朱朝峰，刘　宪，吴振宇

（1. 海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉430061；2. 海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

基于CPLD电子脱扣器设计与功能测试

朱朝峰1，刘宪2，吴振宇1

（1. 海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉430061；2. 海军工程大学电气工程学院，武汉430033）

直流断路器是确保舰船供配电系统和用电设备安全的重要开关设备之一，而断路器的故障保护功能最终是由脱扣器来控制完成的。本文按照舰船某型直流限流装置的功能需求，完成了对基于CPLD电子脱扣器的设计，对该脱扣器进行功能测试，得出其抗干扰能力强，能够满足应用背景的需求的结论。

CPLD电子脱扣器设计与功能测试

0　引言

1在舰船电力系统中，直流断路器是非常重要的电气连接、控制和保护元件之一，而断路器的故障保护功能最终是由脱扣器来控制完成的。随着微电子技术的发展，研制高可靠性的电子脱扣器和更高一级的智能脱扣器成为断路器的发展趋势之一。本文以舰船某型直流限流装置为应用背景，对基于CPLD电子脱扣器进行了简单设计，并设定电压比较值和电流上升率，搭建测试平台，完成了对基于CPLD电子脱扣器的功能测试。

1　整体电路设计

基于CPLD电子脱扣器电路整体电路示意图如图1所示。霍尔闭环电流传感器输出电流型信号，该传感器对主回路电流进行采集，并将该信号以10000∶1的变比输出给基于CPLD的电子脱扣器，脱扣器采样电路对传感器提供的电流信号进行电压转换和钳位，以满足供电电源为+5 V电压比较器的需要。比较器将比较结果以高、低电平的形式经高速光隔传输给控制核心CPLD，CPLD对比较结果进行一系列逻辑判断，并决定是否产生故障脉冲，该脉冲控制电容放电及故障动作触发电路的动作，继而控制产生故障动作触发信号使得执行机构工作，最终实现故障保护功能。

概括起来，基于CPLD电子脱扣器的硬件部分主要由短路故障检测和故障动作触发两大电路组成，其控制核心选用抗干扰能力强、可靠性高、延时短的可编程逻辑器件CPLD。

短路故障检测电路中的电压比较器和控制核心CPLD分别由+5 V和+3.3 V两组电源供电，该电源又由精度高、具有隔离作用的直流电源模块（+24 V输入）提供。这不仅使得短路故障检测电路与外部电路间形成隔离，也使得其内部主要器件间隔离开来，从而大大提高了脱扣器硬件电路的抗干扰能力。CPLD控制故障动作触发电路后上电的功能电路以及互锁功能电路也都在一定程度上增强了脱扣器工作的稳定性和可靠性。为了避免因脱扣器本身器件故障而引起执行机构产生误动作，在电压比较器和控制核心CPLD之间加入了互检电路以提高脱扣器工作的可靠性。

图1　基于CPLD电子脱扣器硬件整体电路示意图

图2　舰船某型直流限流装置结构示意图

除此之外，基于CPLD电子脱扣器电路中还采用了电源滤波、屏蔽、隔离和接地等多种抗干扰设计来提高其工作的稳定性。

2　基于CPLD电子脱扣器应用背景

基于CPLD电子脱扣器的设计是以舰船某型直流限流装置为背景，脱扣器的执行机构是由爆炸桥、脉冲变压器和熔断器构成的。系统发生短路故障时，基于CPLD的短路故障动作触发电路产生脉宽约50 μs的触发信号，经脉冲变压器引爆电雷管使爆炸桥动作断开，电流随之转移到与之并联的熔断器上，熔断器起弧，电流逐渐衰减到零，起到限制短路电流的作用。

图2所示为舰船某型直流限流装置结构示意图，与主回路相连的有三条并联支路，高速工况下，3#开关合闸，1#、2#开关分闸；中/低速工况下，1#/2#开关合闸，3#开关分闸。主回路中设置了两台LEM传感器，一台LEM数据传给CAN板，通过 CAN总线传给集控室进行实时显示，一台 LEM数据传给电子脱扣器，作为短路故障判断的依据。中低速工况下，1#开关（主用）首先闭合，2#开关（备用）断开，判断到主回路中发生短路故障时，电子脱扣器发出动作信号同时引爆主用支路上并联的两个爆炸桥，限制短路电流，之后断开1#开关，闭合2#开关，判断到主回路中再次发生短路故障时，电子脱扣器发出动作信号同时引爆备用支路上并联的两个爆炸桥，限制短路电流。

3　基于CPLD电子脱扣器功能测试

3.1调试条件

根据舰船某型直流限流装置设计要求，下面对电压比较器的比较阈值和CPLD中duanlu.v模块的min、max值进行计算。

设计要求：

最大预期短路电流

最小短路电流

启动运算电流：

动作电流

3.1.1电压比较值的确定

已知霍尔传感器变比为 10000∶1，取样电阻为4.7 Ω，6 W搪瓷电阻。

那么启动值

由于基准零值被抬高到2.5 V，故

正方向时

反方向时

动作值

由于基准零值被抬高到2.5V，故正方向时

反方向时

根据基于 PAC-Designer软件中 ispPACPOWR1208门限阈值的设定范围和精度，正向电压第一、第二比较值分别为3.8327 V和4.3696 V；反向电压第一、第二比较值分别为 0.6802 V和1.0975 V。

3.1.2min、max的确定

3.2测试结果

3.2.1短路故障测试平台与结果

1）如图3所示，用RC电路模拟正向短路故障，将基于CPLD电子脱扣器中采样电阻R10断开，RC回路开关断开，取0.1 μF电容两端电压作为正向短路故障信号。

通过调节R得到不同的电流上升率，见表1。

2）如图4所示，用RC电路模拟反向短路故障，将基于CPLD电子脱扣器中采样电阻R10断开，RC回路开关断开，取0.1 μF电容两端电压作为反向短路故障信号。

图3　正向短路故障模拟电路

表1　不同的正向电流上升率下试验结果

图4　反向短路故障模拟电路

通过调节R得到不同的电流上升率，见表2。

表2　不同的反向电流上升率下试验结果

3.2.2其他功能测试结果

①上电后，ispPAC-POWR1208监测CPLD工作状态的6脚（IN1）有高电平输入，7脚（IN2）有低电平输入，14脚（BJ1）为高电平；通过跳线将IN1拉为低电平，ispPAC-POWR1208的14脚（BJ1）有低电平的报警信号输出；去掉光隔电阻R18将IN2置为高电平，ispPAC-POWR1208 的14脚（BJ1）有低电平的报警信号输出。

②上电后，ispPAC-POWR1208的 12脚（D2-1）有输出至 CPLD 的低电平信号，ispPAC-POWR1208工作状态指示信号（D02-1低），CPLD的BJ2为高电平；去掉R49将D02-1置为高电平，CPLD的BJ2为低电平。

③上电后，ispPAC-POWR1208的 17脚（DOWN）有高电平输出，三极管 Q1导通，V_LED为高电平。

3.2.3几个关键信号的波形

1）电子脱扣器掉电后，当ispPAC-POWR1208电压小于4.5 V时，其17脚（DOWM）变为低电平。如图5所示，CH1为ispPAC-POWR1208供电电源+5V电压信号，CH3为DOWN信号。

图5　+5 V电压掉电及DOWN信号波形

2）当模拟短路信号输入时，基于 CPLD短路故障检测电路判断到主回路故障并发出132 μs的故障脉冲，经光隔后输出约50 μs的导通信号，迫使电容放电及触发电路中三极管N1、N2导通。三极管发射极和集电极两端的电压波形如图6所示。

3）测试条件如 2），电容放电及触发电路中的三极管N1、N2导通后，与其串联的电阻R4、R21两端产生动作触发信号，并作为脉冲变压器的原边输入。脉变原边触发信号波形如图7所示。

4　小结

本文主要以舰船某型直流限流装置为应用背景，从提高硬件电路的可靠性、稳定性以及抗干扰能力等方面考虑，完成了对基于CPLD电子脱扣器硬件电路的设计，根据设计要求，计算出了电压比较器和CPLD的参数设定值。通过搭建短路故障测试平台来模拟短路故障，观察断路器执行机构的开断情况，同时也对各输出端口信号进行了监测。得出结论：基于CPLD电子脱扣器结构简单，精度高，延时短，易兼容，工作稳定、可靠，具有很强的抗干扰能力，同时能够满足应用背景的需求，可作为工业控制和军事领域应用的参考。

图6　三极管N1、N2导通波形

图7　脉变原边触发波形

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Design and Test of Electric Tripper Based on CPLD

Zhu Chaofeng1，Liu Xian2，Wu Zhenyu1
(1. Naval Representatives Office in No.438 Factory，Wuhan 430061，China; 2. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

The direct current breaker is one of the important switchgears to ensure safety of ship’s power supply and power equipment. Fault protective function of circuit beaker is carried out by the tripper. According to the functional requirements of a certain type of DC current limiting device in a ship，electric tripper with CPLD is designed. Test results show that the tripper has very strong anti-interference capability and can meet the needs of application background.

CPLD; electric tripper; design and test

TM561

A

1003-4862（2015）12-0026-04

2015-10-05

朱朝峰（1984-），男，助理工程师。研究方向：舰船电力电子技术。