煤矿直流架线系统漏电保护控制器的设计说明书
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煤矿直流架线系统漏电保护器的设计摘 要 针对采用大功率晶闸管整流牵引机车的供电系统存在的安全隐患,基于直流脉冲电源的直流架线系统漏电保护原理,开发了漏电保护器,漏电保护器采用数字化控制,有故障记忆和存储显示功能。使用了两片STM32系列处理器处理信息,提高了实时性、可扩展性和人机交互功能的能力。漏电保护器还具有过流保护的功能。漏电保护器还可以用在除煤矿井下的其他直流供电系统中。关键词 煤矿直流架线系统 漏电保护器 直流脉冲电源 数字化控制 Design of electric leakage protection technology of mine DC trolley systemAbstract According to the shortages of the rectifier used in mine haulage locomotive with the silicon trolled method for the rectification, the paper provided the electric leakage protection principle of the mine DC trolley system base on additional DC pulse power. The prototype integrated rectification and electric leakage protection function was made base on the principle with the digital control and fault memory, storage and display function. Using two pieces of STM32 series processor processes the information, improve the real-time, expansibility and function of human-computer interaction ability. electric leakage protection also has over-current protection function. It can also be used in other DC power supply system except of mine.Key words DC trolley system Additional DC source The electrical leakage protector Digital controlII目 录摘要IAbstract II1 前言12 漏电保护器的发展12.1 漏电保护器研究的意义12.2 漏电保护器的发展历史以及现状和前景12.3 市场上漏电保护器的缺点23 矿井供电系统的主要保护装置及原理2 3.1 过流保护的原理和不足2 3.2 接地保护的原理和不足2 3.3 漏电保护的重要性和作用34 中央控制系统的电路设计44.1 实施方案的硬件框架44.2 数据采集电路的设计54.3 按键与报警部分电路设计64.4 显示电路设计74.5 电源电路的设计84.6 触发电路的设计95 器件选择及其优点95.1 传感器的选择95.2 处理器选择95.3 其他器件选择106 数据采集分析处理107 保护器软件设计118 漏电保护器抗干扰性能设计129 结论12参考文献13致 谢14附 录152煤矿直流架线系统漏电保护器的设计 1 前言一些发达国家在矿下防止触电事故的方法主要采用架线电网区段化法、保护屏障法、漏电保护法、双架线供电法。前两种方法存在明显缺点,比如要改变电网运行状态,已经建立的电网重新改建费用不菲。国内煤矿下低压电网漏电保护主要采用零序电流法,然而该方法容易受到架线上的寄生电感、寄生电容和天气的影响。通过对市场的调研和辛勤的实验,以及对煤矿直流架线系统的研究分析,对漏电保护原理的深度探究,本人及队友在老师的帮助下共同研发出了一个基于脉冲直流保护原理的漏电保护装置。本装置具有高灵敏度、高可靠性等特点。通过实验观察发现能够保护生命体,反应速度也远超继电器式保护装置。根据当前国内煤矿发展需求和技术的日新月异的发展,研制的漏电保护器是一种专门用于矿井下直流架线系统的保护装置,井上或其它地方使用直流的系统的也可使用设计的漏电保护器。该漏电保护器主要特点是漏电检测触发时间在安全时间以内,能够降低触电伤亡率;采用STM32控制,可以实现供电和漏电一体化。2 漏电保护器的发展2.1 漏电保护器研究的意义一份大中型矿井现场调查统计资料中的一项明确表明,触电事故在矿井所有的事故中所占的比例大约为30%。由于大部分电气事故所造成的破坏不明显,只有个别特大事故造成的破坏的程度大,所以一般的电气事故很少会引起社会注意,影响生产的时间也不长,这样也就很难引起上级重视,造成恶性循环,对矿井的安全形成一种潜在的隐患。煤矿井下供电有三大保护即漏电保护、保护接地、短路保护。在低压供电系统中三大保护对保护人身安全有重要的作用。保护接地:将电气设备的不该带电的外壳金属部分用导电性良好的导体与埋在地下的大面积导体连在一起。这样,电气设备因漏电使外壳带电的电压对地电压降低,减小了流经人体的电流,因此降低了伤亡率。漏电保护:是在供电系统中装接漏电保护器。一般安装在供电配电柜中。其作用是:当供电系统漏电时,能迅速断电,进行绝缘监视;当人体触电时,瞬间切断电源,短的人体不会感觉得到。短路保护:在电路中接入限流继电器、过流继电器、熔断器等。其作用是当线路以及电气设备的工作电流超过规定值时,自动切断电源,保护线路以及电气设备。所以研制一种高可靠性、高安全性的漏电保护器对生产有重要意义。2.2 漏电保护器的发展历史以及现状和前景十九世纪以来,漏电保护越来越受到人类的重视,自从出现触电伤亡开始,技术人员就开始对漏电保护技术研究了。而漏电保护器,是因触电保护的需要在二十世纪才出现的。20世纪末期出现了许多的有关触电保护的方法,如电压动作漏电断路器。1928年德国根据高压差动保护原理,提出剩余电流动作漏电分析判断方法。根据这一原理,法国在十九世纪三十年代初期,制成了第一台剩余电流动作型漏电断路器。考虑到其安全系数高,也做了动物和人的触电试验。但英国等周边国家仍然使用以电压动作型为主的漏电保护器。可以说,三十年代初触电漏电保护器采用电压动作型漏电保护器,四十年代末德国等国家又重新启用电流动作型为核心的漏电断路器,剩余电流动作型为主要原理的触电漏电保护器,六十年代之后才开始批量生产。这些漏电保护器主要用于直接接触的裸线和金属外壳部分以及保护接地线部分。这些措施由于自身局限不能用于煤矿生产,或者灵敏度低,故障率高。研究一种可靠智能的漏电保护装置迫在眉睫。随着电子技术电力技术的迅猛发展对漏电保护提出了新的要求,漏电保护不但对安全有要求,也逐渐网络化、智能化。随着嵌入式功能日益强大,漏电保护技术的发展前景愈加广阔。2.3 市场上漏电保护器的缺点目前市场上主要型号的漏电保护器主要使用继电器等机械开关,严重影响了断电时间,据有关资料显示断电时间均在百毫秒级,而在矿下直流架线六百伏电压下人的安全时间在五十毫秒以内。所以目前漏电保护器安全系数不高。另一个原因继电器不具备选择性,因此容易误动作,降低了可靠性。另一些继电器因为没有漏电闭锁降功能,能够在漏电情况下再次启动,也降低了电网的安全性。一些继电器功能单一竟然不设有过流保护功能,降低了保护器和用电机械的使用寿命。如此的设备用不能保护人的生命体安全,有待完善。 3 矿井供电系统的主要保护装置及原理 3.1 过流保护的原理和不足过电流是矿井下电力供电网络的主要故障之一,我国相关规定要求必须安装过电流保护,尤其是低压电力供电网络,在电力供电网络安装一些具有过电流保护装置的设备,是供电保证连续和安全不可或缺的措施。从过去几十年到现在,鉴幅式继电保护在我国广泛流行,电子保护也普及应用,尽管这种保护一般情况下能保证在出故障下被保护的线路不会被错误地断开,但某些情况下其保护特性不能发挥正常,而且在短路时候保护能力会产生严重变差的后果。有些情况下,大功率电机瞬间起动时会产生误动作,导致一般正常生产无法继续的后果。短路故障的危害性极大,所以规程要求短路保护要具有较快的动作速度,也必须有较大的电网保护范围。短路保护与电网的相序有关系。如果电力供电电网工作于逆相序,就势必会造成短路保护出现误判。变电所位于电力供电电网的最末端,相序未知因此要判断电网是正相序运行还是逆相序运行,这样才能使保护设备正常运行。 3.2 接地保护的原理和不足我国对于矿井接地保护有着明确的规定。煤矿安全规程中有一点规定大于三十六伏的电气设备的必须接地,如果设备外漏部分不接地产生漏电时,有人触电,就会导致事故发生;但如果设备接地,电网对地没有高压回路产生,就会安全。所以保护接地线是一道安全生命线。保护接地后,如果设备发生碰壳等漏电事故,因为经过接地,漏电保护器会检测到对地电流,从而关闭电源,所以这也是一种带来安全的保险措施。由于人体电阻较小只有并联才能分担一部分电流,所以并联接地。其实接地的话可以认为是利用的短接的原理,短接之后电阻比人体电阻小得多可以认为只有极少的电流流过人体。电力电网供配电系统中性点如何接线的方式对于安全很重要。中性点接地的方式一般认为可以分为中性点直接接地以及不直接(大电阻、电感)接地。单单从理论上进行分析探讨,当用电或者供电设备的中性点采用不直接接地方式时,系统线路及相干的一系列设备只要有一个设备发生了单相接地,那么接地点就会有很大电流流过电网,这样非正常电流就可能达到正常情况下的单相对地电容的电流的3倍以上,由于电流过大会产生瞬间电弧,如果设备不能消除电弧,这样就会使设备损坏。而此时中性点处对地电压将会达到相电压,但是其他的没有出故障的相电压转变为线电压,这样以来设备的中性点处的绝缘应以高于两倍线电压来考虑,机械设备的绝缘性要从线电压到相电压转变,因而产品制造的成本提高,不少也变得复杂许多。设备发生接地故障以单相接地故障居多,单相接地时若中性点直接接地,相电压正常情况下不会升高,设备中性点处绝缘特性和电网各相的绝缘特性将会仍保持原样,设备相对而言会简单便宜不少。但这样造成的弊病是出故障处的流过电容的电流增大到超过三相短路时产生的大电流,结果直接造成设备中性点、故障点构成的回路中瞬间流过的电流超过设备承受的额定电流,产生火灾。所以线路上一般情况下加上了断路器,在漏电保护器的配合下跳闸,瞬间将故障排除,等待故障消失后又自动将闸合上。3.3 漏电保护的重要性和作用以上两种保护都有着不可避免的缺点。所以提出更为严格的漏电保护做最后的防线。由于煤矿井下空气湿度大,地方小,温度高,各项施工条件相对地面差。尽管防范措施做的到位周全,但仍不可完全避免供配电力电网系统会发生漏电的可能。煤矿井下发生漏电,将会引起工作人员触电情况的发生,煤矿井下发生漏电还会酿成瓦斯爆炸、发生火灾等一系列灾难性事故。正因为以上原因,人们必须认识到井下漏电的危害和提高漏电保护的规范和标准的重要性,确保煤矿井下供配电力电网的安全运行。造成煤矿下漏电现象主要有如下几个因素:1) 操作使用不正确致使设备损坏造成的漏电。2) 电缆在井下被压、挤、刺出现导线露出。 3) 设备、电缆闲置不进行干燥,会导致设备、电缆受潮,致使绝缘性降低。4) 电气设备、电缆长期过载而发热,绝缘严重下降而漏电。5) 变压器的并联运行、对大型电气设备、检查维护不细,电缆线路过长、电机设备数量过多,导致电网绝缘性降低而漏电。煤矿井下,因为井下潮湿的环境,在电网发生漏电时危害性要比在矿上的漏电事故严重。例如如果人体接触将引起死亡危险。人在井下触电同地面同等电压的带电体相比,会因为井下环境相对潮湿,人体电阻极小(一般认为一千到三千欧姆),这样就会使人体立刻麻木,不容易摆脱带电体,超过50毫秒就造成触电死亡。所以一般断电动作时间设为50毫秒以内,但是很少有设备达到要求,所以研发一种快速动作的漏电保护器很具有现实意义和科学意义。再例如漏电会导致危险品的引爆。漏电如果产生火花,将能引起煤矿起火以及瓦斯爆炸等事故。井下供配电系统可以认为使用的是中性点绝缘的电力电网供配电系统,而且井下供电系统采取了保护接地等安全措施,还是不可以避免因为漏电造成的系列事故。由于井下电网的中性点不直接接地,导致当电网一相接地时,造成单相接地电流很小。过流保护装置需要的电流大于接地电流就不能触发保护电路。况且,短期不影响设备的运行,接地故障就不易发觉,这势必将对人身触电造成威胁,也会引起煤尘爆炸。鉴于此,为了防止人身触电必须装设漏电保护装置。漏电保护器通常装在电网的电源端。漏电保护器从触发动作特点上讲可分为三大类:漏电闭锁功能的保护器以及有选择性和无选择性功能的保护器。按照原理来讲,漏电保护装置可以外加直流电源。也有的漏电保护器通过测零序电流、电压的大小检测。这几种漏电保护装置在煤矿井的保护系统下很常见。漏电闭锁保护装置的作用是当电网发生漏电时漏电保护装置动作,会自动切断电源,起到保护的作用。漏电保护器不停歇地监视煤矿电网的电阻阻值状态,从而可以通过欧姆表原理,勘测电网对地的绝缘电阻,以便工作人员及时发现和处理电网问题。漏电保护器在电网以分散方式漏电时,也能切断触发电源,防止事态进一步扩大。所以漏电保护装置对井下的安全起着及其重要的作用。漏电保护装置的动作时间短,当发生人身触电时,在生命体触电时间短到还没有感觉到时(六百伏安全时间最短五十毫秒)漏电保护装置就已经切断了电网的主要电源,有效的防止了人体触电死亡案例的发生。漏电保护装置当然也可以作为电力电网短路保护的一种备用保护。当短路保护不合理或因为供电距离远,或者短路保护的灵敏度不够而失效时,漏电保护装置检测到短路可迅速动作,继而切断主电源。也可以在电气设备的保护接地电阻过大,即便是发生单相碰壳漏电时候,保护器迅速动作。以上可知为了防止电网漏电造成的各种危害必须在电网电路中装设漏电保护器。4 中央控制系统的电路设计4.1 实施方案的硬件框架方案主要实现的整体功能如图 4-1所示。状态检测电压检测移相触发器电流检测 STM32可控硅三相电直流负载附加电源STM32显示 图 4-1 实现功能图需要完成的部分整体框架如图 4-2所示。微处理器状态电压移相触发器电流驱动A/D显示示键盘盘图 4-2 框架简图漏电保护器的核心控制是用了一款叫STM32F103RBT6的单片机。通过电流传感器和电压传感器将采集的状态信号转化成模拟电压信号,再通过A/D转换器变为数字信号,交给单片机处理。单片机产生PWM波控制移相触发器控制可控硅的导通与关闭。主电源关闭的时候,附加反向电压检测是否漏电。产生漏电时关闭移相触发器信号并且报警。因此机车需要单向导通,即安装与机车串联的二极管。为了稳定电流使用了续流二极管。移相触发器在这里可以触发可控硅导通,也可以使晶闸管截。设计采用了两块STM32芯片,STM32之间通过串口通信。使用两片芯片的原因主要是为了提高对故障的检测的能力。为了进一步提高对故障的检测的能力,在软件设计方面采用了中断与查询相结合的方式。4.2 数据采集电路的设计采集电路主要通过数模转换实现,因为对数据精度要求不是极高,所以使用了STM32自带的数模转换接口如图 4-3所示。图 4-3 采集接口和单片机STM32F103系列产品内置2个12位的模拟/数字转换器,共用多达16个外部通道,可以实现单次或者扫描转换。由于芯片工作频率高(72MHZ),此采集电力数据的实时性大为提高,使用内部ADC通信,可靠性也有保证。并且系统不使用外部ADC节约了成本、减小了体积。众所周知,STM32F103的所有I/O口均可以配置为开关量输入端口。举例来说明,开关量信号由图 4-4中的左端的IN口输入,电路中包含了电容C1和电阻R1。他们一起构成了一阶的低通滤波器,低通滤波器的作用是除去高频噪声,还有减小信号的尖峰脉冲,使用光耦合器PC817、521等实现采集开关量(强电)与STM32F103间的电气隔离(地隔离),提高了系统电绝缘和抗干扰能力。开关量采集电路如图 4-4所示。图 4-4 光耦采集4.3 按键与报警部分电路设计按键主要用于显示控制和故障查询开启、停止等。按键连接方式如图 4-5所示。图 4-5 按键原理图该按键电路采用传统设计思维。按键接10K电阻再接VCC。无按键按下时I/O口为高电平,有按键按下是电平拉低产生中断执行响应程序。报警电路采用蜂鸣器报警,将I/O口输出电压信号通过三极管放大电路转换成20毫安左右的电流。如图 4-6所示。图 4-6 报警电路4.4 显示电路设计系统采用LM19264A液晶显示本地实时监控数据,提供了优良的人机交互界面的功能。19264选用的是基本型,物美价廉。能满足基本的显示问题,其中不包含字库。19264模块是19264点阵的图形液晶屏幕。要想显示汉字图形必须取模显示,将字模送入19264的内存后,该模块就会自动将内存里面的内容在液晶屏显示出来,背景色为蓝色。外观尺寸:13 * 65.0 *12.5毫米;视域尺寸:97.00 *32.00毫米。选用该芯片考虑到了需要显示的内容和字体的大小。利用STM32F103强大驱动性能控制液晶显示器,配置I/O口读写数据及控制信号的时序,即可实现对液晶的操作。设计采用另外一块STM32去控制信息显示。STM32之间通过串口通信。利用这种方式,主要是为了提高对故障的检测能力。采用并行连接方式,加快了访问速度。其接口电路如图 4-7所示。VSS1VDD2VO3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714PSB15NC16REST17NC18LEDVCC19LEDGND20P1GNDGNDVCC5VVCC5VVCC5VPSBDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7ER/WRS123RE1GNDVCC5V图 4-7 显示器接口4.5 电源电路的设计由于电源有380V交流、600V直流、220V交流、300V直流、15V直流、3.3V直流等,所以不同电源之间干扰必须考虑,故采用隔离电源、不共地等措施加以避免。使用整流桥将相电压转成300V直流提供反向的检测电压,原理图如图4-8所示。图 4-8 附加电源经过不共地处理的其他电源模块,如图 4-9中所示。图 4-9 低压稳压模块图中最重要的是3.3V电压,主要是STM32使用该电压。为了保证单片机长期正常工作,其电气隔离措施必须严格保证,在强电磁的环境中使用的话这一点很重要。图中的电容使用大小不同的两个电容,主要是考虑干扰信号的频率不同。小电容用于滤除超高频的信号,大电容用于稳压,滤除高频信号。4.6 触发电路的设计接受电压信号的移相触发器去控制晶闸管的经典的全控整流电路。晶闸管的特点是具有可以控制的单向导电性,即与普通的整流二极管相比,可以控制线路的导通状态。可控硅广泛用于可控整流、无触点开关、调光、调压、调速逆变等方面。可控硅体积小,重量轻,功耗也很低,开关在微妙级。选用可控硅主要是考虑到工作电流最大于三百安的需求。使晶闸管导通的条件是对可控硅施加正向电压,而且在门极施加触发脉冲。让晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的维持电流。使可控硅关断,我们可利用反向电压作用使可控硅的电流降到维持电流以下,便可使导通的可控硅关断,迫使可控硅关断的电路叫换流电路。设计中移相触发器已经继承了动作时间小于一毫秒的换流电路,保证了想开即开,想停即停的要求,简化了设计的思路,节约了成本。5 器件选择及其优点5.1 传感器的选择电流传感器选用霍尔型。霍尔电流传感器主要是无接触的测量导线中的直流,能适时地测量出导线中的电流的大小。输出与输入呈比例关系。即输入是什么信号,输出就是什么信号,只不过输出的信号成比例地缩小了。如果输入变化,输出也会跟随输入变化。如输入方波,输出也就是方波。输入直流信号,那输出就是直流信号。考虑到最大电流三百安,选用了量程为五百安转五伏的传感器,考虑到安全时间五十毫秒,采用了反应时间为两微秒的传感器。传感器工作过程如图 5-1所示。图 5-1 霍尔传感器通常情况下霍尔器件的输出电压在一定范围内和磁路呈线性关系,按照线性比例关系,只要测出霍尔型电流传感器的输出的电压U0,便可以间接地知道被测的电流I1,即:I1B1U0。为了满足要求可以在传感器上绕一定的匝数。匝数和电流几乎成正比。5.2 处理器选择单片机是整个系统设计的关键,现在在市场上单片机的种类很多,由于STM32具有以下优点:1)性价比高,32位的微型控制器其价格接近于16位和高端8位的控制器。2)有些型号的STM32可以选择一些固件库进行开发,不必对单片机内部寄存器等了解太多,对于新手来说就缩短了产品设计的时间。其功能丰富,工程控制和小嵌入式都能胜任。所以本设计采用了STM32单片机设计开发。选择STM32单片机的原因是:工作频率最高72MHz;处理速度快,具有单周期乘法和硬件除法;片上集成32KB的Flash存储器,能够满足数据采集需求;具有在线调试接口,给设计和调试产品带来极大的方便;内部包含ADC、USART以及定时器等需要用到的所有模块,外扩也方便。5.3 其他器件选择电源模块选用了HT7533提供3.3伏电压;使用H7805等给芯片提供稳定的5伏电压。选用隔离变压器作为附加三百伏电源。采用隔离变压器的原因是为了使主电源回路的电气特性与附加电源的电气特性完全隔离。防止六百伏与三百伏相互影响而无法控制。选择隔离变压器的另一个原因是隔离变压器的输出端口不会反馈到输入端造成设备损坏。人接触机车轨道时不会发生危险性触电事故,比较安全。使用额定电流五百安的晶闸管主要考虑到了两到三倍的裕量,保证可控硅的正常工作的需要,可控硅是目前能够承受电流最大的可控电力晶体管元件。移相触发器选用带有换流电路的器件,主要是为了随机触发;导通角恒为零度角,是为了获得最大电压和最稳的波形。 指示灯选用工业用的AD系列LED指示灯作为报警信号。选用AD系列指示灯,是因为AD系列指示灯寿命长,穿透力强且近处光线柔和,可靠性也好与其他类别的指示灯,而价格方面也不贵。6 数据采集分析处理 6.1 模拟架线系统的波形采集 CPU输出稳定的PWM波(占空比85.1%,频率21.2HZ)触发移相触发器,移相触发器控制可控硅导通和截至,进而整流输出矩形波。波峰峰值最高可达到七百伏,峰值最低六百伏。试验情况下负载为500V左右,有效值490V,此电压范围可以满足机车正常运行需要。采用零度角触发,不可调相位角,从而省去影响截止时间的阻容回路。这样独特设计大大加快了反映的时间。在输出零伏的时候,加上附加电源检测反向电流的大小,判断有无漏电的发生。输出负载波形如图 6-1所示。图 6-1 观测波形 6.2 采样信号的波形采集及处理利用数模转换将减弱的信号采集交给CPU,判断负载零伏时间,采集到的波形如图 6-2所示。图 6-2 杂波举例据实验发现波形下降沿会出现负脉冲,实验中采取电容消除失败,通过大量实验后,确定软件延时滤除杂波的方案是可行的。当单片机接收到低电平信号的时候,采取延时等待就不再理会是否是负脉冲。长期波形采集发现该方案并不能完全滤除杂波。在波形采集方案上加以改进,发现杂波消失。6.3 漏电电流采样当产生漏电时,采样选用光耦进行开关量采样。当发生漏电时,附加直流源回路会有电流流过,经过光耦隔离采集到开关量信号触发CPU中断处理程序,进而判断是否有漏电产生,如果有漏电发生,CPU发出命令停止PWM波形的产生,继而切断主电源,通过串口通知另一个单片机显示漏电信息并且使报警灯亮,蜂鸣器响。7 保护器软件设计软件逻辑如图 7-1所示。采样信号采样信号低电平?低电平?NONO输出附加电压YESYES显示断电操作状态监测图 7-1 软件逻辑图由于要实现的功能比较多,程序流程复杂,而必须在安全时间五十毫秒内完成处理程序三次以上,所以采取多芯片处理。设计使用uVision3集成开发环境开发。uVision3 IDE是一款集编辑、编译和项目管理于一身的,基于窗口的软件开发环境。开发环境集成了宏编译,C语言编译器,以及HEX文件产生器。开发环境具有如下特性:1) 源代码编辑器支持的C代码比较全面,给软件的编写带来极大的方便。2) 具有全套的开发工具、用户使用向导和设备数据表。3) 具有项目管理器用于创建、维护工程。4) 采用对话框的形式进行配置工具。5) 仿真调试器是源代码编写的,因此可以进行高速仿真。窗口介绍如下:1)工程区:用于访问文件组和文件,调试模式帮助查看CPU寄存器。2)输出窗口:显示编译结果、提示错误警告,方便了程序员查找语法错误。3)内存窗口:仿真时候显示内存里面的数据。4)查看栈窗口:用于查看RAM中某些指定变量的值。5)代码窗口:主要用于编辑代码,这里经常用。6)外设对话框:对CPU的外设的接口进行检查。程序代码分块编写完成,再进行架构上的完善,经过实验测试代码运行正常。软件部分包括初始化程序,各模块驱动程序,状态响应程序和主程序。 8 漏电保护器抗干扰性能设计 使用看门狗、强电弱电分离、光耦隔离、PWM波、使用隔离电源等措施,从而增强了系统的可靠性。STM32的看门狗系统通过硬件或软件启动,有独立于CPU的递减计数器,且有内部独立的低功耗时钟,这样一来即使主时钟失效,看门狗溢出时也可以使STM32复位。设计中由于低电平时间为三毫秒所以三毫秒,内要保证执行程序两到三次以上,再考虑到程序长度,确定喂狗时间为一百微妙。强电弱电布线分离措施,就是布线时把强电地和弱电地分开布线,板子上明显有分区,分离线两毫米以上。目的是减少强电电场对低压电路的干扰。强电因为电压高,容易产生很大的电磁干扰,跟弱电的线路走在一起会严重影响弱电的信号。距离应该远些,分开布线。光耦隔离使比芯片高几百倍的受控电压对之的影响降到最低。通过电控光和光控电起到电气隔离的作用。系统关键部分使用PC817,工作稳定,使用寿命长。其他对速度要求电压要求不高的地方使用TCP521即可,价格相对便宜。触发脉冲使用了STM32内置的PWM(脉宽调制)波。这样设计可以降低CPU工作对触发时间的影响。保证触发时间的精确,才能保证主电源的供电。使用隔离电源提供附加电源,保证主电源600V不会因为相位的变化将300V的电源烧毁。这样设计在实验中做到了电源的互不影响。9 结论经过多次短路实验,系统运行正常,可以迅速断电,而实验室保护系统未能来的及反应。说明漏电保护器的保护性能良好。经过几天的观察,系统没有出现异常。波形在成功后一切正常。每天不定时做触电实验没有产生过一次错误判断。经过大量的性能测试,漏电保护器迅速动作断电。该次设计说明有很强的实际可行性。本设计漏电保护可用在无粉尘或者有隔离措施的矿井中,比如隔爆型电源箱内。漏电保护器能够对矿车提供足够的功率支持,并且实现对触电生命体的保护,达到了预期目的。经过几个月的实验和老师的辛勤指导,终于有了收获。参考文献1 王彦文,高彦煤矿供电技术D中国矿业大学出版社,20122 刘延绪煤矿井下直流架线电网漏电保护的研究D中国矿业大学,19993 孔繁伟大中型矿井供电系统中存在的问题及解决思路J,20044 廖常初PLC编程及应用M北京:机械工业出版社,2003:212245 王彦文基于VI技术的三相电网动态参数测试分析仪的研究,电工技术杂志,20036 卢其威基于不对称交流方波的直流架线漏电保护技术J煤炭学报,2008,33(9)7 袁振海,马宏忠,陆伟良零序直流小电流选线系统有源二端口网络研究J电工技术学报,2005,38448 原志坤,李顺明附加电源直流检测式漏电保护在矿井中的应用及配合J煤矿现代化,2006(5):78-799 张银,周孟然煤矿井下电网漏电故障及保护技术分析J煤矿机械,2006(12):183-18510 渠云田电工电子技术M北京:高等教育出版社:2008:1-311 杨东,张应龙触/漏电保护器北京:化学工业出版社200812 王彦文基于零序功率方向选择性漏电保护系统的研究,煤炭科学技术,200513 刘子胥,李国顺,张长勇基于 DSP 的矿井电网选择性漏电保护的研究护J煤矿安全,2008,26(4),26-2714 刘延绪,王瑞年,凌锦昌煤矿井下直流架线电网漏电保护的数学模型J煤炭学报,1995(3)15 牟龙华,孟庆海,刘建华可通信式智能选择性漏电保护系统的研究J电工技术学报,2003,8216 王小华低压漏电保护新技术的研究J煤矿机电,200852 (5)52-5317 唐轶选择性漏电保护M北京:煤炭工业出版社,199518 胡天禄漏电保护参数与安全的关系J中国矿业大学学报,1991(4)19 李斌袁振海矿井低压电网零序直流选择性漏电保护原理的研究及实现J工矿自动化,2007,57(3),5720 姚国珍,康怡基于DSP的电力数据采集平台的设计与研究J电子工程师,2004,30(4):727421 唐轶选择性漏电保护M北京:煤炭工业出版社,199522 林涛,邹黎华,耿勇男多类型多通道的数据采集系统的设计J电子测量与仪表学报,2009,23(S1):236-23923 王彦文快速断电安全技术M北京:煤炭工业出版社,199624 季力基于STM32芯片的电参数测量与数据传输自动化与仪器仪表,2010(3):137139 25 王龙水浅析10kV配电网可靠性运行及维护城市建设理论研,201126 刘建民井下漏电原因分析及预防措施内蒙古科技与经济, 200427 曹圆圆基于STM32的温度测量系统J自动化与 仪器仪表,2010(3):161828 胡天禄矿井电网的漏电保护M北京:煤炭工业出版社,1987致 谢 值此论文完成之际,衷心感谢我的老师们,在毕业设计的过程中给予我悉心的指导和帮助,他们对待学识的严谨态度和作风让我感触颇深。感谢周志宇老师,作为我班的辅导员,在大学生活期间,给予同学们的帮助和教导。感谢2009届电子信息工程的全体同学,和我一起度过了难忘的四年时光。感谢我的爸爸妈妈,将我培养成人,教育我,帮助我。最后,对审批此论文的老师表示深深地谢意。 附 录1)初始化程序:Stm32_Clock_Init(9); /系统时钟设置delay_init(72); /延时初始化uart_init(72,9600); /串口初始化 LED_Init(); /初始化与LED连接的硬件接口EXTIX_Init(); /外部中断初始化Timer3_Init(150,7199);/10Khz的计数频率,计数到150为15msTimer4_Init(10,719); /100Khz的计数频率,计数到10为100usAdc_Init(); /AD初始化PWM_Init(3413,999); /分频1000份。PWM频率=72000/3413=21.09hzPWM_start();2)主程序:while(1) fz_cu=AD_AVG(10,10);fz_cu=(fz_cu/4096)*3.3*100;if(u16)fz_cu299)/PWM_stop();IN1=1;OUT1=0;/黄灯指示 3)数模转换程序:void Adc_Init(void) /先初始化IO口 RCC-APB2ENR|=1CRL&=0XFFFFFFF0;/PC0 anolog输入/GPIOC-CRL|=0X00000000;/PC0模拟输入/通道10/11设置 RCC-APB2ENR|=1APB2RSTR|=1APB2RSTR&=(1CFGR&=(3CFGR|=2CR1&=0XF0FFFF; /工作模式清零ADC1-CR1|=0CR1&=(1CR2&=(1CR2&=(7CR2|=7CR2|=1CR2&=(1SQR1&=(0XFSQR1&=0SMPR1&=0XFFFFFF00;/通道10,11,12采样时间清空 /ADC1-SMPR1|=7SMPR1|=7SMPR1|=7SMPR2|=7CR2|=1CR2|=1CR2&1CR2|=1CR2&1SQR3&=0XFFFFFFE0;/规则序列1 通道chADC1-SQR3|=ch; ADC1-CR2|=1SR&1DR;/返回adc值串口程序:#ifdef EN_USART1_RX /如果使能了接收/串口1中断服务程序/注意,读取USARTx-SR能避免莫名其妙的错误 u8 USART_RX_BUF64; /接收缓冲,最大64个字节./接收状态/bit7,接收完成标志/bit6,接收到0x0d/bit50,接收到的有效字节数目u8 USART_RX_STA=0; /接收状态标记 void USART1_IRQHandler(void)u8 res; if(USART1-SR&(1DR; if(USART_RX_STA&0x80)=0)/接收未完成if(USART_RX_STA&0x40)/接收到了0x0dif(res!=0x0a)USART_RX_STA=0;/接收错误,重新开始else USART_RX_STA|=0x80;/接收完成了 else /还没收到0X0Dif(res=0x0d)USART_RX_STA|=0x40;elseUSART_RX_BUFUSART_RX_STA&0X3F=res;USART_RX_STA+;if(USART_RX_STA63)USART_RX_STA=0;/接收数据错误,重新开始接收 #endif /初始化IO 串口1/pclk2:PCLK2时钟频率(Mhz)/bound:波特率/CHECK OK/091209void uart_init(u32 pclk2,u32 bound) float temp;u16 mantissa;u16 fraction; temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);/得到USARTDIVmantissa=temp; /得到整数部分fraction=(temp-mantissa)*16; /得到小数部分 mantissaAPB2ENR|=1APB2ENR|=1CRH&=0XFFFFF00F; GPIOA-CRH|=0X000008B0;/IO状态设置 RCC-APB2RSTR|=1APB2RSTR&=(1BRR=mantissa; / 波特率设置 USART1-CR1|=0X200C; /1位停止,无校验位.#ifdef EN_USART1_RX /如果使能了接收/使能接收中断USART1-CR1|=1CR1|=15; /接收缓冲区非空中断使能 MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQChannel,2);/组2,最低优先级 #endif18
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