（电力电子与电力传动专业论文）新型智能双电源电子快速切换系统的研究.pdf

r e s e a r c ho fn e wi n t e l l i g e n c ee l e c t r i cf a s td o u b l ep o w e ra u t o s w i t c hs y s t e m a b s t r a c t d o u b l ep o w e ra u t os w i t c hs y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nf a c t o r y , g o v e r n m e n ta n d t r a f f i cd e p a r t m e n t ，i tc a ne n h a n c ep o w e rs a f e t y i nt h ep a p e r , aw h o l en e w d i g i t a l l y i n t e l l i g e n c ee l e c t r i cf a s td o u b l ep o w e ra u t os w i t c hs y s t e mi si n t r o d u c e d ，w h i c hi s c o n t a c t l e s s ，f a s ta n di n t e l l i g e n c e s t a r t i n gw i t ht h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo f n e wd o u b l ep o w e ra u t os w i t c hs y s t e m ， t h ec o n t a c t l e s ss w i t c h , a cd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dm o n i t o rs y s t e ma r e d i s c u s s e d i nt h ee n d ，an e wi n t e l l i g e n c ee l e c t r i cf a s td o u b l ep o w e ra u t os w i s h s y s t e mi sp r e p a r e d an e w i n t e l l i g e n c ec o n t a c t l e s ss w i t c hd i f f e r e n c ef r o m m e c h a n i cc o n t a c ts w i t c h a n dt r a d i t i o n a lc o n t a c t - l e s ss w i t c hi si s s u e di nt h ep a p e r t h en e wc o n t a c t - l e s s s w i t c hc a na u t om o d i f yp a r a m e t e r sa n dc h o o s ew o r k i n gm o d u l e an e wa cd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya i m i n ga ti n t e l l i g e n c ea u t os w i m hs y s t e mi s p r e p a r e di nt h ep a p e r ，w h i c hi sc o m p o s e do f h i g hs p e e dp o w e r b r e a kd e t e c t ，f a s t c a l c u l a t em e t h o do f v i r t u a lv a l u e sa n do n ef a c t o r i a lf i l t e ra r i t h m e t i co f d i s p l a y m e a s u r e s m o n i t o rs y s t e mi st h ei m p o r t a n tp a r to f a u t os w i m hs y s t e m t h ec o o p e r a t i o n d e s i g n so f d e v i c em o d u l e s ，a p p l i a n c ep r o g r a mm o d u l e sa n ds y s t e m c o r ea r e p a r t i c u l a rd e s c r i b e da n dd i s c u s s e d t h er e a la p p l yi n s t a n c eo f d o u b l ep o w e ra u t os w i t c hs y s t e mi si n t r o d u c e d t h e p u r p o s eo f t h ed e s i g ni sr e a c h e d k e y w o r d ：a u t os w i t c h ，c o n t a c t l e s ss w i t c h ，a cd e t e c t i o n ，m o n i t o rs y s t e m j i 插图清单 图2 。l智能双电源电子快速切换系统组成图4 图2 2检测切换控制系统基本原理图5 图3 1三端稳压器实现的无触点开关6 图3 2光电耦合器结构图7 图3 3达林顿管的有效电路7 图3 - 4o c m o s f e t 的典型应用电路8 图3 - 5i g b t 的等效电路一9 图3 - 6基于晶闸管的复合无触点开关1 0 图3 75 5 5 方波发生器电路结构图1 1 图3 8智能化无触点开关的原理框图1 2 图3 - 9晶闸管触发互锁电路图1 4 图3 1 0 用与非门组成的基本r s 触发器1 4 图4 1 交流电压电流采样电路的原理框图1 7 图4 2电压交流检测电路图1 8 图4 3电流交流检测电路图1 8 图4 4 交直流变换电路图1 9 图4 5交直流变换前后电压信号波形图2 0 图4 - 6 电源断电判断波形图2 3 图4 7交流电压平均值的平行位移算法2 4 图4 - 8 电源故障判断流程图2 5 图5 1监控系统的系统结构图2 9 圈5 2监控系统微控制器的硬件配置图3 0 图5 3键盘硬件电路3 2 图5 3 键盘按下和松开的电平变化波形图3 3 图5 - 4键盘扫描流程图3 4 图5 5键盘键值读取流程图3 5 图5 6c h 3 7 5 电气连接图3 6 图5 7a t 2 4 c 5 1 2 的连接图3 7 图5 - 8d s l 3 0 2 的应用电路图3 8 图5 - 9监控系统的通信接口电路3 9 图5 1 0 监控系统接口通信模块发送和接收流程 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 - 1 6 图5 1 7 图6 1 图6 2 监控系统菜单结构图 菜单滚屏功能流程图 参数的显示与修改界面 数据记录的翻查界面， 数字时钟界面 密码的确认与修改界面图 金字塔形的监控系统结构图 智能双电源电子快速切换系统 智能双电源电子决速切换系统在现场的应用情况 v 1 1 1 叭驼舵躬钉钳钙铝档 表格清单 表3 - 1不同类型无触点开关的特性比较 表3 2用与非门组成的基本r s 触发器的特征表 表5 - 1液晶模块的d d r a m 地址表 一” 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究丁作及取得的 研究成果n 据我所知，除了文中特别力以标注和致谢的地方外，论文巾不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也4 i 包含为获得 金目b 些太堂 或其他教育机构的学位或汪书而使用过的材利。与我一同工作的同志对本研究 所做的1 r 何贡献均已在论文q 作了叫确的说明并表不谢意。 学位论文作者签名：1 夤、 才 签字f _ = _ | 期：l 功c 年6 月珀 学位论文版权使用授权书 本学位沧文作者完全了解金日b 王些厶堂柏关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 利借阅。本人授权佥壁些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论义作者签名 勺氙址 签字日期：伽1 年t 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作睁位： 通讯地址： 导师签名 一7 i 垃 。f ：一 签字日期：d 占年细多f i 电话 邮编 致谢 随着论文的完成，即将结束我三年的研究生生活，结束七年的工大生活。 回首过去的三年，无疑是快乐的三年，因为我很幸运能在这个充满快乐与关怀 并将令我终生怀念的融洽的集体一能源所学习、生活，过去的三年又是令人感 动的三年，因为这里的每个人都曾令我感动，发生过太多令我感动的事，每个 人都十分真诚的给予过我无私的帮助，我要感谢每个人，但再多的占语、再华 丽的辞藻都难以表达我的感激之意。 首先感谢我的导师丁明老师，丁老师渊博的理论知识、宽厚的师长风范、 严谨的治学精神和忘我的工作作风，给我留下深刻的印象，使我受益匪浅，这 将是我今后学习的榜样和我人生之路上的宝贵财富。向尊敬的丁老师表示我由 衷的敬意和真诚的祝福。 感谢张国荣老师给予我的悉心指导。我课题和论文的完成，无不倾注了张 老师大量的心血，无不凝聚了张老师智慧的结晶，我取得的每一点一滴的进步， 都离不开张老师的悉心指导和辛勤栽培。张老师不知疲倦的工作、务实的科研 态度、诲人不倦的作风，常常令人十分感动，毕业之际，我几乎无法用词语准 确地表达我对张老师的崇敬和无限感激。 感谢苏建徽老师给我的指导，苏老师经常不辞辛劳的现场指导，给予我很 大帮助和启迪，向苏老师表示由衷的敬意和真诚的感谢。 感谢其他曾经给予我帮助和指导的老师，在我遇到困难时，他们总是无私 地耐心给我讲解，他们对我的论文同样给予了极大的帮助和支持，他们是茆美 琴老师、刘翔老师、汪海宁老师、张健老师、杜雪芳老师、杜燕老师等。 向其他关心和帮助我的同学们表示感谢，我们之间营造了一种互相学习、 共同进步、相濡以沫的气氛，从他们那里我学到了许多宝贵的经验和知识，他 们是贺文涛同学、李桂臣同学、公平同学、梁海涛同学、潘江洪同学、刘宁同 学、吴敏同学、杨向真同学等等。 1 i i 作者：陈林 2 0 0 6 年5 月5 日 第一章前言 1 1 开展本课题研究的意义和背景 日常生活中，火车是人们出行的重要交通工具。高速铁路已经成为我国铁 路交通的发展方向，高速电气化铁路正在不断地发展。高速铁路中，铁路信号 灯都是通过计算机远程控制，信号灯及其控制计算机的供电电源的安全、可靠 性必须受到高度重视。 我国供配电系统设计规范第2 0 1 条中根据对供电可靠性的要求及中断 供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度对电力负荷进行分级，并应符合 下列规定：【1 1 一、符合下列情况之一时，应为一级负荷： 1 中断供电将造成人身伤亡时。 2 中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。例如：重大设备损坏、重 大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生 产过程被打乱需要长时间才能恢复等。 3 中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。例如： 重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动 的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。在一级负荷中，当 中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许 中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。 二、符合下列情况之一时，应为二级负荷： 1 中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如：主要设备损坏、大 量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。 2 中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如：交通枢纽、通信枢纽 等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等 较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。 三、不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。 铁路信号系统如果停电，那么在铁轨上运行的火车由于得不到正确的指示 信号而被迫停车，严重时有可能出现火车相撞或出轨等造成人身伤亡的严重事 故。根据以上电力负荷的国家标准可以看出，铁路信号系统在低压配电系统中 属于一级负荷，其供电的安全和重要性不言而喻。 同时供配电系统设计规范第2 0 2 条指出一级负荷的供电电源应符合下 列规定：【2 】 一、一级负荷应由两个电源供电；当一个电源发生故障时，另一个电源不 应同时受到损坏。 二、一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电 源，并严禁将其它负荷接入应急供电系统。 由上述要求看，铁路信号系统的供电电源中双电源切换系统的研制是必需 的，而且其性能也直接影响到信号电源的安全和质量。 在这种情况下，我们受上海铁路局合肥供电段的委托研制一种智能双电源 电子快速切换装置。 1 2 国内外研究现状综述 双电源切换系统在其发展历史上大体上经过了以下几个阶段： 第一阶段，由于电气自动化和电子信息技术还未出现，电源的切换只能通 过人工手动操作倒闸来完成。无疑这种切换电源的方式，反应缓慢，而且不太 安全。 第二阶段，随着电气自动化技术的发展，出现了由交流接触器、延迟继电 器等组成的切换系统，电源切换系统进入了自动化切换发展阶段，实现了真正 意义上的无人值守故障切换，但其切换速度慢、智能化水平低。 第三阶段，近代电力电子技术和微控制技术的发展又一次推动了切换系统 的发展，以电力电子器件和微控制器替代交流接触器和延迟继电器，出现了无 触点开关的切换系统。大大提高了电源切换的速度和安全性。 现代发展阶段，现代信息技术的迅猛发展使得现代切换系统正朝着智能化， 快速化方向发展，其能够判断出各种复杂的电源故障和自动实现一些复杂的智 能化的操作。 综合现代电源切换系统的现状和发展方向，其一般都有以下技术特点1 2 】： l 具有机械连锁和电气连锁双重保护功能，以防止两台断路器同时合闸。 2 具有欠电压、过电压、缺相等保护功能，防止故障电源向负载供电。 3 具有电源故障、断路器脱扣等故障报警功能，主用电源故障恢复后能自 动从备用电源切换至主用电源供电。 4 具有防止二次重合闸功能。 5 具有运行参数值( 欠电压值、过电压值、分闸、合闸延时值) 整定可调 功能。 当前国内外称这种初级馈线自动切换系统为a t s ( a u t ot h r o w2 0 v e r c o n t r o lp a n e l ) 【3 。国内有上海巨邦电器有限公司研发的g t q 8 8 系列双电源自 动切换装置。其由切换装置本体和智能控制器两部分组成，二者安装在同一块 底板上。切换装置本体由两台c t m 8 8 系列塑壳式断路器作为主开关，2 台电动 操作机构，用作a t s 自动或手动分、合闸，6 只熔断器用作a t s 控制器的电源 隔离，具有过载和短路保护功能，装置本体具有机械和电气连锁双重保护功能。 2 智能控制器采用高速单片嵌入式微处理器为主控芯片，具有功耗低，外围器件 少，工作稳定可靠的特点1 4 】。国外有a b b 公司的t q 3 0 、r q 3 0 系列切换装置， 美国加州t r a y e r 公司的自动切换装置。t r a y e r a 型自动切换控制装置包含继电 器、指示灯，以及各种开关。这些开关与电压互感器和电流互感器联系为中压 系统提供极灵活的自动化系统。它们设计为能被电气人员运行和操作，而不需 要专业的电子工程师进行维护。设计寿命为3 0 年，正常情况下不会引起电压浪 涌问题口j 。 1 3 本课题研究的目标和主要任务 为了提高双电源切换系统的性能，拓展其应用领域，方便用户使用、维护 和操作，现代双电源切换系统应该具有高性能、高可靠性、智能化和安全性等 特点。本课题具体的研究目标如下： 1 监控单元能够实时监测信号电源的供电状况。 2 系统能够高速判断包括电源停电和过欠压在内的各种电源故障，并自动 选择切换方式。 3 系统能够实时记录电源的故障信息，以备日后的分析和查询。 4 用户能够方便地查询和导出历史数据，辅以上位计算机的处理，对电源 的历史运行状况进行分析。 本课题研究的主要任务包括： 1 选取适合本装置的微控制器和软件开发工具以及性能可靠、抗干扰性强 的硬件器件。 2 设计满足切换系统功能要求的硬件电路。主要包括采样电路、切换控制 电路以及人机交互监控系统的硬件电路。 3 利用c 语言和汇编语言开发软件。主要包括：主程序，模拟电量的计 算程序，故障切换程序，实时监控程序以及历史数据的查询和分析程序。 4 研究和讨论电源监控过程中，电压和电流等测量的误差，然后结合软件 算法，使计算速度和计算精度满足装置所需要的要求。 5 运行参数值整定可调的人机交互单元的软件设计，以使装置能够在不同 的现场情况下正常工作。 6 装置对供电电源历史数据的记录和查询的软件设计，满足对电源状况的 全程监控，显示必要的图表和运行状态曲线等。 第二章智能双电源电子快速切换系统的系统结构 2 1 智能双电源电子快速切换系统的组成 智能双电源电子快速切换系统由以d s p i c 3 0 f 3 0 1 3 为核心的检测切换控制 系统和以w 7 7 e 5 8 为核心的监控系统组成，采用了双核( 双m c u ) 技术 6 】和 r s 4 8 5 总线微网组构。 1 液晶li 键盘l | 模块ll 模块l 匿r l 匿匿两 检测切换控制系统 ii 监控系统 图2 1智能双电源电子快速切换系统组成图 检测切换控制系统由m c u 、交流检测模块、切换驱动模块组成，其原理 在第三章和第四章作详细介绍。 监控系统由m c u 、液晶模块、键盘模块、u 盘读写模块、报警模块和实时 时钟组成，其结构和原理在第五章作详细介绍。 4 2 2 智能双电源电子快速切换系统的结构和原理 零线 电源一 电源二 _ 二竺警 i l ：= _ 二= l 二二二；。二：三j r 由1 寸- 卜 电 电 压。 ， 流 互 l ，j 晶闸管 互 感 驱动电路 感 器器 ll 控制口i 交流放 交流放大电路 一ia d 转换； 大电路 s 4 8 5 一 徽控制器 图2 2 检测切换控制系统基本原理图 输出 智能双电源电子快速切换系统的结构和原理如图2 2 所示：在电源正常工 作时，微控制器控制晶闸管驱动电路开通一路电源。同时通过互锁电路锁定另 一路电源，从而保证信号系统的单电源供电；当电源发生故障时，微控制器的 1 2 位a d c 模块将经过隔离采样和交直流变换的模拟电压电流信号转换为数字 信号。微控制器通过处理这些数字信号，判断出当前电源的故障情况，然后选 择合适方式进行电源切换；监控系统通过r s 4 8 5 总线取得电源状态数据并将这 些数据显示出来。 第三章无触点开关切换技术的研究 3 1 无触点开关的概念及其种类 3 1 1 无触点开关的概念 目前具有双电源切换功能的装置主要由具有机械闭锁的两个接触器构成， 这些开关均不是无触点开关，其中优秀的双路开关切换延迟时间是0 1 6 0 s 。 铁路信号系统在断电2 0 4 0 m s 之后就会重新启动，其所有的控制逻辑将自动复 位，其结果会影响到火车的安全运行。因此，研究高速切换开关有着重要意义 和实用价值，对改善铁路信号电源的供电安全十分必要。 双电源切换系统中的电类控制开关种类繁多，有电磁开关、机电开关、热 电开关、光电开关、电子开关等等。不管何种开关，只能隶属于有触点开关和 无触点开关之列【8 j 。无触点开关是由电子器件和电力电子器件组成的新型开关 器件，具有无触点、快速性、无火花接痕等特点。随着电子技术和电力电子的 广泛应用和高度发展，以无触点开关代替有触点开关，以集成电子开关逐渐代 替分立元件电子开关，形成了电子开关新的发展趋势【9 】。 3 1 2 常用的无触点开关【l o j 1 、三端稳压器实现的无触点开关 利用三端稳压器设计的无触点开关的原理如图3 1 所示。 图3 - 1三端稳压器实现的无触点开关 从控制口输入信号控制三端稳压器是否与地导通可以来控制输入和输出的 开通和关蝌”】。该开关十分的简单，而且容易调试，多种三端稳压器的选用使 得开关的电压可调范围宽广，适用于直流负载。但其缺点是三端稳压器在开关 导通时会占掉一部分压降，使输出电压降低，不适合电池供电的设备。 2 、基于晶闸管器件的无触点开关 作为最先产生的电力电子器件，晶闸管现在已经有很多种类的产品可供选 6 择，如意法半导体公司( s t ) 的a c s 系列产品。该类产品可以直接用来控制 风扇、沈衣机、电机泵等设备，其隔离电压可达到5 0 0 v 1 0 0 0 v 以上。此类器 件价格低廉，但是缺点是只能用于交流负载的开关控制。 3 、基于光电三极管和达林顿管的无触点开关 基于光电三极管的无触点开关被称为光电耦合器( p h o t oc o u p l e r ) i n 。 s h a r p p c 8 1 7 系列、n e c p s 2 5 0 0 系列、安捷伦的h c p l 2 6 0 、h c p l 0 6 0 等均属于 此类器件。其工作原理如图3 2 所示。 图3 - 2光电耦台器结构图 当控制端加正向电压时发光二极管( l e d ) 点亮，光敏三极管会产生光电 流从集电极供给负载，相当于开关导通，当控制端加反向电压时，l e d 不发光， 使光敏三极管处于截止状态，相当于负载开路、开关关断。由工作原理看，这 类器件主要应用于直流负载，也可用来传输电流方向不变的脉冲信号。光电耦 合器的工作速度比较高，一般在微秒级或者更快。 图3 3达林顿管的有效电路 达林顿管是两个双极性晶体管的复合，其最大的特点是可以实现电流的多 极放大，可以用较弱的电流或电压信号来控制强电流和强电压，其原理如图3 3 所示。但是饱和管压降较大是其固有的缺点，由于两个晶体管共集电极，整个 达林顿管的饱和电压等于晶体管q 2 的正向偏置电压与晶体管q 1 的饱和电压之 和，而正向偏置电压比饱和电压高得多，这样整个达林顿管的饱和电压就特别 的高，因此达林顿管导通时的功耗较高。 作为典型的达林顿光耦合器的仙童半导体( f m r c h i l d ) 达林顿光耦合器采 用隔离达林顿输出配置，将输入光电二极管和初级增益部分与输出晶体管部分 一一。一一 r h 一 _rj 1叫 分隔开来，以实现较传统达林顿光电晶体管光耦合器更低的输出饱和电压 ( o 1 v ) 和更高的开关速度。该公司推出5 种最新产品，采用单及双沟道配置， 提供3 3 v 或5 v 工作电压的低功耗特性。双沟道h c p l 0 7 3 0 和h c p l 0 7 3 1 光耦 合器提供5 v 电压操作和s o i c 8 封装能实现最佳的安装密度。单沟道f o d 0 7 0 l 、 f o d 2 7 0 l 及双沟道f o d 0 7 3 l 器件的工作电压为3 3 v ，比较传统的5 v 部件， 其功耗进一步减少3 3 。n e c 公司的芯片p s 2 8 0 2 1 4 、p s 2 7 0 2 1 、p s 2 5 0 2 1 2 4 、 p s 2 5 6 2 1 2 等也属于达林顿光耦合器。 4 、基于m o s 或i g b t 的无触点开关 c o n t r o l + c 章 c o n t r o i - l _ _ 图3 - 4 o c m o s f e t 的典型应用电路 i n p u t o u t p u t 基于m o s 场效应管的无触点开关由于耦合方式不同有很多类，例如采用 光电耦合方式的称为光耦合m o s 场效应管( o c m o s f e t ) ，原理如图3 - 4 所示， 虚线框内为o c m o s f e t 的内部原理图。电路内部包括光生电压单元，当发光 二极管点亮时，该单元给场效应管的栅极电容充电，这样就增大栅极与源极问 的电压，使m o s 场效应管导通，开关闭合。当发光二极管熄灭时，光生电压 单元不再给栅极电容充电，而且内部放电开关自动闭合，强制栅极放电，因此 栅源电压迅速下降，场效应管截止，开关断开。o c m o s f e t 有两种类型：一种 是导通型( m a k e t y p e ) ，常态下为断开，另一种是断开型( b r e a k t y p e ) ，常态 下为导通。本文所指的是导通型。光耦合m o s 场效应管是交直流通用的，工 作速度没有光电耦合器快，为毫秒级，他的输出导通特性与输入电流参数无关。 o c m o s f e t 可以以弱控强，以毫安级的输入电流驱动安级的电流。由于场效 应管可以双向导通、导通电阻低的特征，他主要用于中断交流信号，如图3 - 4 所示，因此o c m o s f e t 又被称为固态继电器( s s r ) 口”。 基于m o s 场效应管的无触点开关器件很多，例如日本电气公司( n e c ) 的 p s 7 2 0 0 系列、t o s h i b a t l p 3 5 l 系列、松下a q v 系列。通常低导通电阻型适用 于负载2 3 电流较大的场合，例如n e c p s 7 1 0 8 1 a ：导通电阻r o n = 0 1 8 ( 最大) ， 负载电流i l = 2 5 a ( 最大) ，导通时间t o n = 5 m s 。低c r 积型的光m o s f e t 适 用于需要切换高速信号的场合，如测量仪表的测试端等。所谓c r 积指的是输 出级m o s f e t 的输出电容与接通电阻的乘积，他是评价m o s f e t 特性的一个 参数指标。如n e c p s 7 2 0 0 h 1 a ：导通电阻r o n = 2 2 8 ，c r 积为9 2 p f * 8 ，导通 孤 一j；，f h _ | 卜_ 时间t o n = 0 5 m s ，负载电流i l = 1 6 0 m a 。 | ：| ! u 0 0 紫l l 。 p _ _ 一# f 一 。 i 二 0 0 击u 图3 - 5i g b t 的等效电路 绝缘栅双极晶体管i g b t b 3 的结构如图3 - 5 所示。这种结构使i g b t 既有 m o s f e t 可以获得较大直流电流的优点，又具有双极型晶体管较大电流处理能 力、高阻塞电压的优点。这种器件可以连接在开关电路中，就像n p n 型的双极 型晶体管，两者显著的区别在于i g b t 不需要门极电流来维持导通。基于i g b t 的无触点开关，例如a g i l l e n t h c p l 3 1 4 0 h c p l 0 3 1 4 系列。 3 1 3 各种无触点开关的比较 表3 - 1 给出了不同类型无触点开关的参考芯片，并比较了各芯片的开关特 性。 适用负负载电 输入级触绝缘导通导通 器件类型典型型号发电流电压电阻电压 载流a i g f n u v r ms啪t 可控硅 a c s l 0 8 交流 o 81 0 ( m a x )2 0 0 0 s h a r p 纳秒 光耦三极管 直流o 0 5 5 5 0 0 0 p c 8 1 7级 f a i r c h i l d 纳秒 达林顿管直流 0 10 5 2 5 0 0 f o d 0 7 0 l级 毫秒 o c m o s f e tp s 7 2 0 6 - l a交直流 o 61 0 1 5 0 0 0 6 级 松下毫秒 o c m o s f e t 交直流 0 51 0 ( m a x )1 5 0 00 5 5 a o v l l 2 k l 级 a g i l e n t 纳秒 i g b t交直流 0 ，5 5 ( m a x ) 1 5 0 0 h c p l 3 1 5 0级 表3 - 1不同类型无触点开关的特性比较 3 2 检测切换控制系统中无触点开关技术的应用 3 2 1 检测切换控制系统中的无触点开关 检测切换控制系统中的无触点开关的开通和关断时间总和不能超过2 5 m s ， 以满足铁路信号系统断电时间不能超过5 - 2 5 m s 的要求。铁路信号系统拥有很 多处于频繁开关状态的感应负载，如电动机等，所以检测切换控制系统中的无 触点开关要有能够抗击瞬间大电流频繁冲击的能力。应用于检测切换控制系统 中的无触点开关应满足以下条件：能够适用交流负载，导通时间应在微秒级， 要能够抗击瞬间大电流的频繁冲击。 在当前的无触点开关中只有晶闸管能够满足上述条件。普通晶闸管的开通 和关段时间都是在微秒级，其延迟时间为o 5 1 5 u s ，上升时间为o 5 3 u s ，关 断时间约为几百微秒【l4 1 。晶闸管具有其他无触点器件所没有的瞬时抗击大电流 的能力。所以，晶闸管是检测切换控制系统中无触点开关的首选。 针对检测切换控制系统的要求，我们设计出了一种基于晶闸管的复合无触 点开关，其结构如图3 - 6 所示。 制 y + 皇c o n t r o l 卜l j 卜t 一 ( )f 卜、_ | e 0o u t p u t 。 【芳暂”j i i f 卅干慨亨f 皇 广l ci n p u t | 生竖j_ 控制级驱动级输入输出级 图3 - 6基于晶闸管的复合无触点开关 基于晶闸管的复合无触点开关由控制级、驱动级、输入输出级三个部分组 成。控制级接收微控制器给与的控制信号，并将控制信号变换成为晶闸管的触 发脉冲信号。驱动级将脉冲信号隔离放大，输出满足晶闸管触发导通的触发脉 冲。输入输出级是信号电源供电的通路。控制级中的脉冲发生器是一个由5 5 5 触发器构成的方波发生器，其频率为2 0 k h z ，电路结构如图3 7 所示。 图3 75 5 5 方波发生器电路结构图 3 2 2 复合无触点开关的技术特点 检测切换控制系统中的复合无触点开关有如下特点： 1 复合无触点开关触发信号的产生是灵活多样的，其既可以由微控制器通 过控制端来控制输出，也可以通过调整5 5 5 方波发生器的硬件参数来调整信号 脉冲的宽度和频率。这种控制方法使得晶闸管复合无触点开关的控制变得丰富 和简单。 2 晶闸管门级和阴级之间的触发脉冲是通过脉冲变压器提供的。 3 复合无触点开关的输入输出级与驱动级的连线为两组隔离的触发脉冲， 该脉冲可以对两个晶闸管一组的晶闸管组或单个双向晶闸管进行触发控制。 3 2 3 新型的智能无触点开关 随着双电源切换系统在日常生活中应用得越来越广泛，复杂的现场供电环 境，繁琐的故障判断和智能化的电源切换方式对现代双电源切换系统提出了新 的要求，仅仅对无触点开关进行简单的导通和关断控制已经不能满足这些要求。 为了满足这些要求，现代双电源切换系统就有必要引入微控制技术，实现无触 点开关的智能化发展。单片机以其低廉的成本、强大的功能和高效的性能成为 无触点开关智能化方案的首选。 图3 - 8 给出了引入微控制技术的智能化无触点开关原理框图。 图3 - 8智能化无触点开关的原理框图 区别于传统的无触点开关，对具有微处理器和监视器，能够实现参数整定 和根据实际工作状况自动选择工作方式的无触点开关，可以统称为智能无触点 开关。其最基本的特点就是参数的可整定性和工作方式的自适应性，这些功能 都可以通过微控制器的编程来方便地实现。 3 3 复合无触点开关的工作过程分析 3 3 1 复合无触点开关的关断过程 复合无触点开关的关断过程由两个步骤完成，分别为微控制器给出关断控 制信号和晶闸管在自然换相点的关断，其中关断控制信号是可以人为控制的， 而晶闸管的关断，必须在交流电压在自然过零点时反向强迫关断，其是不可控 的，但是关断的时刻和时长是可以估算出来的。 复合无触点开关的关断时间。的计算表达式如式3 - 1 所示： t 够2 t d r + t r r + tg r ( 3 1 ) 其中。为等待交流电压到达自然过零点的时间，即从关闭触发脉冲到晶闸 管开始承受反向电压的时间，对于工频交流电其值为0 到1 0 个毫秒。0 和0 分 别为反向阻断恢复时间和正向阻断恢复时间，普通晶闸管的0 和矿的和一般约 为几百个微秒，相对于o ，其值可以忽略。 复合无触点开关的关断时间约为几个毫秒。 3 3 2 复合无触点开关的开通过程和开通条件 复合无触点开关的开通过程即为普通晶闸管的开通过程，其开通时间为延 迟时间白和上升时间之和，表达式如下： t g l2 t d j r t r ( 3 - 2 ) 复合无触点开关的开通时间为几个微秒，延迟时间随门极电流的增大而减 小。上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。 检测切换控制系统中复合无触点开关采用了并输出连接。如果同时导通两 路复合无触点开关，在两路电源相位差较大或者电压差较大的时候，电源之间 就会发生短路，这是不允许出现的。所以，在路复合无触点开关的开通时刻， 另一路复合无触点开关必须处于关断状态，只有在两路电源的相位差和电压差 均不大的情况下，才允许两路复合无触点开关有短时的同时开通。 3 3 3 切换过程中切换延迟时间和高速并联切换 检测切换系统中复合无触点开关的开通条件中，两路电源相位差或电压差 较大的时候，在一路无触点开关的开通时时刻，另一路无触点开关必须处于关 断状态。所以，切换系统在切换过程中，在正常情况下从给出一路开关的关断 信号到给出另一路电源的开通信号之间必须有一个延迟时间，以保证两路电源 之间不会发生短路。对于三相切换系统，其延迟时间在6 1 0 m s 之间，单相切 换系统的延迟时间在l l o r e s 之间。为了保证切换过程的安全，在程序设计的 时候，切换时间一般设置在1 0 m s 以上。 在上文中曾经提到，在两路电源的相位差和电压差均不大的情况下，允许 两路无触点开关有短时间的同时导通，我们将这种情况下的电源切换称为高速 并联切换。在相位差和电压差不大的时候，虽然两路电源处于短路状态，但是 其各相的电压差不大，并联供电的时间也只在几个毫秒，所以其电流也不是很 大。这个时候，切换延迟时间被设为o m s 都是可以接受的。在这种情况下的电 源切换可以认定为平滑的无间断切换。 3 4 检测切换控制系统中互锁功能的实现 3 4 1 检测切换控制系统中电气互锁的重要意义 如果检测切换控制系统中的两路晶闸管同时导通且两路供电电源有相位差 和电压差，由此而造成的电源短路，会给供电安全带来灾难性后果。为了杜绝 这类现象的发生，检测切换控制系统有必要对两路晶闸管的触发信号增加一个 互锁电路。 在实验过程中，检测切换控制系统在加入互锁电路后，仍然出现了电源短 路现象，经分析是由于在晶闸管无触点开关的关断条件中，晶闸管无触点开关 必须承受负压才能关断。所以仅仅在触发电路中加入硬件互锁电路是不够的， 切换系统还必须加上软件延时触发才可以保证不会产生电源短路现象。 3 4 2 检测切换控制系统中电气互锁电路 在切换系统中，我们采用了如下的电气互锁电路 图3 - 9晶闸管触发互锁电路图 晶闸管的触发脉冲是由一个5 5 5 组成的方波脉冲发生器经过与门提供给晶 闸管，通过对与门一端的高低电平控制，就可以控制晶闸管触发脉冲的有无。 要实现触发脉冲的互锁，在控制信号上加入互锁功能最为现实，我们采用由两 个与非门组成的基本r s 触发器来构成电气互锁电路。 s d r d q q 如)( 6 ) 图3 1 0 用与非门组成的基本r s 触发器 ( a ) 电路结构( b ) 图形符号 1 4 豪 表。 图3 1 0 给出用与非门组成的基本r s 触发器的结构图，表3 - 2 是它的特征 s d r d9 q ”1 1l00 1111 01o1 0111 10oo 10l0 oool 0 0 11 表3 2用与非门组成的基本r s 触发器的特征表 由于s d = r d = 0 时出现非定义的q = 亘= l 状态，而且当函和r d 回到高电 平以后触发器的状态难于确定，所以在正常工作时问应当遵守s o + r o = l 的约 束条件，即不应加以s d = r o = 0 的输入信号【1 5 j 。 用与非门组成的基本r s 触发器的特征表可以看出，当一路输入信号确定 为1 的时候，无论另一路信号怎样变化，r s 均将锁住该状态不会改变，这就相 当于用一路控制信号来锁住另一路控制信号，使其失去对电路信号的控制作用。 在切换系统的运行过程中，为了保证供电的连续性。切换系统要求两路供电电 源中，在任意时刻必须有一路电源导通，这就保证了r s 触发电路不会出现非 定义状态，保证电路的安全可靠。 3 5 本章小结 1 本章首先提出了无触点开关的概念，即由电子器件和电力电子器件组成 的新型开关器件，随后简述了无触点开关的种类及特点。 2 本章叙述了检测切换控制系统中基于晶闸管的复合无触点开关及其相应 的技术特点，提出了引入微控制技术的智能无触点开关的概念，即具有微处理 器和监视器，能够实现参数整定和根据实际工作状况自动选择工作方式的无触 点开关。 3 复合无触点开关在检测切换控制系统中采用了共输出端的连接方式，所 以检测切换控制系统中的两路复合无触点开关不能同时导通。本章在详细分析 了复合无触点开关的开通和关断工作过程的基础上，根据晶闸管器件关断有延 迟的特点，给出了检测切换控制系统中复合无触点开关切换延迟时间的理论分 析和解决方案。 4 本章在最后讨论了电气互锁功能在检测切换控制系统中的意义和实现。 1 6 第四章检测切换控制系统中交流检测技术的研究 4 ，1 稔澍韬换控割系绫审豹交流检溺技零戆意义酾需要瓣决瓣阍嚣 在黢测切换控制系统的磷究蜃标中，镇路偿譬鬯源供电状况瀚安时监澳和 壤漯数簿粼叛都是叛交流检测技拳为鏊萋爨翡。俊秀虢交流检测毅零砑叛籍梭溅 切换控制系统的误判断率降到最低，同时极大地摅高系统的可靠性。可以这样 形容，交流检测技术是智能双电源电子快速切换系统中的核心技术，是检测切 换控鞠系统设计孛簸淹重要豹酃分”q 。 检测切换控制系统中交流检测技术需要解决鲰下问题： 1 。程检溅韬羧羧割系筑中采矮熬d s p i c 3 0 f 3 0 1 3 激处瑾器，冀a d c 采样 模块只能识别o 5 v 范围内氲流电压信号。检测切换控制系统的采榉电路必须 满足能够将交流电压电流倍母转换成为微处理器能够识别的赢流电滕信号。 2 。铁路信号系绞中| l 孽一照敏感设冬在断嗽2 0 4 0 m s 后，裁会霆麓重毅襄 动。这榉我们有毖簧提出一种能够高速判断魄潦断电的方法璐满足检测切换控 涮系统蠢遮切换斡妥拣。 3 交流电压熬大小可以羽平均谴、鬻效谨、峰值班及波形系数、波蜂系数 等参数米液征【 】。榆测切换控制系统需要关心交流电压电流有效值，所以铁路 僚母电源斡电压电流有效馕黪法和滤波算法也怒褥簧解决的闽题。 4 ，2 检溯稍换控制系统中交流电压和电滚检测嘏路疑其基本攒i 璁 碡2 。l 检测甥换控裁聚绫孛黪狳测毫路 u = 么一 k “ k i 圈4 - 1 交涟电压，邀流采样电簿蟾原理框圈 检测切换控制系统中交流电压，电流采样电路的原理为：交流电压电流信 号首先经过传感器转换，再由比例电路和交直流变换电路转换成为微控制器能 够识别的直流电压信号。 图4 - 2电压交流检测电路图 检测切换控制系统的交流电压采样电路的具体工作过程是：采样电路首先 将电源电压信号经过2 0 0 k 功率电阻变换成为几个毫安的电流信号；通过1 ：1 的电压互感器实现主电路和采样电路的电气隔离，在比例积分放大电路的输入 端就产生了比例电压信号；这些比例电珏信号经过交流放大和直流变换，被转 换为微控制器能够识别的电压信号。 图4 3电流交流检测电路图 交流电流采样电路的工作过程是：电流互感器首先将输出电流信号转换为 比例电压信号；该电压信号经过分压电路后由比例放大电路放大：最后经过交 直流变换，微控制器就得到了输出电流的直流电压信号。 检测切换控制系统中电压电流采样电路的区别在于电气隔离传感器和信 号放大电路的不同，电压电流检测分别采用电压互感器电流互感器和比例积 分型放大电路比例放大电路。 4 2 2 采样系数k 。和ks 的确定 规定采样电压和输入电压电流之比称作采样系数。 k 产堕坐 u z ”或厶( 4 1 ) 其中u s 为采样电压，k 。为采样系数。电压和电流采样系数为k 。和k s 。 由电压和电流的交流检测电路图得到采样电路是经过传感器和负反馈放大 的两极放大电路，再经过交直流电路的分压，所以可以得到采样系数的计算公 式。 ks=12ksenso，kp(4-2) k s e m w 为互感器放大系统，k 一为负反馈放大系数。