基于cpld的交流电中保护继电器及其缺相保护系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 发明涉及一种基于CPLD的交流电中保护继电器及其缺相保护系统。
【背景技术】
[0002] 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。
【发明内容】
[0003] 基于以上不足之处，本发明提供一种基于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。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] 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，
[0006] 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100KD，第二电阻为IKD，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；
[0007] 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2KQ，第四电阻为IKQ，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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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第一比较器反向输入端电压导致的相移时间A2，故相移总 时间
[0011] 入=max(入i，入 2) (1)
[0012] 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
【主权项】
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IOOKΩ，第二电阻为IKΩ，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 2K Ω，第四电阻为IK Ω，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A1，第一比较器反向输入端电压导致的相移时间λ 2，故相移总时间 λ = max ( λ J，λ 2) (I) 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
其中心和12分别为检测到的零点时的时间，T为交流电的周期，η = 1，2,3....，实际 的零点位置对应的时间应为：
(4) 根据式（2)、（3)和（4)得到第一光电隔离器导致的相移时间A1和第一比较器反向输 入端电压导致的相移时间λ 2:
(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IKhz的脉冲串给脉冲变压器使得单向硅导通，延时20- Ams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IKhz的脉冲串给脉冲变压器使得单向硅导通，延时20-λ ms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IKhz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。
【专利摘要】本发明提供一种基于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。
【IPC分类】G05B19-042, H02H3-253, H02H7-22
【公开号】CN104678860
【申请号】CN201510083206
【发明人】程炳坤, 于志伟, 曾鸣, 张海东, 周彬彬, 柳佳男
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月11日