基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统，包括信号采集模块，CPLD逻辑处理模块和可控硅控制保护模块，信号采集模块将交流电信号及其状态转化为可处理的弱电信号，将其传达给CPLD逻辑处理模块，CPLD逻辑处理模块能够通过采集到的信号判断交流电的状态，并根据当前状态输出对应的信号到可控硅控制保护模块，一旦检测到缺相，马上闭合单项可控硅，对继电器进行保护，然后断开继电器，再立刻停止脉冲串，断开单向硅，以此来保护整个电路和负载。本系统解决了继电器在闭合或者断开时产生的电弧现象，使用灵活，能起到保护整个电路和负载的作用。

【技术实现步骤摘要】
基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统
专利技术涉及一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统。
技术介绍
随着交流技术的发展和成熟，交流电的使用已渗入到每个家庭，每个工厂，扮演着不可缺少的角色。在交流电中通常会引入继电器作为控制电路通断的对象，在一些电网中使用的继电器安装复杂，一旦损坏会消耗大量的人力和物力才能修复。同时在闭合或者断开继电器时，我们经常能看到有火花出现，也就是我们通常所说的电弧，电火花的出现会造成很大的伤害：烧蚀触点、产生电磁干扰、增加损耗、减小过电量等等，这不仅威胁到整个电路的安全，也在一定程度上对继电器本身产生一些损害，必定会减少它的使用寿命。目前，人们也设计了一些消弧的电路来避免电弧的产生，比如有电容方式、RC电路和DRC电路，但是有这些电路应用范围窄、可能会影响系统运行方式、抗干扰能力等缺点，不适合作为控制电路中的消弧的方法。另一方面，三相电如果缺相的话，其对整个电路系统的危害也是十分严重的，特别是对使用的电机有毁坏性的伤害。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术提供一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统，解决了继电器的使用寿命和安全问题，同时检测电路缺相并进行保护。本专利技术的技术方案如下：一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统，包括信号采集模块，CPLD逻辑处理模块和可控硅控制保护模块，220V交流电压与信号采集模块连接，信号采集模块与CPLD逻辑处理模块连接，CPLD逻辑处理模块与可控硅控制保护模块连接，可控硅控制保护模块与继电器连接，信号采集模块包括过零信号检测电路和缺相信号检测电路，过零信号检测电路包括第一比较器、第一光电隔离器和2个电阻，高压交流电通过第一光电隔离器与第一比较器的正向输入端连接，第一电阻为100KΩ，第二电阻为1KΩ，第一电阻的一端与3.3V连接，第一电阻的另外一端与第一比较器的反向输入端连接，第一电阻的另外一端还与第二电阻的一端连接，第二电阻的另外一端与地连接，第一比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接；缺相信号检测电路包括第二比较器、第二光电隔离器、电阻电容并联充放电电路和2个电阻，高压交流电通过第二光电隔离器与第二比较器的正向输入端连接，第三电阻为2KΩ，第四电阻为1KΩ，第三电阻的一端与3.3V连接，第三电阻的另外一端与第二比较器的反向输入端连接，第三电阻的另外一端还与第四电阻的一端连接，第四电阻的另外一端与地连接，电阻电容并联充放电电路一端与第二比较器的正向输入端连接，另外一端与地连接，第二比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接；可控硅控制保护模块包括单向可控硅、三极管和脉冲变压器，三极管与脉冲变压器连接，脉冲变压器与单向可控硅连接，单向可控硅与继电器并联，之后与负载串联，CPLD逻辑处理模块为单向可控硅提供脉冲串；CPLD逻辑处理模块包括CPLD芯片和单片机L9110，CPLD芯片的I/O端口与单片机L9110连接，单片机L9110与继电器连接；本系统通过信号采集模块将交流信号转换成电平信号，选取从正向过渡到反向的零点电平信号作为响应的触发信号，选取当前信号电平为高时作为零点，设在第一光电隔离器导致的相移的时间为λ1，第一比较器反向输入端电压导致的相移时间λ2，故相移总时间λ＝max(λ1，λ2)(1)设第一光电隔离器导通所需电压为V1，第一比较器反向输入端电压为V2，根据交流电的数学表达式得其中t1和t2分别为检测到的零点时的时间，T为交流电的周期，n＝1，2，3....，实际的零点位置对应的时间应为：根据式(2)、(3)和(4)得到第一光电隔离器导致的相移时间λ1和第一比较器反向输入端电压导致的相移时间λ2：再根据式(1)就得到相移的总时间，当控制通断信号为“1”时表示要响应闭合状态，为“0”时表示要响应断开状态，响应闭合状态时，首先通过过零信号检测电路检测交流电的过零点，当检测到交流电的过零点时，CPLD芯片产生频率1Khz的脉冲串给脉冲变压器使得单向硅导通，延时20-λms后CPLD芯片产生一个脉冲信号通过单片机L9110闭合继电器，再延时20ms关闭脉冲串，闭合状态响应完毕；当控制通断信号为“0”时，响应断开状态，首先进行过零检测，一旦检测到交流电的过零点时，CPLD芯片产生频率1Khz的脉冲串给脉冲变压器使得单向硅导通，延时20-λms后断开继电器，继续延时20ms后关闭脉冲串，断开状态响应完毕；CPLD芯片一旦检测到缺相，马上产生1Khz的脉冲串导通单向可控硅，对继电器进行保护，然后断开继电器，再立刻关闭脉冲串使得单向可控硅断开，以此来保护整个电路和负载。本专利技术首先，解决了继电器在闭合或者断开时产生的电弧现象，保障了整个电路的安全问题，同时也保护了继电器本身因产生电火花而产生的损坏，能够在很大程度上延长继电器的使用寿命，减少了因继电器损坏带来的损失成本和安装成本。另一方面，提供了缺相检测的电路，一旦检测到缺相就会断开电路，起到了保护整个电路的作用，提高了系统的安全可靠性。附图说明图1为过零信号检测电路；图2为交流信号转成电平信号图；图3为缺相信号检测电路；图4为可控硅控制保护模块电路图；图5为零点的选取图；图6为CPLD芯片的I/O端口与单片机L9110连接电路图；图7为本专利技术的程序流程图。具体实施方式下面根据说明书附图举例对本专利技术做进一步说明：实施例1本系统包括硬件电路部分和软件部分。硬件电路主要分为三个模块：信号采集模块、CPLD逻辑处理模块和可控硅控制保护模块。信号采集就是将交流电信号及其状态转化为可处理的弱电信号，将其传达给逻辑处理器CPLD，CPLD能够通过采集到的信号判断交流电的状态，并根据当前状态输出对应的信号到控制模块，使其有效地响应并达到我们想要的保护结果。1、信号采集模块信号采集模块包括过零信号检测电路和缺相信号检测电路，如图1所示，过零信号检测电路包括第一比较器、第一光电隔离器和2个电阻，高压交流电通过第一光电隔离器与第一比较器的正向输入端连接，第一电阻R3为100KΩ，第二电阻R4为1KΩ，第一电阻的一端与3.3V连接，第一电阻的另外一端与第一比较器的反向输入端连接，第一电阻的另外一端还与第二电阻的一端连接，第二电阻的另外一端与地连接，第一比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接，即高精度的比较器TLV3701CD其输出引脚1脚分别与CPLDEMP570的输入引脚PIN20和PIN19相连。过零信号是指交流电的电压幅值为零的时刻，在这一时刻我们如果开始断开或者闭合继电器，这会在很大程度上减小极大的瞬时电压对它造成的影响。电路采用最简单的光耦隔离，一方面能将高电压的交流电进行隔离，提高系统的稳定性；另一方面又会减小成本，便于实际应用。本专利技术采用Sharp公司生产的PC817线性光电隔离器，它的隔离电压高达5000V，能够使前端与负载完全的隔离，从而达到增加安全性和减小电路干扰的作用。为避免发生竞争冒险，通过第一电阻R3和第二电阻R4进行分压作为比较器的反向端。第一光电隔离器的输入端串联两个阻值为47K的电阻，减小电流保证光耦不因为电流过大而被烧坏。经过过零检测电流我们将交流信号转换成我们容易处理的电平信号，得到的信号波形图如图2所示，正弦波是我们本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统，包括信号采集模块，CPLD逻辑处理模块和可控硅控制保护模块，220V交流电压与信号采集模块连接，信号采集模块与CPLD逻辑处理模块连接，CPLD逻辑处理模块与可控硅控制保护模块连接，可控硅控制保护模块与继电器连接，其特征在于：信号采集模块包括过零信号检测电路和缺相信号检测电路，过零信号检测电路包括第一比较器、第一光电隔离器和2个电阻，高压交流电通过第一光电隔离器与第一比较器的正向输入端连接，第一电阻为100KΩ，第二电阻为1KΩ，第一电阻的一端与3.3V连接，第一电阻的另外一端与第一比较器的反向输入端连接，第一电阻的另外一端还与第二电阻的一端连接，第二电阻的另外一端与地连接，第一比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接；缺相信号检测电路包括第二比较器、第二光电隔离器、电阻电容并联充放电电路和2个电阻，高压交流电通过第二光电隔离器与第二比较器的正向输入端连接，第三电阻为2KΩ，第四电阻为1KΩ，第三电阻的一端与3.3V连接，第三电阻的另外一端与第二比较器的反向输入端连接，第三电阻的另外一端还与第四电阻的一端连接，第四电阻的另外一端与地连接，电阻电容并联充放电电路一端与第二比较器的正向输入端连接，另外一端与地连接，第二比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接；可控硅控制保护模块包括单向可控硅、三极管和脉冲变压器，三极管与脉冲变压器连接，脉冲变压器与单向可控硅连接，单向可控硅与继电器并联，之后与负载串联，CPLD逻辑处理模块为单向可控硅提供脉冲串；CPLD逻辑处理模块包括CPLD芯片和单片机L9110，CPLD芯片的I/0端口与单片机L9110连接，单片机L9110与继电器连接；本系统通过信号采集模块将交流信号转换成电平信号，选取从正向过渡到反向的零点电平信号作为响应的触发信号，选取当前信号电平为高时作为零点，设在第一光电隔离器导致的相移的时间为λ1，第一比较器反向输入端电压导致的相移时间λ2，故相移总时间λ＝max(λ1，λ2)   (1)设第一光电隔离器导通所需电压为V1，第一比较器反向输入端电压为V2，根据交流电的数学表达式得V1=220×sin[100π×(t1+(n+14)×T)]V---(2)]]>V2=220×sin[100π×(t2+(n+14)×T)]V---(3)]]>其中t1和t2分别为检测到的零点时的时间，T为交流电的周期，n＝1，2，3....，实际的零点位置对应的时间应为：t=150+(n+14)×T---(4)]]>根据式(2)、(3)和(4)得到第一光电隔离器导致的相移时间λ1和第一比较器反向输入端电压导致的相移时间λ2：λ1=t-t1=150-arcsin(V1220)100π---(5)]]>λ2=t-t2=150-arcsin(V2220)100π---(6)]]>再根据式(1)就得到相移的总时间，当控制通断信号为“1”时表示要响应闭合状态，为“0”时表示要响应断开状态，响应闭合状态时，首先通过过零信号检测电路检测交流电的过零点，当检测到交流电的过零点时，CPLD芯片产生频率1Khz的脉冲串给脉冲变压器使得单向硅导通，延时20‑λms后CPLD芯片产生一个脉冲信号通过单片机L9110闭合继电器，再延时20ms关闭脉冲串，闭合状态响应完毕；当控制通断信号为“0”时，响应断开状态，首先进行过零检测，一旦检测到交流电的过零点时，CPLD芯片产生频率1Khz的脉冲串给脉冲变压器使得单向硅导通，延时20‑λms后断开继电器，继续延时20ms后关闭脉冲串，断开状态响应完毕；CPLD芯片一旦检测到缺相，马上产生1Khz的脉冲串导通单向可控硅，对继电器进行保护，然后断开继电器，再立刻关闭脉冲串使得单向可控硅断开，以此来保护整个电路和负载。...

【技术特征摘要】
1.一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统，包括信号采集模块，CPLD逻辑处理模块和可控硅控制保护模块，220V交流电压与信号采集模块连接，信号采集模块与CPLD逻辑处理模块连接，CPLD逻辑处理模块与可控硅控制保护模块连接，可控硅控制保护模块与继电器连接，其特征在于：信号采集模块包括过零信号检测电路和缺相信号检测电路，过零信号检测电路包括第一比较器、第一光电隔离器和2个电阻，高压交流电通过第一光电隔离器与第一比较器的正向输入端连接，第一电阻为100KΩ，第二电阻为1KΩ，第一电阻的一端与3.3V连接，第一电阻的另外一端与第一比较器的反向输入端连接，第一电阻的另外一端还与第二电阻的一端连接，第二电阻的另外一端与地连接，第一比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接；缺相信号检测电路包括第二比较器、第二光电隔离器、电阻电容并联充放电电路和2个电阻，高压交流电通过第二光电隔离器与第二比较器的正向输入端连接，第三电阻为2KΩ，第四电阻为1KΩ，第三电阻的一端与3.3V连接，第三电阻的另外一端与第二比较器的反向输入端连接，第三电阻的另外一端还与第四电阻的一端连接，第四电阻的另外一端与地连接，电阻电容并联充放电电路一端与第二比较器的正向输入端连接，另外一端与地连接，第二比较器的输出端与CPLD逻辑处理模块连接；可控硅控制保护模块包括单向可控硅、三极管和脉冲变压器，三极管与脉冲变压器连接，脉冲变压器与单向可控硅连接，单向可控硅与继电器并联，之后与负载串联，CPLD逻辑处理模块为单向可控硅提供脉冲串；CPLD逻辑处理模块包括CPLD芯片和单片机L9110，CPLD芯片的I/O端口与单片机L9110连接，单片机L9110与继电器连接；本系统通过信号采集模块将交流信号转换成电平信号，选取从正向过渡到反向的零点电平信号作为响应的触发信号，选取当前信号电平为高时作为零点，设在第一光电隔离器导致的相移的时间为λ1，第一比较器反向输入端电压导致的相移时间λ2，故相移总时间λ＝max(λ1，λ2)(1)设第一光电隔离器导通所需电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：程炳坤，于志伟，曾鸣，张海东，周彬彬，柳佳男，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23