CN201576961U - 一种风力发电用低压断路器的控制器 - Google Patents

一种风力发电用低压断路器的控制器 Download PDF

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黄巧亮
刘利
陈伟
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Abstract

本实用新型公开了一种风力发电用低压断路器的多功能智能控制器，模拟量输入通道包括电流信号输入通道和电压信号输入通道，电压信号输入通道电流、电流信号输入通道与电能计量芯片和多功能智能相连，分合闸控制模块输入端分别与模拟脱扣模块输出端及DSP处理器分合闸控制信号的输出端相连，DSP处理器与外扩存储器相连，DSP处理器经网络通信模块与以太网相连，DSP处理器与TCP/IP网络通信模块相连，DSP内嵌CAN控制器与CAN总线通信模块相连，CAN总线通信模块与CAN现场总线网相连。本实用新型集高速采集、实时处理、参数设置、网络监控、电能计量和谐波分析功能于一体，具有实时性好、可靠性高和成本低的特点。

Description

一种风力发电用低压断路器的控制器
技术领域
本实用新型属于用于风力发电的低压电器领域，尤其涉及用于风力发电的低压断路器。
背景技术
随着风力发电的推广，其相关的低压电器亦得到了迅速的发展。风力发电用低压断路器除了具有常规低压断路器的主要功能外，由于风力发电的特点还应具有一般断路器所不具备的电能计量、谐波分析等功能。
随着微电子技术、计算机技术以及网络技术的发展，智能设备的集成度提高及具有通信功能成为可能。目前，具有电能计量、谐波分析功能的风力发电用低压断路器实现方法的相关文献未见报道。
发明内容
为了适应风力发电的特殊要求，本实用新型的目的在于提供具有电能计量、谐波分析、现场总线CAN及Internet通信的一种风力发电用低压断路器多功能智能控制器。
本实用新型的技术方案是：模拟量输入通道包括电流信号输入通道和电压信号输入通道，电压信号输入通道电流、电流信号输入通道与电能计量芯片相连，电流信号输入通道与模拟脱扣模块相连，分合闸控制模块的输入端分别与模拟脱扣模块的输出端及DSP处理器分、合闸控制信号的输出端相连，DSP处理器与DSP的外扩存储器相连，DSP处理器经网络通信模块与以太网相连，DSP处理器与TCP/IP网络通信模块相连，DSP内嵌的CAN控制器与CAN总线通信模块相连，CAN总线通信模块与CAN现场总线网相连。
本实用新型集高速采集、实时处理、参数设置、网络监控、电能计量和谐波分析功能于一体，具有实时性好、可靠性高、成本低等特点。
附图说明
图1是本实用新型结构组成框图；
图2是图1中电流信号输入通道5、电压信号输入通道4电路原理图；
图3是图1中电能计量芯片3的电路原理图；
图4是图1中模拟脱扣模块6的电路原理图；
图5是图1中分合闸控制模块7的电路原理图；
图6是图1中CAN总线通信模块11的电路原理图；
图7是图1中TCP/IP网络通信模块10的电路原理图；
具体实施方式
如图1所示，本实用新型由电源模块2、DSP处理器1及外扩存储器8、电压信号输入通道4、电流信号输入通道5、电能计量芯片3、模拟脱扣模块6、分合闸控制输出模块7、节点设置模块9、CAN总线通信模块11和TCP/IP网络通信模块10组成。电流信号输入通道5、电压信号输入通道4与电能计量芯片3相连，电流信号输入通道5与模拟脱扣模块6相连，分合闸控制模块7的输入端分别与模拟脱扣模块6的输出端及DSP处理器1的分合闸控制信号的输出端相连，断路器的分、合状态经分合闸控制模块7传与DSP处理器1，DSP处理器1与DSP的外扩存储器8相连，DSP处理器1经TCP/IP网络通信模块10与以太网12相连。DSP处理器1与TCP/IP网络通信模块10相连。DSP内嵌的CAN控制器与CAN总线通信模块11相连，CAN总线通信模块11与CAN现场总线网13相连，实现基于现场总线CAN的通信功能；以AT89S8252与RTL8019AS相结合构成的TCP/IP网络接口模块，与DSP之间通过串行通信进行数据交换，可实现网络组态、远程集中监控和管理。电源模块2分别与上述各相应模块和处理器连接，为其提供电源。
低压断路器的电流互感器和电压互感器输出信号经电流信号输入通道5、电压信号输入通道4至电能计量芯片3的输入端，其中电流信号输入通道5采样电路前的信号还接至模拟脱扣模块6的输入端，当正常运行状态下出现特大短路电流或断路器由断开合闸到短路电路上，模拟脱扣模块6的输入信号超过规定的值，比较环节发出脱扣信号，经分闸控制电路将断路器断开，而不经过DSP处理器1的处理；DSP自电能计量芯片3读取瞬时电流值、瞬时电压值、瞬时功率值、电能值、电流有效值和电压有效值进行处理并判断是否报警或保护动作和谐波分析；DSP读取节点设置模块9所设置的值，用于设置本智能控制单元在网络中的编号，以识别不同的断路器。
如图2所示，模拟量输入通道包括电流信号输入通道5和电压信号输入通道4。电流信号输入通道5由移相电路、限幅电路和采样电路等组成，电压信号输入通道4由限幅电路、采样电路等组成。电流互感器输出信号经移相电路、限幅电路后接模拟脱扣模块6输入端，同时经采样电路、去耦电路接至电能计量芯片3的15脚和16脚；电压互感器输出信号经限幅电路、采样电路和去耦电路接至电能计量芯片3的9脚和10脚。具体为：电流互感器输出信号一端接电阻R22，电阻R22经电容C8接地，同时电阻R22接模拟脱扣模块6的X1、电阻R23、稳压管D8的阴极；电阻R23经电阻R26和电容C9接地，电阻R23同时接电能计量芯片3的芯片CS5460A的16脚；稳压管D8的阳极接稳压管D10的阳极，稳压管D10的阴极接地；电流互感器输出信号的另一端接地，同时电流互感器的该输出端接电能计量芯片3的芯片CS5460A的第15脚。电压互感器输出信号的一端接稳压管D4的阴极，同时电压互感器的该输出端经电阻R18接电能计量芯片3的CS5460A的第9脚；电能计量芯片3的芯片CS5460A的第9脚经电阻R20、电容C6接地；稳压管D4的阳极接稳压管D6的阳极，稳压管D6的阴极接地；电压互感器输出信号的另一端接地，同时电压互感器的该输出端接电能计量芯片3的CS5460A的第10脚。
如图3所示，电能计量芯片3由芯片CS5460A构成。电流信号输入通道5的采样电路输出信号接至CS5460A的第15脚、第16脚，电压信号输入通道4的采样电路输出信号接至CS5460A的第9脚、第10脚；CS5460A通过其双向串行口SDI、SDO、SCLK与DSP的PB00、PB01、PB02相连。具体是：电能计量芯片U1的第9脚接A相电压输入通道中采样电路的输出信号；电能计量芯片U1的第16脚接A相电流输入通道中采样电路的输出信号；电能计量芯片U1的第10脚、第15脚、第13脚、第4脚接地；电能计量芯片U1的第11脚、第12脚同时经电容C13接地；电能计量芯片U1的第1脚经晶振C5接电能计量芯片U1的第24脚；电能计量芯片U1的第14脚经电阻R3接电源VCC，电源VCC经电容C1接地；电能计量芯片U1的第3脚接电阻R4的一端，电阻R4的另一端同时经电容C2接地、电阻R1接VCC；电能计量芯片U1的第17脚分别经电阻R31接地、经电阻R30接电源VCC；电能计量芯片U1的第19脚接复位电路的输出信号RSTOUT；电能计量芯片U1的第7脚、第23脚、第6脚、第5脚分别接信号处理器TMS320F2812的第48脚、第45脚、第46脚、第47脚。
如图4所示，模拟脱扣模块6由基准电压形成电路和窗口比较电路组成。电流信号输入通道5中采样电路前的电流信号X1、X2、X3分别接运算放大器U18的5、7脚，运算放大器U18的9、11脚及运算放大器U19的5、7脚；运算放大器U19与电阻R59～R66、电容C66、C67、二极管D16、三极管T5相结合，提供合闸瞬间及稳态下的基准电压，输入到运算放大器U20的3脚，运算放大器U20的1脚输出接运算放大器U18的7、11及运算放大器U19的11脚，同时经电阻R57接运算放大器U20的6脚进行反相，运算放大器U20的7脚输出接到运算放大器U18的4、8及运算放大器U19的4脚；在断路器合闸后瞬间，VCC通过R66向C67充电，U19的第14脚输出高电平接U19的第11脚，U19第11脚的电压高于U19第10的电压，U19的第13脚输出高电平，使三极管T5饱和导通，集成运放U20第3脚上的电压较低；当C67充电至电压超过U19第9脚的电压时，U19第14脚输出低电平接至U19的第11脚，U19第13脚输出低电平，三极管T4截止，U20第3脚上的电压较高；当X1、X3、X5中的一个或几个信号峰值超过U20输出的基准电压时，比较器均可输出正的方波信号，所有输出的方波信号以“或”的形式，输出到分闸控制输出模块的输入端；在断路器分断后，C67储存的电荷通过D16释放。具体为：运算放大器U19的8脚接电阻R66，同时8脚接二极管D16的阳极及电解电容C67的“+”端，电阻R66接二极管D16的阴极，同时接电源VCC；运算放大器U19的9脚接电阻R64，同时9脚接电阻R63及运算放大器U19的10脚，电阻R63再接电源VCC；运算放大器U19的13脚接电阻R62，同时13脚接三极管T5的基极，电阻R62再接电源VCC；三极管T5的发射极接地，三极管T5的集电极接电阻R61，同时集电极接电阻R60，电阻R60再接运算放大器U20的3脚，同时电阻R60接电阻R59，电阻R59再接电源VCC；运算放大器U20的2脚与输出1脚相连，运算放大器U20的1脚接运算放大器U18的7、11脚及运算放大器U19的7脚，同时运算放大器U20的1脚接电阻R57，电阻R57再接运算放大器U20的6脚，同时电阻R57接电阻R56，电阻R56再接运算放大器U20的输出7脚，运算放大器运算U20的5脚接电阻R58，运算放大器U20的输出7脚接运算放大器U18的4、8脚及运算放大器U19的4脚；R50～R55为上拉电阻，一端与VCC相连，另一端分别与运算放大器U18的2脚、1脚、14脚、13脚及运算放大器U19的2脚、1脚相连；D10～D15的一端与模拟脱扣输入端相连，另一端分别与运算放大器U18的2脚、1脚、14脚、13脚以及运算放大器U19的2脚、1脚相连；C44、C45、C46、C47、C64、C65为去耦电容，C44、C46、C64的一端与+12伏电源相连，另一端接地，C45、C47、C65的一端与-12伏电源相连，另一端接地。
如图5所示，分合闸控制模块7由光耦隔离电路与输出驱动电路组成。DSP处理器1及模拟脱扣模块6发出的分闸信号以“或”的方式接到光耦U26的2脚，合闸信号接光耦U26的4脚；输出驱动电路由功率管T3、T4、感应电动势释放电路D37、R87，D39、R88组成，功率管的控制端分别接到光耦的7、5脚。具体为：模拟脱扣发出的分闸信号BREAK接二极管D33的阴极，DSP发出的分闸信号BREAK1接二极管D34的阴极，二极管D33的阳极接光耦U26的2脚，同时二极管D33的阳极接二极管D34的阳极及电阻R78，电阻R78再接电源VCC；DSP发出的合闸信号接光耦U26的4脚；光耦U26的3脚接电阻R79，电阻R79再接电源VCC，光耦U26的1脚接电阻R80，电阻R80再接电源VCC，光耦U26的6脚、8脚同时接电源VCCL；光耦U26的7脚接复合功率管T3的基极，光耦U26的5脚接复合功率管T4的基极；复合功率管T3的发射极接地，复合功率管T3的集电极接分闸磁通变换器的线圈，同时复合功率管T3的集电极接电阻R87，电阻R87再接二极管D37的阳极，二极管D37的阴极接二极管D36的阴极，同时二极管D37的阴极分闸磁通变换器的线圈，二极管D36的阳极接电解电容C79的“+”端；复合功率管T4的发射极接地，复合功率管T4的集电极接合闸磁通变换器的线圈，同时复合功率管T4的集电极接电阻R88，电阻R88再接二极管D39的阳极，二极管D39的阴极接二极管D38的阴极，同时二极管D39的阴极合闸磁通变换器的线圈，二极管D36的阳极接电解电容C79的“+”端；C68为去耦电容，一端接电源VCCL，另一端接地。
如图6所示，CAN总线通信模块11由高速光耦、CAN总线收发器组成。DSP内嵌的CAN控制器与高速光耦U5、U6相连，高速光耦U5、U6再与CAN总线收发器U7相连，CAN总线收发器U7再与CAN总线(CANH、CANL)相连。CAN总线收发器U7是CAN控制器与物理总线间的接口，可提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，将普通的高低电平转换成差分形式向外发送，以增强传送信号，增加传输距离。具体为：信号处理器TMS320F2812内嵌的CAN控制器经信号处理器TMS320F2812的第87、89脚分别与高速光耦U5、U6的第3、6脚相连，高速光耦U5、U6的第6、3脚分别与CAN总线收发器U7的第1、4脚相连，CAN总线收发器U7的第7、6脚分别与CAN总线的CANH、CANL相连；高速光耦U5的2脚接电阻R46，电阻R46再接电源VCC，高速光耦U6的2脚接电阻R49，电阻R49再接电源VCCL；CAN控制器U7的8脚接电阻R51；电阻R45、R47、R48、R50为上拉电阻，电阻R45一端接电源VCC，另一端接高速光耦U6的6脚；电阻R47一端接电源VCC，另一端接高速光耦U6的7脚；电阻R48一端接电源VCCL，另一端接高速光耦U5的7脚；电阻R50一端接电源VCCL，另一端接高速光耦U5的6脚；C19～C21为去耦电容，一端与VCCL相连，另一端接地。
如图7所示，TCP/IP网络通信模块10由微处理器IC1、网络控制器IC2、串行E2PROM芯片IC5、隔离滤波器IC3等组成。微处理器IC1的数据总线、地址总线分别与网络控制器IC2的低8位数据总线、低5位地址总线相连；微处理器IC1的两个I/O引脚分别与串行E2PROM芯片IC5的第5、6脚相连；微处理器IC1的串口引脚经电平转换芯片U14分别与DSP的串口引脚相连，两者通过串行方式进行信息的交换；网络控制器IC2经由隔离芯片IC3与网络接口插件CON1相连，通过CON1即可连接到以太网上。微处理器IC1的P0口及P2口的P2.0～P2.4分别与网络控制器IC2的低8位数据总线SD0～SD7、低5位地址总线SA0～SA4相连；微处理器IC1的26、27脚接串行E2PROM存储芯片IC5的5、6脚，串行E2PROM存储芯片IC5的5、6脚分别接电阻R4、R3，电阻R4、R3再接电源VCC；微处理器IC1的P2.7接网络控制器IC2的33脚；网络控制器IC2的45脚接电容C1，同时45脚接电阻R2，电阻R2再接隔离芯片IC3的1脚，网络控制器IC2的46脚接电容C2，同时46脚接电阻R1，电阻R1再接隔离芯片IC3的3脚，网络控制器IC2的59脚接隔离芯片IC3的4脚，网络控制器IC2的58脚接隔离芯片IC3的6脚；网络控制器IC2的51脚接晶体振荡器CRYSTAL2，同时51脚接去耦电容C6，网络控制器IC2的50脚接晶体振荡器CRYSTAL2，同时50脚接去耦电容C7；与网络接口插件CON1相连，通过CON1即可连接到以太网上；网络控制器IC2的96脚接电阻R5；隔离芯片IC3的2脚接电容C3，隔离芯片IC3的8、11脚分别接电容C8、C9，隔离芯片IC3的7、9、10、12脚分别接网络接口CON1的6、3、2、1脚；微处理器IC1的18脚接晶体振荡器CRYSTAL1，同时18脚接去耦电容C5，微处理器IC1的19脚接晶体振荡器CRYSTAL1，同时19脚接去耦电容C4；微处理器IC1的10脚接电平转换芯片U14的13脚，微处理器IC1的11脚接电平转换芯片U14的35脚；电平转换芯片U14的36脚接信号处理器TMS320F2812的155脚，电平转换芯片U14的14脚接信号处理器TMS320F2812的157脚；P1口中的1、2接至面板上的发光二极管的阴极。
本实用新型实际使用时，可由多个配有多功能智能控制器的低压断路器和监控主机之间通过现场总线CAN或(和)以太网相连，可根据需要灵活方便地构建不同的远程监控模式，本实用新型的多功能智能控制器经互感器与风力发电机发出的三相交流电力线相连，同时通过CAN总线通信模块11与CAN现场总线网13相连，通过TCP/IP网络通信模块10与以太网12相连。

Claims (7)

1.一种风力发电用低压断路器的控制器，包括模拟量输入通道、DSP处理器和电源模块，其特征是：模拟量输入通道包括电流信号输入通道(5)和电压信号输入通道(4)，电流信号输入通道(5)、电压信号输入通道(4)与电能计量芯片(3)相连，电流信号输入通道(5)与模拟脱扣模块(6)相连，分合闸控制模块(7)的输入端分别与模拟脱扣模块(6)的输出端及DSP处理器(1)分合闸控制信号的输出端相连，DSP处理器(1)与DSP的外扩存储器(8)相连，DSP处理器(1)经网络通信模块(10)与以太网(12)相连，DSP处理器(1)与TCP/IP网络通信模块(10)相连，DSP内嵌的CAN控制器与CAN总线通信模块(11)相连，CAN总线通信模块(11)与CAN现场总线网(13)相连。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电用低压断路器的控制器，其特征是：电流信号输入通道(5)由移相电路、限幅电路和采样电路组成，电压信号输入通道(4)由限幅电路、采样电路组成，电流互感器输出信号经移相电路、限幅电路后接模拟脱扣模块(6)输入端，同时经采样电路、去耦电路接至电能计量芯片(3)；电压互感器输出信号经限幅电路、采样电路和去耦电路接至电能计量芯片(3)。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电用低压断路器的控制器，其特征是：电能计量芯片(3)由芯片CS5460A构成，电流信号输入通道(5)和电压信号输入通道(4)的采样电路输出信号分别接至CS5460A，CS5460A通过其双向串行口SDI、SDO、SCLK与DSP的PB00、PB01、PB02相连。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电用低压断路器的控制器，其特征是：模拟脱扣模块(6)由基准电压形成电路和窗口比较电路组成，电流信号输入通道(5)中采样电路前的电流信号X1、X2、X3分别接运算放大器U18的5、7脚，运算放大器U18的9、11脚及运算放大器U19的5、7脚；运算放大器U20的1脚输出接运算放大器U18的7、11及运算放大器U19的11脚，同时经电阻R57接运算放大器U20的6脚进行反相，运算放大器U20的7脚输出接到运算放大器U18的4、8及运算放大器U19的4脚。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电用低压断路器的控制器，其特征是：分合闸控制输出模块(7)由光耦隔离电路与输出驱动电路组成，DSP及模拟脱扣模块(6)发出的分闸信号以“或”的方式接到光耦U26的2脚，合闸信号接光耦U26的4脚；输出驱动电路由功率管T3、T4、感应电动势释放电路D37、R87，D39、R88组成，功率管的控制端分别接到光耦的7、5脚。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电用低压断路器的控制器，其特征是：CAN总线通信模块(11)由高速光耦和CAN总线收发器组成，DSP内嵌的CAN控制器与高速光耦U5、U6相连，高速光耦U5、U6再与CAN总线收发器U7相连，CAN总线收发器U7再与CAN总线(CANH、CANL)相连。
7.根据权利要求1所述的一种风力发电用低压断路器的控制器，其特征是：TCP/IP网络通信模块(10)由微处理器IC1、网络控制器IC2、串行E2PROM芯片IC5和隔离滤波器IC3组成，微处理器IC1的数据总线、地址总线分别与网络控制器IC2的低8位数据总线、低5位地址总线相连；微处理器IC1的两个I/O引脚分别与串行E2PROM芯片IC5的第5、6脚相连；微处理器IC1的串口引脚经电平转换芯片U14分别与DSP的串口引脚相连，网络控制器IC2经由隔离芯片IC3与网络接口插件CON1相连，通过CON1连接以太网12。
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