000)

基于C8051F120的采煤機漏電保護裝置的設計*

李煒懌

(陜西能源職業技術學院 咸陽 712000)

針對當前采煤機漏電保護裝置抗干擾性差,漏電閉鎖裝置可靠性低的問題,論文設計了基于C8051F120的采煤機漏電保護裝置。該裝置中用WHB20SY15D4型開環霍爾電流傳感器來檢測漏電電流,用AZ431可控精密穩壓源來給保護裝置提供基準電壓值,提高了漏電保護裝置的抗干擾性;采用以C8051F120微處理器為核心的漏電閉鎖檢測裝置,對采集的電壓及電流信號進行去噪,得出準確的判斷值,提高了漏電閉鎖裝置的可靠性。實驗證明:該漏電保護裝置檢測動作準確可靠,并有效克服了噪聲的干擾。

采煤機; 漏電保護; C8051F120; AZ431

Class Number TM331

1 引言

為了減少漏電引起的事故和人身觸電事故的發生,漏電保護在電力系統中得到了廣泛的應用,漏電保護技術可有效保證設備安全及生命安全[1]。由于井下采煤環境惡劣,采煤機在礦井下工作時難免會受到環境的影響,導致其出現漏電等故障,所以漏電保護裝置對于井下采煤機來說是必不可少的。安全性、可靠性、速動性、靈敏性為采煤機漏電保護裝置所必備的四大基本性能[2]。中性點不接地方式為目前采煤機的主要供電方式,由于該方式發生漏電時電流極小,難以區分是否有故障發生,所以需附加一個直流檢測電源,此類漏電保護裝置為目前用的較多的附加直流電源法[3～5],如圖1所示,圖中SK為三相電抗器,LK為零序電抗器,KA為繼電器,O為中性點。由于該方法存在抗干擾性差,容易引起牽引電動機產生誤動作可靠性不高[6],所以本文提出了基于C8051F120的采煤機漏電保護裝置。本文首先介紹了該裝置的整體設計,分析了漏電保護原理;然后通過硬件和軟件兩方面的分析,介紹了該采煤機漏電保護裝置的主要硬件構成和軟件控制流程設計;最后通過實驗證明該漏電保護裝置檢測動作準確可靠,并克服了變頻調速過程中的干擾。

圖1 附加直流電源法保護電路示意圖

2 漏電保護裝置的總體設計

本文設計的漏電保護裝置的總體設計如圖2所示,圖中S為WHB20SY15D4型開環霍爾電流傳感器,J為減法電路,K1和K2為耐高壓的繼電器。K1和K2組成了動力回路檢測系統,用以在漏電檢測前先對動力回路進行檢測,當動力回路中電壓、電流不為零時,說明該回路已經運轉,K1斷開,漏電閉鎖檢測電路被斷開,K2也斷開;反之,K1閉合,建立漏電閉鎖檢測通道,K2也隨之閉合。建立漏電檢測通道后,兩個霍爾傳感器分別從A,B兩點獲取電流值,然后將此電流值轉為電壓值送給減法電路進行處理,過濾掉交流干擾信號,得出直流有效信號,該直流信號通過比較器與基準電壓進行比較,將比較所得結果送給C8051F120主控系統進行實時分析判斷,若判斷有漏電故障,則控制閉鎖裝置進行閉鎖,切斷上電裝置,禁止動力回路得電,通過液晶屏將故障的信息顯示出來,并發出警報。

圖2 采煤機漏電保護電路示意圖

該漏電保護裝置設計的主要特點表現在:首先,采用了以高壓繼電器為主的前置檢測模塊,能在漏電檢測前對動力回路是否故障進行檢測,同時也能在漏電故障時快速斷開動力線路,以防動力線路中的高壓使損壞加大;其次,采用霍爾傳感器代替電流互感器對電壓采樣,能有效抵抗外界的干擾。另外設計了雙回路耦合減法電路模塊,對變頻過程中產生的干擾信號進行消除,確保直流信號的穩定性用于后級比較,在比較器模塊中采用AZ431可控精密穩壓源,代替用電阻分壓方式提供基準電壓,保證了基準電壓的穩定性;最后采用基于C8051F120的主控系統對比較器輸出信號進行分析,通過分析結果來控制閉鎖裝置對主回路進行切斷與否,同時將控制結果顯示到液晶屏上,達到控制的實時性與準確性,提高了該裝置的可靠性。

3 系統硬件設計

漏電保護裝置的硬件部分是以附加直流電源法電路為基礎進行改進,如圖2所示,整個保護電路除了由高壓繼電器及雙回路等電氣部分外,還有基準電壓模塊及主控系統等電子部分,現將對電子部分基準電壓模塊及主控系統硬件進行分析。

3.1 基準電壓模塊電路

在漏電保護電路的比較器基準電壓部分,采用的是AZ431電壓基準芯片提供的基準電壓,具備不受工作電壓、負載、溫度變化以及時間的影響,可提高保護電路的穩定性及抗干擾性。具體電路如圖3所示。

圖3 基準電壓產生電路

由于AZ431內部結構使得Vref端電壓值恒定為2.5V,而基準電壓輸出計算公式如下[7]:

(1)

從圖3中可知R3=5K,R4=5K,將其值帶入式(1)中,得出圖3電路產生給比較器的基準電壓值Vout為5V。由于AZ431為可控精密穩壓源,故可通過設計R3和R4的配置,使得Vout得到從2.5V～36V之間的任何值。

3.2 主控系統硬件設計

漏電保護裝置的主控系統以C8051F120微處理器為核心,該處理器內部擁有12位高速AD轉換器,8個8位寬度的I/O資源以及豐富的中斷資源[8],故主控系統外圍的硬件得到了很大的簡化,其原理框圖如圖4所示。

圖4 主控系統硬件結構設計框圖

圖4中獨立按鍵可實現操作員將信號輸入到處理器中,可實現急停,自校正信號的傳遞,LCD顯示器將檢測到的當前狀態進行顯示,采樣電路可對漏電信號進行采樣,送入控制器進行分析,通過分析結果實現對閉鎖裝置的相應控制,另外,控制器還可通過485方式與采煤機的主控器進行通訊,達到精確控制每一臺獨立的采煤機。

4 系統軟件設計

圖5 主控系統軟件設計流程圖

漏電保護裝置系統軟件設計的流程圖如圖5所示。首先將定時器及AD等模塊進行初始化,然后判斷漏電檢測信號是否啟動,如果啟動則進一步判斷是否有自校正與急停信號輸入,如有則執行對應操作,否則對電壓、電流信號進行采集,送入C8051F120進行小波變換進行進一步去噪,得出準確的電壓、電流信號,在根據得出的電壓信號判斷是否有漏電,如有則執行閉鎖動作,并通過RS485與采煤機主控器進行通訊發出預警。

由于采集的數據中難免會混入噪聲及其他干擾信號,為提高采集信號的準確性,在軟件設計中采用了提升小波變換方法進行去噪,首先分解零序電流,通過式(2)將采集得到的信號Ij拆分為偶數部分Ie和奇數部分Io[9]。

F(Ij)=(Ie,Io)

(2)

然后用Ie的預測值P(Ie)來對Io進行預測,定義標量特性Q(x),在式(3)的條件下計算全局量[10]。

Q(Ie)=Q(Ij)

(3)

最后再構造一個算子T,用以更新Ie,定義如下[11]:

Ie=Ie+T(Io)

(4)

再用上述方法更新Io,最后得到去噪后的Ij。同理可對采集的電壓進行更新。

通過提升小波變換算法計算出去噪后的電流、電壓信號快速準確地得出控制量,達到準確可靠的判斷效果。

5 實驗仿真

基準電壓對漏電狀態的判斷至關重要,將本文所用的基準電壓模塊圖3進行仿真,仿真結果如圖6所示。

圖6 基準電壓電路仿真輸出波形

從圖6可見仿真波形與所計算的理論值一樣,可見該基準電壓電路的設計滿足于該漏電保護裝置的使用。

以截割電動機為例來對雙回路耦合減法電路的有效性。圖7展示了截割電動機正常工作時的波形,圖8展示了漏電時的波形。

從圖7和圖8的對比可見雙回路耦合減法電路能有效地濾除干擾信號,得出正確的漏電判斷信號。

(a)圖2中A點信號經過S后的波形

(b)圖2中B點信號經過S后的波形

(c)圖2中減法電路輸出的波形圖7 截割電動機正常工作時雙回路耦合減法電路的輸出波形

(a)圖2中A點信號經過S后的波形

(b)圖2中B點信號經過S后的波形

(c)圖2中減法電路輸出的波形圖8 截割電動機漏電時雙回路耦合減法電路的輸出波形

6 結語

本文漏電保護裝置采用了前置檢測模塊,對動力回路進行檢測,以防高電壓是損壞加大。利用霍爾傳感器采集所需信號,設計雙回路耦合減法電路模塊,可有效抵制干擾信號。采用AZ431可控精密穩壓源,給比較器提供穩定準確的基準電壓值。采用C8051F120為控制器的主控電路,通過提升小波變換算法對輸入控制器的信號進行去噪,得到準確可靠的漏電檢測信號,從而根據該信號的大小判定是否有漏電產生,若有漏電C8051F120就發出控制信號使閉鎖裝置切斷動力線,禁止上電模塊上電,從而達到漏電保護的作用。

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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

李煒懌,男,講師,研究方向:電力電子技術應用。

TM331

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.039