光伏GFCI2

GFCI电路分析与算法实现1目录...................................................................................................................................................12概述...................................................................................................................................................23要求...................................................................................................................................................23.1漏电开关使用目的..............................................................................................................23.2漏电开关使用原理..............................................................................................................23.3安规要求/内部标准............................................................................................................24硬件电路分析...................................................................................................................................34.1振荡电路..............................................................................................................................44.2滤波放大电路......................................................................................................................74.3电流源电路..........................................................................................................................94.4模块保护............................................................................................................................114.5AD采样电路.....................................................................................................................125软体算法实现.................................................................................................................................135.1GFCIdevicecheck.............................................................................................................135.2GFCI300mA/30mA/60mAcheck.....................................................................................145.3GFCI150mAcheck...........................................................................................................156测试.................................................................................................................................................166.1测试方法及报告................................................................................................................162.概述本文对公司现在所使用的GFCI模块进行分析，涵盖以下几个方面：GFCI电路使用的目的GFCI硬件电路分块分析信号采样电路的分析实际应用过程中遇到的问题分析及解决措施软体算法的实现3.要求3.1漏电开关使用目的GFCI模块实际是一个漏电开关，当逆变器可导电部分（外壳）产生故障电压并产生一定数值的漏电流时，它能自动切断电源，从而有效的防止触电事故的发生.3.2漏电开关使用原理用电设备正常运行时，相线与Ｎ（零线）进入电流互感器的电流相等，方向相反，两电流在互感器中产生的磁通相互抵消，互感器二次侧无感应电流信号输出，开关维持导通状态；当设备出现相对外壳漏电故障，相线电流在互感器中产生的磁通大于Ｎ线电流产生的磁通，电流互感器中出现剩磁通并感应出电流信号，经放大后送给DSP处理，当漏电流达到设定值时，就会驱动开关执行机构跳闸，切断电源。3.3安规要求及内部标准下表是VDE0126-1-1对太阳能逆变器漏电流的要求/跳脱时间，以及公司为满足安规要求并留有足够余量的条件下所设定的跳脱点的电流.软件硬件的设计都基于安规所制定的要求.漏电流类型VDE0126-1-1内部标准跳脱时间Leakagecurrent=300mA60mA300msResidualcurrent30mA24mA300ms60mA48mA150ms150mA120mA40ms4.硬件电路分析GFCI分为四个部分：振荡电路，滤波比例放大电路，电流源电路，保护电路。因机器需要侦测0-700Hz的漏电流，根据滤波器的衰减原理，选取7KHz作为振荡电路的振荡频率，振荡部分采用不对称电路，使得电路无论在何种状态都能顺利起振。滤波比例放大电路采用两个二阶滤波作为滤波，滤除振荡电路的振荡波形，避免振荡电路对采样电流所产生的影响.电流源电路采用TL431产生一个标准的50mA电流.保护电路主要是瞬态过流保护电路，电压钳位电路.GFCI模块系统框架图如下所示：振荡电路饱和电感漏电流耦合电流采样滤波比例放大电路电压抬升差分采样电路多路复选开关DSP处理4.1振荡电路振荡电路如图所示，LA,LB之间是饱和电感制作的电流互感器.电路正常工作后，A点输出的是幅值为+12V/-12V的方波，B点则是方波作用于饱和电感后的波形.两点波形如下图所示：ABCDEFGHIA点B点振荡电路工作原理：U2-A,U2-B是电源电压为+12V，-10V的连个开集电极比较器，U6-D,Q2,Q11,可以看成是反向/同向比例放大器.假设某个时刻A点输出为高电平，此电压加在饱和电感AF上，在达到饱和之前AF可以看成是一个阻抗很大的开关，流过电感的电流为激磁电流，几乎可以忽略，所以在电阻R36上产生的压降近似为0.分析可知U2A输出为高电平（集电极开路），U2B输出为低电平-10V.A点输出为低电平时，分析方法如上.所以在高低电平所处的稳态下，各点的电压如下：VVAVBVCVDVEVFVGVHVIVA=H902.077-1000OPENC09.7VA=L-90-2.077OPENC-90-10-9-9.7振荡电路的频率完全由饱和电感决定，公司采用的饱和电感是HitachimetalsMP2303-4AS,其规格如下所示：Ae(mm^2)Br(T)Bs(T)8.10.460.57依饱和电感的特性，其磁芯工作在Ⅱ-Ⅲ类工作状态上，也就是所谓的磁放大器工作状态，磁场强度的磁滞回线和饱和电感承受电压的简化电路如下图所示：Ts电感匝数n=73，振荡频率及duty计算如下：Ton：芯在输入电压Ui=9V的作用下，磁场强度由-Bs向+Bs磁化，磁化时间为：Bs1=Bs,Bs2=-Bs,Ui=9V,N=73,Ae=8.1mm^2Toff:输入电压Ui=-9V的作用下，磁场强度由+Bs-Bs向-Bs磁化，磁化时间为：Bs1=Bs,Bs2=-Bs,Ui=-9V,N=73,Ae=8.1mm^2Ts=Ton+ToffTs=14.98*10^-4SFs=6.676kHZDuty=50%TonBs2Bs1BNAeUidTon7.49105sToffBs1Bs2BNAeUidToff7.49105s9V-9V4.2滤波放大电路滤波放大电路如图所示，其目的主要是对振荡信号进行衰减，并对耦合的漏电流信号进行比例放大.所以采用了低通KRC滤波器——塞林更（Sallen-key）滤波器.增益单元由一个同向放大器实现，两个RC滤波器加上运放，构成二阶有源低通滤波器.为达到更好的滤波效果，采用了两级二阶滤波器，所以实际上此滤波器实际为四阶有源低通滤波器.以下是对此滤波器的分析：幅频特性：滤波器电路可描绘成如下形式C1R3R2R1-12VX1TL074+12VR4C2ViVo其传递函数为：增益：K11R30R34K11.499K21R27R31K23.308KK1K2K4.958转折频率为：后级的传递函数为：转折频率为：两级的频率特性为：下面是仿真波形：Hj()K1R1C1R2C2j()21K1R1C1R1C2R2C2j1011R1R2C1C2016.727103Hzf01012f011.071103HzJj()K20.649R1C1R2C2j()21K10.649R1C10.649R1C2R2C2j10210.649R1R2C1C2028.35103Hzf02022f021.329103HzFj()Hj()Jj()幅频特性相频特性从仿真的结果来看，对我们所需要检测的频率0-700Hz，幅度没有衰减，但相位发生了95.2度的变化.对振荡频率6.676KHz，衰减了60dB.振荡电路在R36的电压达到2.077V时翻转，即R36的振荡电压最大值为2.077V，经过滤波器衰减后，2.077V变为原来的0.001，即2.077mV.所以GFCI的检测基本可以忽略振荡电路的影响.4.3电流源电路GFCI自检电路如上图所示，使用TL4312.5Vreference电压产生一个5mA的电流