矿山配电站电压保护控制电路设计与实现

（武威职业学院,甘肃 武威 733000）

近几年，我国矿山配电站统一采用全自动超大规模集成电路控制系统，特别是对保护电源、用电设备变频以及电磁激励等电路控制板的需求量很多。配电站作为矿山各种用电设备的主要核心装置被大规模的应用于矿山工程生产中，其供电线路的性能好坏对用电设备的技术指标及工作中的安全稳定性有着较直接的影响。在控制电路设计制造过程中，实现矿山配电站智能化工作，是矿山供电系统的前提和核心，大大提高了矿山的生产效率，保证了矿山配电站供电设备的安全性和稳定性[1]。本文根据矿山配电站电源特征设计了电压保护控制电路，包括硬件设计、程序设计，主要以单片机为重点构建调压、采样以及反馈的闭合回路，实现了对矿山配电站电源电路的保护。采用电压保护控制电路，可以降低部分易损器件的应用，达到减少矿山配电站故障的目的。

1 矿山配电站电压保护控制电路的硬件设计

矿山配电站电压保护控制电路的整体结构设计主要包括采样电路设计、单片机设计、滤波电路设计、电压跟随电路设计以及电压转换电路设计。其电路的主体设计是尽可能使采样电路和单片机电路的控制信号输出保持一一对应的关系，其电路结构设计图如图1所示。

图1 电压保护控制电路结构设计图

采样电路设计在电压保护控制电路中是不可缺少的，矿山配电站电源测量端输出电压是整个电路设计实现闭环控制的关键，因此需要在测量出口进行信号采样，矿山配电站依照采样信号的高低调节输出高压。在电压保护控制电路的设计中，采样电路设计方式可以分为两种，分别是正压采样电路设计和负压采样电路设计，根据需要进行选择。

滤波电路通常是由电阻原件和电容组成，最大的作用就是过滤除整流输出电压以外的纹波，尽可能保证直流电压没有交流电压成分，使配电站的输出电压波形能够更加平滑，以便可以得到相对稳定的直流电压。单片机输出的所有控制信号为得到稳定的直流电压信号都需要进行滤波电路处理。

电压跟随电路设计的作用是对电流进行放大处理。在电压保护控制电路中如果采样信号的电流很小、能力较弱，单片机将不能依据采样输出的信号做出一定判断，因此采样信号在传输到单片机之前需要进行一次输出电流放大处理的操作。在控制电路设计中增加一个难度不大的运算放大器作为电压跟随器驱动系统，能够很好的完成电流放大处理。选择LM358芯片作为矿山配电站电压保护控制电路设计中的放大器，其内部包含两个完全独立的运算程序，电源供电方式多样，不光可以应用于单电源供电，也可以为双电源供电。近年，LM358芯片作为电压跟随器及电压比较器被大规模应用在电路中，其特性和参数如表1所示。

表1 LM358芯片的特性和参数

控制电路设计中的单片机是单片微型计算机的简称，单片机是一个具有复杂逻辑功能的芯片，其半导体硅片上包括微型处理器、输出接口、数据存储器、输入接口、计算器、信息转换器、并行口、串行口以及脉宽调试器等，是一个典型的嵌入电路式微控制器。尽管单品机的体积很小，但是其电路芯片具备一台高级计算机的所有重要属性，因其重量小、价格低廉被大规模应用于控制电路设计中。电压控制保护电路的设计先是进行采样，采样电阻在矿山配电站电源输出信号口获取电压信号，经滤波电路、电压跟随电路，将信号进行放大处理后输入至电压转换器内，电压转换器可以将负采样信号转换为相应的正压信号，将正采样信号转换为相应的负压信号，当采样信号传到单片机的端口时，单片机会依照采样信号的特征做出结论，并进行一定的调整，最后采样信号再经过滤波电路中，进入到电流开关电源的控制端。

2 矿山配电站电压保护控制电路的程序设计

矿山配电站电压保护控制电路的软件设计包括主程序设计、电路程序以及延时子程序。为了提高矿山配电站输出电压的稳定性。电路的程序设计可以有效防止较大功率的供电电压击穿单片机，起到保护单片机不破损的作用。矿山配电站工作过程中，延时程序的设计可以保障高压的稳定输出。

2.1 主程序设计

矿上配电站启动后，电路开始运行，单片机开始设定输出电压，高压测量依照采样信号特征做出判断，当采样信号比电路设定的电压数值大很多时，单片机就会控制输出信号变小，当采样信号比电路设定的电压数值小很多时，单片机就会控制输出信号增大，以达到对闭环稳压控制的效果。

2.2 电路程序

在矿山配电站电压保护控制电路设计中，利用单片微型计算机输入程序来控制配电站电源的工作，其电路程序如下。

2.3 延时子程序

在电压保护控制电路程序设计中，调节单片机的输出时间和采样信号的流通时间，使其保持相同，是延时程序设计的重点问题。调节公式如下。

控制电路的电阻值表示为R，电容值表示为C。控制时间为：

程序延时时间为：

P表示延时函数，D表示采样信息流通时间，T表示单片机输出时间，E表示控制电路用电系数。

3 实验结果与分析

矿山配电站输出电压为35kv，应用电压保护控制电路工作48小时，测试数据如表2所示。

电压保护控制电路中的输出电压经过滤波器，生成无任何交流电流掺杂的直流电流，其在电阻上形成的电压降即为信号电压，经单片微型计算机输入到对比器的相同输入端内。当电路处于闭合状态时，将电路电压和固定电压进行对比，得到的数据如表3所示。

表2 电压保护控制电路测试结果

表3 配电站电压保护控制电路的电压比较

配电站电路的芯线发生故障时，变压转换器的输出回路容易造成短接，电路中不再只是直流电，开始出现交流电，经滤波器滤除后，不会在电阻上产生交流信号电压。此时，电路电压会比对比电压小，将电阻断开，电路短路故障时的对比电压如表4所示。

表4 电路短路故障时的对比电压

当矿山配电站电路某一处断路时，电压保护控制电路不会在电阻上产生直流电，将其形成的信号电压与配电站正常供电的电压对比，得到的数据如表5所示。

表5 矿山配电站故障时的对比电压

根据以上得到的数据整理分析可以知道，矿山配电站在正常供电时，当用电设备发生短路和断路等故障时，电压保护控制电路可以使电阻断开。在配电站没有工作时，如果电路发生故障，电压保护控制电路也会向接收器发出故障信号。

4 结语

根据矿山配电站的情况，通过分析用电设备原理及电路技术，进行了电压保护控制电路设计，并优化部分设备，降低电路系统难度，避免多发故障单元的使用，有效减少矿山用电设备的故障。通过实验结论可以看出，电压保护控制电路能够实现多设备的直流、交流电压稳定输出，最大限度的满足矿山配电站用电设备对所需电源的要求，具有较强的实际应用价值。电压控制保护电路应用于矿山配电站，可以在紧急情况下向电源装置提供准确、可靠的预警信号，并且在控制线路出现任何故障时都可以起到一定保护的作用。电压保护控制电路满足矿山配电站的现场要求，矿山所有用电设备在工作时，电流、电压如果发生短路、欠压、掉电、漏电、过压以及过流等故障时，可有效阻断设备的线路，并发出预警信号，从而保护了用电设备，提高矿山生产效率，降低因用电造故障造成的经济损失。矿山配电站电压保护控制电路的设计与实现大大提高了矿山生产率，具有极其重要的推广价值。

[1]王波,赵涛,李梦超.基于Multi-Agent的数字化矿山配电网保护方法[J].陕西煤炭,2016,35(4):101-103.