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智能型剩余電流保護器的電磁兼容設(shè)計

發(fā)布時間:2012-02-01

中心議題:

  • 智能型剩余電流保護器的電磁兼容設(shè)計
  • 剩余電流保護器系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計
  • 剩余電流保護器系統(tǒng)高頻干擾的消除

解決方案:

  • “采樣監(jiān)測”法


電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能工作且不對該環(huán)境中任何物體構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。剩余電流保護器作為電網(wǎng)末端供電線路保護裝置(400 V以下),必須滿足。EMC國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17626.5—1999要求,取得3C認證,才能投入電網(wǎng)運行。圖1為用P87LPC767單片機設(shè)計的智能型剩余電流保護器系統(tǒng)框圖,在電路設(shè)計、軟件設(shè)計、PCB板設(shè)計等方面同步考慮其電磁兼容設(shè)計。剩余電流保護器是一種低壓電器設(shè)備,內(nèi)部沒有大功率的高頻電路,電磁輻射微弱,它產(chǎn)生的電磁騷擾對其他設(shè)備影響很小,這方面不是電磁兼容設(shè)計的重點。剩余電流保護器電磁兼容設(shè)計的重點是其在受到其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾時能保持穩(wěn)定工作的能力,也即抗干擾能力。剩余電流保護器受到的干擾主要來自電網(wǎng)本身,主要有線路突然斷路或雷電瞬變過壓引起的單極性浪涌(沖擊),以及由于閃電、接地故障或切換電感性設(shè)備而引起的信號參數(shù)產(chǎn)生瞬時擾動,這兩方面是電磁兼容設(shè)計的重點,也是設(shè)計的難點。下文從多個方面介紹該智能型剩余電流保護器的電磁兼容設(shè)計方法。

1 單片機系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

該剩余電流保護器采用P87LPC767單片機,剩余電流的采樣檢測、計算、顯示、動作判據(jù)、保護動作的執(zhí)行等重要工作都由單片機完成,單片機系統(tǒng)本身的抗干擾能力直接決定整個保護器的抗干擾能力。而單片機本身的時鐘信號、復(fù)位電路、中斷信號、取樣信號等又容易受到電磁干擾的影響,消除或抑制電磁干擾信號對單片機的影響十分重要。

具體從以下幾個方面進行設(shè)計:

單片機工作電源和系統(tǒng)其他電路電源分開設(shè)計,避免其他電路對單片機工作電源產(chǎn)生影響,單片機工作電源設(shè)計留有足夠的余量,防止電源的波動影響單片機工作。在設(shè)計PCB板時,在單片機電源引腳接電容和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),如圖2所示。100 μF電解電容存儲的能量在電源波動時(降低)釋放出來,保持電源穩(wěn)定;0.1μF的高頻電容可以吸收電源上的高頻干擾;TVS吸收瞬態(tài)浪涌功率,使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值,保持單片機工作電源穩(wěn)定。

復(fù)位電路采用P87LPC767單片機內(nèi)部上電復(fù)位電路,避免干擾信號對復(fù)位電路的直接影響,只要單片機工作電源穩(wěn)定,將不會出現(xiàn)誤復(fù)位引起的誤動作。中斷和其他I/O口電容進行濾波,減少干擾的影響。

系統(tǒng)軟件設(shè)計上,啟用P87LPC767內(nèi)部的看門狗,防止PC受到干擾而失控,引起程序亂飛,進入“死循環(huán)”。在程序存儲空間的非程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱,當(dāng)由于干擾使操作系統(tǒng)失控而進入非程序區(qū)時,將引導(dǎo)指令轉(zhuǎn)向?qū)iT對程序出錯進行處理的程序,使程序納入正軌。
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2 系統(tǒng)高頻干擾的消除——“采樣監(jiān)測”法

由于閃電、接地故障或切換電感性設(shè)備而引起的信號參數(shù)產(chǎn)生瞬時擾動,產(chǎn)生的高頻干擾信號主要是通過系統(tǒng)進線電源進入系統(tǒng)內(nèi)部。檢測這方面的抗干擾能力,主要是通過“電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗”驗證。根據(jù)低壓電器產(chǎn)品試驗標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗時在供電輸入端疊加頻率為2 500 Hz,幅度4 000 V的群脈沖,分別進行相線、地線的差模、共模,正極性、負極性試驗,每項試驗時間均為1 min,群脈沖的波形如圖3所示。如果在“電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗”過程中保護器不產(chǎn)生誤動作,則這方面的抗干擾能力就是合格的。

本系統(tǒng)利用“采樣監(jiān)測”法對電源上的高頻干擾進行監(jiān)測,給出相應(yīng)的標(biāo)志,由軟件程序進行相應(yīng)的處理,避免保護器誤動作。詳細原理如下:

為保證剩余電流測量的實時性,該保護器采用數(shù)字采樣法測量剩余電流,將剩余電流信號轉(zhuǎn)換為圖4所示的波形,送給P87LPC767單片機內(nèi)部的A/D進行采樣測量。

數(shù)字采樣方法具有數(shù)字濾波效果,對信號的通道干擾有抑制作用。設(shè)定每個周期采樣100個點,由定時器T0產(chǎn)生采樣時間間隔。將系統(tǒng)某相進線電源(如A相) 信號經(jīng)過降壓、整形電路如圖5所示,轉(zhuǎn)換為方波信號。作為單片機中斷0的觸發(fā)信號,在正常情況下電源信號的頻率為50Hz左右,在兩次中斷期間,對剩余電流的采樣次數(shù)為100次。

當(dāng)電源有高頻干擾信號時,轉(zhuǎn)換的方波信號也同步受到干擾,頻率也疊加有高頻脈沖,將對中斷產(chǎn)生影響,兩次中斷觸發(fā)的時間縮短,則兩次中斷期間對剩余電流的采樣次數(shù)也將小于100次。利用單片機中斷對剩余電流采樣過程的監(jiān)測,可以判斷出系統(tǒng)是否受到高頻干擾,采取相應(yīng)的軟件處理可以避免保護器的誤動作。
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監(jiān)測采樣的軟件程序如下:

系統(tǒng)主程序通過對bgrc1進行判斷,如果有效進行干擾軟件處理,無效則采用測量過程沒有受到電源的高頻干擾,進行正常的計算處理。

3 其他抗干擾措施

斷路或雷電瞬變過壓引起的單極性浪涌,也是保護器電磁兼容設(shè)計的重點。在電源線的火線和零線間加入氧化鋅壓敏電阻,當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于標(biāo)稱電壓時,其電阻幾乎無窮大,稍超過額定值后,電阻值便急劇下降,反應(yīng)時間為ns級。壓敏電阻可以使浪涌干擾大幅衰減,減小對其他電路的影響。

在設(shè)計剩余電流保護器PCB板時,綜合考慮各種可能影響保護器性能的因素,提高PCB對干擾的抑制能力。強電電路集中線路板邊緣一端,并與弱電部分保持適當(dāng)距離。模擬信號處理電路和數(shù)字處理電路分離,由于采用單片機內(nèi)部的A/D,兩者不能做到完全分離,布線時使模擬地和數(shù)字地只在一點共地。系統(tǒng)電源線和地線加粗,空白的地方覆銅,采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),作為數(shù)字地的一部分,減小模擬信號對數(shù)字處理電路的干擾。單片機系統(tǒng)時鐘電路盡可能靠近芯片引腳,并與其他器件和 PCB走線保持適當(dāng)空間,減少高頻輻射對系統(tǒng)的影響。

4 結(jié) 語

由于采取的硬件、軟件措施正確有效,該保護器順利通過了產(chǎn)品型式試驗,取得3C認證,運行可靠,沒有出現(xiàn)誤動作。采用單片機的中斷,監(jiān)測系統(tǒng)的電源干擾,繼而監(jiān)測交流信號的采樣過程。實踐證明,通過軟件和硬件的配合,是消除交流采樣系統(tǒng)高頻干擾的有效方法。

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