基于CPLD的新型无功补偿投切开关控制器设计

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摘要：新型高压无功补偿投切开关为真空接触器和晶闸管阀并联结构，其控制器通过检测各种状态信号，快速进行逻辑判断和发出控制命令，实现所接负荷的过零点投入和切除。本文介绍一种CPLD芯片，通过高速光耦采集接触器的辅助触点信号，设定各种逻辑状态出口，利用光纤传输精确控制晶闸管阀通断，同时控制接触器合分时序，达到过零点投入或切除负荷。对装置控制器部分的软件和硬件做了说明，硬件部分主要以EPM1270T144C及芯片等连接，软件部分用Quartus II 6.1编程。

关键词：CPLD 投切开关 EPM1270T144C 光电转换

引言

目前电力系统中高压无功补偿装置普遍采用真空断路器或真空接触器投切电容器装置，这种传统的投切方式对电力系统、对电容器组以及对投切开关本身都产生较大的暂态冲击电压和电流，危害设备的安全运行。新型的高压无功补偿设备投切开关采用晶闸管阀组和真空接触器并联结构，投入时序：先使晶闸管阀在电压过零点时导通，将电容器组接入电网，再使真空接触器投入，稳态下晶闸管阀在电流过零时自然关断，电容器组投入完成；切除时序：先使晶闸管阀导通接入系统，然后分断真空接触器，再封锁晶闸管阀触发脉冲，使其在电流过零关断，完成电容器组切除。这种投切方式能有效降低电容器组投切产生的暂态冲击，提高了系统及设备运行的可靠性。

这种新型开关的投切方式对投切的实时性和准确性的要求较高，控制器不仅能在相对复杂的环境下能可靠工作，并且需要较高的时钟频率和强大的时序控制能力。CPLD （Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件，用户可根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，以及硬件上的并行工作模式，为开发这种高性能的控制器提供了很好的解决方案。

1、控制器设计方案

本例高压投切开关的控制器的采用MAXIIEPM1270系列CPLD作为主控芯片，通过检测不同设备在不同时刻的开关量输入状态，经过预先设定的逻辑关系，完成需要达到的功能。控制器原理框图如下：

1.1时钟输入电路

EPM1270T144C的提供四个通道的时钟信号输入端，通过外部50MHz/3.3V的有源晶振产生50MHz的时钟信号直接输入，为提高芯片工作可靠性，本例采用两个50MHz/3.3V晶振提供两路的时钟信号互为备用，防止在一个晶振损坏时另一个能继续提高时钟信号使芯片正常工作，提高装置的可靠性。

1.2过零检测电路

电路主要由滤波电路部分、限幅电路部分、比较电路部分组成，如图所示。系统二次电压加到A、B输入端，通过后面的电容C1、R1、C2组成Π型滤波电路进行滤波；限幅电路由两个二极管，如图D1、D2组成，通过D1和D2的作用，将系统电压的幅值控制在了0.7伏左右，这个电压输入到后面的比较电路处理中进行处理；比较电路主要由LM393比较器组成，LM393的同相输入端为低电平，如果反相输入端为高电平，则LM393输出为低电平；如果反相输入端为-0.7伏，则输出为高电平，这样就在LM393的输出端形成如图所示的波形；为防止干扰，后级加入光电隔离电路，增加了电路可靠性。

1.3功率转换电路

CPLD芯片工作电压为3.3V，光电接收器使用的是5V电源，二者需要进行电平转换；功率电路主要由功率转换芯片LVC4245组成，如图所示。LVC4245为双向转换芯片，可实现3.3V和5V之间的相互转换，转换速度快、信号失真小、最大输出24mA的灌电流和拉电流。设置芯片DIR引脚电平设置信号传递方向，DIR为低电平时信号由B到A传递，DIR为高电平时信号由A到B传递。

1.4光电转换部分设计

根据实际工程需求，光纤有效传输距离为20米，光电转换器件选择Avago公司HFBR0501系列产品，型号为HFBR-1521（光发送器）/HFBR-2521（光接收器），光纤信号传输速率5Mbd。电路如图所示。

根据光纤技术参数表要求，光纤信号传输距离20米时驱动电流需要50mA，即要求驱动芯片的灌电流达到50mA，电路设计选用了工业级SN75451B驱动芯片，其输出电平时的灌电流最大可达65mA；为了降低光电器件损耗、延长使用寿命，使HFBR-1521第2脚在无信号发送时处于高电平，熄灭器件内部发光二极管；R11电阻值取 100Ω/1W，保证能长期稳定工作不损坏。

2、控制器程序流程图

本例高压投切开关控制器程序使用Quartus II 6.1集成软件开发平台，使用VHDL硬件描述语言进行编程，通过仿真达到设计需要的逻辑关系。最终生成目标文件通过下载电缆将代码传送到目标芯片中。

编程设计采用VHDL语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。一个完整的VHDL语言程序通常含有5个部分：实体（Entity）、结构体（ArcbAtecture）、配置（Configuration）、包集合（Package）和库（Library）。

3、总结

本文介绍的基于cpld的无功补偿投切开关控制器具有响应速度快，可靠性高，利用光纤传输控制实现高低压隔离，有效地解决了高电压等级电容器组投切产生的暂态冲击，延长了开关及电容器使用寿命。由于良好的性能和明显的经济效益，在高压无功补偿应用具有广阔前景。

参考文献：

[1]廖裕评、陆瑞强 CPLD数字电路设计 清华大学出版社 2001年10月

[2]刘欲晓、方强 EDA技术与VHDL电路开发应用实践 电子工业出版社 2009年

[3]辛春艳 VHDL硬件描述语言 国防工业出版社 2002年1月