基于CPLD和PLC的矿用大功率电机馈电保护开关的设计与实现

摘要

随着煤矿现代化程度的不断提高和井下供电距离的增加，对煤矿井下供电系统可靠性、安全性和连续性的要求也越来越高。低压馈电开关是煤矿井下低压供电系统的主要保护，其供电的可靠性、安全性直接关系到原煤的生产和人身的安全。由于煤矿井下环境比较恶劣，低压电网经常会出现漏电、短路等各种故障，而传统的低压馈电开关保护电路保护整定误差大，动作时间长，可靠性低，满足不了安全供电的要求。因此研究高性能、可靠性强、准确度高的低压馈电开关保护器对保障人身安全和提高供电质量具有重要的现实意义。
　　 本文在分析了目前国内外低压馈电开关保护器的研究进展与现状的基础上，设计的集漏电、漏电闭锁、过载、断相、短路和欠压等故障保护于一体的智能型大功率电机馈电保护开关，以CPLD为内核的EPM1270T144C5芯片作为整个系统的通讯核心，充分发挥了其计算能力强、运算速度快、外部总线开放等优点；同时基于西门子PLC S7-200的人机界面实现智能控制，将其作为控制系统的核心，可以有效提高系统的可靠性和增强其控制功能，而且也方便了用户扩展、安装调试以及与其他设备的通信连接术，可以提高系统的稳定性。
　　 本设计中利用CPLD的高精度、高速度的优点设计成状态机，直接检测馈电线路中三相电压与电流的相位，再通过驱动Max147实现高速的数据采集，检测相应的电量参数，并通过PLC的人机界面预置参数、实时监测以及完成馈电保护动作。
　　 实践表明，该方案切合了煤矿设备的需求，能够实现漏电闭锁、短路、过载、断相、欠压等保护功能。并且达到我国煤矿安全规程30mA·S的安全指标，整个系统最大限度的减少误动作，在运行过程中不受波形畸变、死机等问题影响，具有精确、便捷的特点。具有很广阔的市场前景和实用价值。

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 井下供电系统基本结构

1.1.2 矿用馈电开关保护的基本要求

1.2 国内外馈电保护开关的研究现状和发展趋势

1.2.1 国内外馈电保护开关发展状况

1.2.2 煤矿井下馈电开关综合保护器的发展趋势

1.3 课题的意义和研究内容

1.3.1 课题的意义

1.3.2 传统煤矿馈电开关存在的问题

1.3.3 课题研究的主要内容

第二章 馈电开关电网数据处理及算法

2.1 信号采样

2.1.1 直流采样法

2.1.2 交流采样法

2.2 电流有效值的算法

2.2.1 傅里叶算法

2.2.2 积分算法

2.2.3 傅立叶算法和积分算法的比较

2.3 本章小结

第三章 实现馈电开关保护方案分析

3.1 漏电保护

3.1.1 井下低压供电系统的基本特点

3.1.2 漏电故障分析

3.1.3 漏电保护方案

3.2 过流保护

3.2.1 过流特征及分析

3.2.2 过流保护原理

3.3 过载保护

3.4 欠压、过压保护保护

3.5 本章小结

第四章 系统硬件设计

4.1 硬件系统总体设计方案

4.1.1 系统总体功能

4.1.2 系统硬件设计方案

4.1.3 CPLD 芯片的选取

4.1.4 PLC 模块的选取

4.1.5 A/D转换器的选取

4.1.6 供电系统

4.2 数据采集电路设计

4.2.1 电网信号的预处理

4.2.2 A/D接口电路

4.3 数据处理电路设计

4.3.1 CPLD 与 PLC 串行通信电路设计

4.3.2 CPLD 管理电路设计

4.4 本章小结

第五章 系统软件设计

5.1 软件设计总体流程

5.1.1 软件的开发环境

5.1.2 软件设计流程

5.2 数据通讯模块

5.3 数据采集模块

5.4 相位检测模块

5.5 数据处理模块

5.6 本章小结

第六章 系统调试及分析

6.1 系统调试方法

6.2 系统试验结果分析

6.2.1 漏电故障的检测与分析

6.2.2 过流故障的检测与分析

6.3 系统误差分析及减小误差的方法

6.3.1 硬件电路误差

6.3.2 软件算法误差

6.4 系统抗干扰措施

6.4.1 外部干扰的产生

6.4.2 系统的抗干扰设计

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢