智能型剩余電流保護(hù)器電磁兼容設(shè)計
引 言
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(hù)器作為電網(wǎng)末端供電線路保護(hù)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(rèn)證，才能投入電網(wǎng)運(yùn)行。圖1為用P87LPC767單片機(jī)設(shè)計的智能型剩余電流保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)器的電磁兼容設(shè)計方法。
1 單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計
該剩余電流保護(hù)器采用P87LPC767單片機(jī)，剩余電流的采樣檢測、計算、顯示、動作判據(jù)、保護(hù)動作的執(zhí)行等重要工作都由單片機(jī)完成，單片機(jī)系統(tǒng)本身的抗干擾能力直接決定整個保護(hù)器的抗干擾能力。而單片機(jī)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(jī)的影響十分重要。
單片機(jī)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(jī)工作電源產(chǎn)生影響，單片機(jī)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(jī)工作。在設(shè)計PCB板時，在單片機(jī)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(jī)工作電源穩(wěn)定。
復(fù)位電路采用P87LPC767單片機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入非程序區(qū)時，將引導(dǎo)指令轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。
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(jìn)線電源進(jìn)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(jìn)行相線、地線的差模、共模，正極性、負(fù)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(hù)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(jìn)行監(jiān)測，給出相應(yīng)的標(biāo)志，由軟件程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免保護(hù)器誤動作。詳細(xì)原理如下：
為保證剩余電流測量的實時性，該保護(hù)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(jī)內(nèi)部的A／D進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(hù)器的誤動作。
系統(tǒng)主程序通過對bgrc1進(jìn)行判斷，如果有效進(jìn)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(jìn)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(hù)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(hù)器PCB板時，綜合考慮各種可能影響保護(hù)器性能的因素，提高PCB對干擾的抑制能力。強(qiáng)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(jī)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(jī)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。
監(jiān)測采樣的軟件程序如下：
結(jié) 語
由于采取的硬件、軟件措施正確有效，該保護(hù)器順利通過了產(chǎn)品型式試驗，取得3C認(rèn)證，運(yùn)行可靠，沒有出現(xiàn)誤動作。采用單片機(jī)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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