CPLD器件在电力电子保护系统中的应用

收稿日期:2005203228

作者简介:肖强晖(19692),男,湖南湘乡人,株洲工学院高级工程师,博士,主要从事电气工程和电力电子技术等方面的开发与研究.

第20卷第2期

2005年5月

长沙电力学院学报(自然科学版)J OU RNALOFCHAN GSHAUN IV ERSIT YOFEL ECTRICPOWER (NA TURAL SCIENCE )

Vol.20No.2

May.2005

CPLD 器件在电力电子保护系统中的应用

肖强晖1,瞿遂春1,2

(11株洲工学院电气工程系,株洲　412008;21华中科技大学电气与电子工程学院,武汉　430074)

摘　要:介绍电力电子系统中的保护电路,提出利用复杂可编程逻辑器件(CPLD )实现电力电子系统各种保护信

号与脉冲宽度调制信号的逻辑组合方法,论述CPLD 在电力电子系统保护中的可行性和优越性.实验结果表明用

CPLD 器件实现的电力电子保护系统具有集成度高、灵活性强、可靠性高、易于维护、升级和扩展等特点.

关　键　词:复杂可编程逻辑器件(CPLD );保护电路;电力电子系统

中图分类号:TM 464 文献标识码:B 文章编号:100627140(2005)022*******

Application of CPLD in the Pow er Electronic Protective System

XIAO Qiang 2hui 1,QU Sui 2chun 1,2

(11Zhuzhou Institute of Technology ,Zhuzhou 412008,China ;21Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )

Abstract :In t he paper ,several p rotective circuit s of power electronic systems are int roduced in de 2tail ,and t he logic configuration met hod of t he p rotective signals fro m power elect ronic systems and p ulse 2widt h 2modulation (PWM )signals from ADMC401is implement based on complicated programmable logic device (CPLD ).The aut hors discuss t he feasibility and superiority of CPLD in power elect ronic safeguards.Experiment result s show t hat t he protective system of power elec 2t ronics based on CPLD has high integration ,good flexibility and better reliability and t hus it is easy to maintain ,update and expand.

K ey w ords :co mplicated programmable logic device (CPLD );p rotective circuit s ;power elect ronic systems

目前,电力电子保护系统普遍采用L S7400系列集成芯片或者可编程GAL 集成芯片来实现电力电子系统各种保护信号与脉冲宽度调制(PWM )信号的逻辑组合.这种保护系统具有采用分立器件多、集成度低、电路复杂等缺点.

当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会.目前电路设计与开发周期很短的现场可编程逻辑器件(FPLD )已经得到广泛应用,其

中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FP GA )和

复杂可编程逻辑器件(CPLD ).它们具有体系结构/逻辑单元灵活、集成度高、可实现较大规模电路、编程灵活、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定、可实时在线检验以及适用范围广等优点[1,2],因此逐步被应用于电力电子保护系统的设计中.

本文集中研究Altera 公司的CPLD 器件EPM7128S 在电力电子保护系统中的应用.

1　PWM 输出信号简介

电机控制DSP 芯片ADMC401的脉宽调制(PWM )控制器单元具有可编程的优点.它通过编程产生所需要的各种开关模式,以适应于交流电机、电子换向电机(ECM )、无刷直流电机(BDCM )及开关磁阻电机(SRM )等PWM 控制模式[3].

PWM 控制器单元通过6个PWM 输出引脚(AH ,AL ,BH ,BL ,CH ,和CL )输出3对PWM 信号,包括3个上桥臂驱动信号(A H ,BH 和CH )和3个下桥臂驱动信号(AL ,BL 和C L ).PWM 输出信号的开关周期、死区时间和最小脉宽分别通过寄存器PWMTM ,PWMDT 和PWMPD 进行编程控制,而3个导通时间控制寄存器(PWMCHA ,PWMCHB 和PWMCHC )直接控制3对PWM 信号的导通时间.

下面采用100-Pin PQ FP 封装的EPM7128SQC100-15(见图1)芯片来实现电力电子保护信号与上述3对PWM 脉冲宽度调制信号的逻辑组合.它具有2500门可用门数,128个宏单元,最大84个I/O 可用引脚数

.

图1　EPM 7128S 封装图

2　电力电子保护电路

在电力电子系统中必须设置一些必要的保护措施,以保证系统的可靠运行.以三相变流器为例,一

般均设置有如下保护:①电网电压的过压回差保护;②电网电压的欠压回差保护;③交流输入电流的过流锁死保护;④交流输入电流的过载锁死保护;⑤直流侧电压的欠压回差保护;⑥直流侧电压的过压锁死保护;⑦IG B T 模块的过温回差保护等[4].

1)直流过压、交流过流锁死保护.图2中,保护输出信号为高电平有效.直流过压、三相交流过流保护输出信号分别记为U dc -ov ,U

ac -oc -a ,U ac -oc -b 与U ac -oc -c .

图2　直流过压、交流过流保护电路

2)直流欠压、交流欠压回差保护.

图3中,保护输出信号为低电平有效.直流欠

压、三相交流欠压保护输出信号分别记为U dc -

lv ,U ac -lv -a ,U ac -lv -b 与U ac -lv -c.

图3　欠压保护电路

3)交流过压回差保护.

图4中,保护输出信号为高电平有效

.三相交流过压保护输出信号分别记为U ac -ov -a ,U ac -ov -b 与U ac -ov -c .

图4　交流过压保护电路

4)过温回差保护,分析方法同上,保护输出信

号记为U t -oh.

5)过载锁死保护信号是由DSP 输出的保护信

号记为U ac -ol.

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1长沙电力学院学报(自然科学版) 2005年5月