矿用防爆开关智能保护器的研制.pdf

2 0 0 6 年6 月矿业安全与环保第3 3 卷第3 期矿用防爆开关智能保护器的研制王娜，韩治华 1 ．长安大学建筑工程学院，陕西西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 ．重庆工程职业技术学院，重庆 4 0 0 0 3 7 摘要介绍了采用 8 9 C 5 2单片机、串行 A ／ D转换器 M A X 1 9 2 ，串行接口L E D数码管及键盘管理器件Z L G 7 2 8 9 设计矿用防爆开关智能保护器的整体方案，以及电流采样、短路和过载保护的程序设计。关键词防爆开关i 智能保护器i 短路及过载保护中圈分类号 T D 6 7 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 6 0 3 0 0 3 8 0 3 由于矿井中存在粉尘、瓦斯等易燃易爆介质，要求矿井中的开关是防爆型的。对这类开关配备智能保护装置十分必要。本保护器用于对电压为 6 6 0 V 或 l 1 4 0 V 、电流6 3 0 A以下的防爆开关的智能保护。 1 保护器的功能 1 投切功能正常情况下，可对开关进行合闸投入运行操作；出现异常情况时，对开关进行分闸切断电源操作。 2 保护功能具有欠压保护、过载及短路保护、漏电保护功能，一旦出现以上故障，即可通过投切功能，切断电源。 3 监测功能对风机及温控设备故障信号进行监测，一旦这些设备出现故障，即可通过投切功能切断电源。 4 显示功能动态显示当前运行的电压电流值，出现故障时可显示故障类型及参数。 5 通信功能可通过 R S 一 4 8 5 通信 12 1 与地面的上位机进行通信，接收上位机的设置命令，报告当前运行参数。 2 总体设计本保护器主控单元采用 8 9 C 5 2 单片机，在外围设备选择上，考虑受环境限制，保护器必须安装在开关本体内，以达到矿井防爆技术的要求。而开关内的空间十分有限，从减小保护器体积和提高抗干扰能力出发， A ／ D转换器选用串行通信的 M A X 1 9 2 。显示及键盘接口电路选用串行接口L E D数码管及键盘收稿日期 2 0 0 5 1 01 0 ； 2 0 0 51 1 1 8修回作者简介王娜 1 9 5 5 一，女，陕西西安人。副教授，理学学士。研究方向为电气技术及建筑智能化。 - 38 管理器件 Z L G 7 2 8 9 。这两种器件所需外围元件少，既满足体积小的要求，又增强了系统的可靠性，同时由于单片机的数据线不用外引，其引入的干扰也降低了。此时 8 9 C 5 2所有的12 1 均作为 I ／ 0口。总体框图见图 l 。电电 8 9 C 5 2 图 1 保护器总体框图 3 串行口 D转换器 M A X 1 9 2的使用。 M A X 1 9 2 是 8 通道 l O 位 A ／ D转换器。采样频率 1 3 3 k I -I z ，精度和速度均满足本装置的需要。图 2 为 M A X 1 9 2 与 8 9 C 5 2 的接口电路，两者之间只用了4 根连线。电压电流图 2 M A X1 9 2与 8 9 C 5 2的接口电路维普资讯 2 0 0 6 年6 月矿业安全与环保第3 3 卷第3 期 M A X 1 9 2 的 C H 0一C H 7为输入通道，本装置的 C H 0 作为电压信号输入， C H 1 作为电流信号输入。当片选端西为低电平时，时钟线 S C L K每来一个上升沿，允许有 1 位二进制数由 D I N 口进入 M A X 1 9 2 ， C P U以这种方式向 A ／ D转换器发出控制字。 C P U通过向 M A X 1 9 2 写入控制字来启动某一通道的A ／ D转换，控制字的格式为各位含义如下 S T A R T 为 1 时起动 A ／ D开始转换先为0 。 s G I ／丽用来选择信号的输入模式单端输入模式 s G I 庙 1 ，双端输入模式 S G 廊 0 。 S E L 2 ， S E L l ， S E L 0 三位共有 8 种组合，用来选择信号的不同通道。这种选择也因 S G L ／ D I F 的不同而有表 l 和表 2 的区别。表 1 单端输入模式 S G I _ ／一D I F --1 时的通道选择 S E I _ 2 S E Ll S E L 0 CH O CH1 CH2 CH3 CH 4 C H5 CH 6 O1 7 AG ND 0 ‘ 0 0 ． 1 O O O O 1 一 1 O 1 一 O 1 O 一 1 l O _ _ O l 1 一 1 1 l ～裹2 双端输入模式 s G U 0 时的通道选择 S E L 2 S EL 1 S E 【 D C} D CHl C H2 C H3 CH 4 CH5 CH6 C H7 U N I 百为 1 时单极性，为0时双极性。 P D l ， P D o 共有 4 种组合， P D I ， P D o 0 0 ， 0 1 时为 2 种降低功耗模式， P D 。， P D o 1 0 时用内部时钟模式， P D ．， P D o 1 1 时用外部时钟模式。本保护器考虑到反馈功能的扩展，选用单端输入模式。如果要启动通道 l ，用外部时钟模式，信号为单端输入，单极性，则控制字应为 I 7 D 0 西为低电平时， S C L K每来一个下降沿，允许二进制数据由 B O U T输出， C P U以这种方式读取 A ／ D 转换结果。当西为高电平时，数据不可能由D I N进入，同时输出口D O U T为高阻态。将控制字写入 M A X 1 9 2 ，并将 A ／ D转换结果 1 0 位2 进制数读人单片机，子程序见图3 。一 0 8 H ． 8 位计数 P I ．一 0 ，使西有效 N OP ’ A左移 1 值．最高位进C Pi ．2 CC迭 DI N Pl 0 0 NO P ， NO P PIm 1 Y● NO P，NO P C L RA R ，一 0 2 H ；高2 位计数 P I ， 1 ； P 1 3 _ 作榆入囱 C l NO P I I 。 0 l l P I IBk △ l R 3 一 A ． A清霉 R ，一 0 8 ．低 8 位计晕 A Pl l l ，使 C S无图 3 子程序 A D S S 框图人口控制字已在寄存器 A中。出口 1 0 位二进转换结果已存在单片机的 R 3 高 2 位和 R 2 低 8 位中。 4 电流采样和过载短路的处理 4 ． 1 电流值计算按照 M A X I M公司给出的指标， M A X 1 9 2 A ／ D转换器满输出时的输入电压值为 4 ． 0 9 6 V 。所以电流信号输人的处理上就要设计成有短路电流时， C H 1 口的电压为4 ． 0 9 6 V 。系统的短路保护设置为额定电流的 l 0 倍，以6 3 0 A的开关为例，当电流互感器一次侧电流为 6 3 0 0 A时， C H 1 口的电压为 4 ． 0 9 6 V ，考虑到系统有时工作在 5 0 A及以下区域，此时二次侧的信号太小，不足以克服整流二极管的死区电压，所以输入端采用有源整流滤波，同时对于 1 0 0 A以下的电流信号，放大 2 0 倍后再送人 C H 1 进行转换。另外，从实测的情形看，电流互感器在 0 6 3 0 0 A 整段并非线性。在全段选若干个电流值，对每一个电流， l ，测出其对应的C H 1 端的电压，继而 3 9 一一一一一一 0 l O 1 O l O 1 O O 1 l O O l 1 0 O O O 1 l 1 l 维普资讯 2 0 0 6 年6 月矿业安全与环保第3 3 卷第3 期推算出每一个对应的A ／ D 转换值，于是就可以作出卜 D曲线，见图4 。其中纵坐标 D为 A ／ D转换值，横坐标，为互感器一次电流。图 4 J 一口关系实测曲线在任一直线段， D 、．， D ⋯ 上，对每一个采得的A ／ D值 D ，均可计算出对应的互感器一次侧电流值 L 相应的程序框图见图5 。 A一舯FH启动通道 l 的控制牛为9 F H调 A D S S 子程序得到判所在的直线段 l 按上式计算， T l 图 5 计算程序框图 4 ． 2 短路及过载保护当电流输入端采集到 A ／ D值为 3 F F H时，说明 A ／D输入端电压已过 4 ． O 9 6 V，一次侧电流达到 6 3 0 0 A ，即1 0 倍额定电流，立即跳闸，切断电源，实现短路保护。由于开关所带电器如电机、变压器等都有一定的过载能力，过载电流越大，承受时间越短。系统运行时， K倍的额定电流与保护延时动作时间t 的关系如表 3 所示。在 Kt 坐标平面标出表3 各点，其余点上近似用直线代替，即可绘制出如图6 所示具体的反时限图。在每一直线段 K．．， t 、， t 上，都可以根据当前计算出的 K值求出限时动作 t 值来，如图7 所示。 40 衰 3 K倍的额定电流与保护延时动作时问t 的关系额定电流倍数延时时间 t 无穷大 4 5 mi n 1 0mi n 2 mi n 1 5 s 立即跳闸 l 2 8 l 0 图 6 具体的反时限图 K ．。 K K K 图 7 根据计算出的 K值求限时动作t 值示意图显然有．． t t KK 1 厂将它换算成定时器的定时参数，即可利用单片机的定时器准确定时，时间到就利用投切功能切断电源。本保护装置已投入使用，实践证明，本保护装置能准确有效地对各种故障起到保护作用。责任编辑吴自立拿伪脚。。 2 D 维普资讯