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1、基于CS5460A的直流电力机车专用智能电度表系统第27卷增刊12007年10月铁道机车车辆RAAYIDC0M0&CARVo1.27Supp1.10ct.2007文章编号:10087842(2007)S1005902基于CS5460A的直流电力机车专用智能电度表系统黄李,张维戈,李景新(北京交通大学电气工程学院,北京100044)摘要基于机车电度表的现状,结合芯片CS5460A,主要从硬件方面介绍了一种全电子式电力机车直流电能记录系统的技术原理,分析了该系统的隔离安全方面设计.该系统实现了机车用电,线网电压,线网电流的准确计量,同时为电力机车用电的科学管理打下了基础.关键词电力机车;直
2、流智能电度表;隔离安全中图分类号:TM933.4文献标志码:A目前,国内大多数矿山,钢厂内的直流电力机车上的电能计量采用机械式电度表,主要问题如下:由于机械磨损,需要进行定期校准;工作电压高,爬坡时瞬态电流大,对电度表自身的隔离要求高;无法实现数据的联网及集中显示;误差曲线不理想;行驶过程中的剧烈振动影响机械部件计量等.因此,无论从管理上还是计量需求上都需要一种智能电度表,一方面可以实现对电力机车用电的全面准确计量及数据集成;另一方面降低故障频率,使电能表能够长期可靠高效的工作.这样可以减少不必要的能耗,降低运营和维修成本,达到节能降耗的目的.1电力机车专用智能电度表的测量原理及结构该智能电度
3、表是针对机车运行过程中,多变的行驶环境,较高的电压隔离等级而专门设计的一种新型电能计量仪器.与传统的机车电度表相比,取消了机械装置,对电能的计量实现全数字化,适合机车振动运行以及高电磁干扰的工作环境.可以根据用户要求,通过TAX2通信装置,实现对各机车的电量,线网电压,线网电流联网的集中显示.系统硬件和功能框图如图1所示.电压分压电路_-.叫.电能计_-处理器匝量单元叫.电流分流器_-.图1智能电度表原理框图(1)中央处理器中央处理单元采用16位工业单片机MC9S12C32,内置32K的FLASH,2K的RAM.同时,为单片机配置了硬件WATCHDOG电路,使系统具有较高的可靠性和更强的抗干扰
4、能力.(2)电能计量单元电能计量单元的核心是CS5460A,它是一种单相双向并且具有串行SPI接口的高度集成的功率/能量测量芯片.它的工作温度范围宽(一4085oC),采用+5v单电源供电,可以精确测量正反两个方向的电压瞬时值,电流瞬时值,电压有效值,电流有效值以及功率和能量.它的单相双向的功率,能量测量的特点比较适用于电力机车专用电度表.功率,能量,电压电流有效值,电压电流瞬时值的测量结果都存放在对应寄存器的单元中,通过SPI总线访问,可以将所有需要的数据全部读回.它可以与分流器或电流变压器相连来测量电流,也可以与电阻分压器或变压器相连来测量电压.(3)CS5460A的数据流动原理CS546
5、0A芯片的数据流动框图如图2所示.首先,电压电流通道采集到各自的毫伏级模拟信号,经增益放大器,采集到模块.其次,数据经高速数字低通滤波器,滤去高频噪声.电压通道是一个sinc的低通滤波器,并带有一个延时滤波器,延时滤波器的延时长短可通过设置相应的寄存器来控制;电流通道是一个sinc的低通滤波器,在量程范围内有着比电压通道更高的精度.两个通道的数据经低通滤波后,再经过一个FIR补偿滤波器,补偿频响跌落.再次,根据实际需要,可以通过配置状态寄存器,使数据经过高通滤波器或者完全通过.数据经滤波,瞬态电压和瞬态电流值加上零点,并乘以增益.得到的24位瞬态数据采样值,储存在对应的瞬态电压和瞬态电流寄存器
6、内,可供用户读取.瞬态电压和电流相乘,可得到瞬态功率采样值,在每个A/D转换周期后,新的瞬态功率采样值会储存在瞬黄李(1982一)男,福建三明人,硕士生(收稿日期:20070305)铁道机车车辆第27卷电压信号电流信号配置寄存器tC3:0位.配置延时图2CS5460A数据流动框图态功率寄存器里.经过个周期的瞬态功率累加,可得到能量寄存器的值;同时,1个周期内最新的瞬态电压电流值将作有效值处理,处理结果储存在电压电流有效值寄存器里,供用户读取使用.(4)系统精度CS5460A具有非常好的线性度,在MCLK=4.096MHz,K=1,N=4000的情况下,通过电压,电流各自的零点校准和增益校准,能
7、量的精确度可以达到读数的0.1%(300:1).此外,电压信号采样电路选择精度为0.5%的精密电阻,通过电阻分压获得电压信号,电流信号采样电路选择精度为0.5%的电流传感器.通过定时器中断,给出当前功率对应的脉冲频率,与理想频率进行比较,将系统误差控制在需要的范围之内.经试验室反复试验及现场长时间运行检验,该电度表系统各项指标完全符合IEC1036标准中关于1.0级电度表的要求.(5)数据记录数据记录是本系统的一个重要环节,直接影响到电度表能否长时间可靠运行.数据记录单元采用EEPROM,可记录4kb/s数据.记录方式分为两种:(1)缓变数据信息采用正附本比较的方式达到容错纠错的目的.先确认数
8、据标示码是否正确,再比较正负本是否相同,若数据有误,即通过备份文件覆盖.(2)实时数据信息采用了多字顺序判断的算法,通过对上次数据及下次数据的比较计算,判断当前数据的正误,此算法不仅能保证能量低位的计量有较高的准确性,而且可以提高EEPROM的使用寿命.l】有效值能量值厶蝤2电度表的隔离安全设计由于电力机车电度表的电压,电流信号采自高压线网,供电电源采自机车自带蓄电池,且线网和蓄电池间是相互隔离的,因此电度表本身的隔离安全设计是非常重要的.隔离部分的设计主要分为以下两部分:(1)供电电源的隔离安全设计供电电源的48V直流输入由机车车载的蓄电池提供,经一小功率电源模块,输出3路5V直流.其中,第
9、一路给CPU模块供电,第二路给通信芯片供电,最后一路给CS5460A供电.由于CS5460A的电压,电流信号采自线网,与高压采样回路直接连接,因此CS5460A的5V供电电源与48V的输入间变压器的隔离设计必须留有足够的裕量,以保证系统安全.针对该电度表对电源模块的要求,选择反激变换器作为该模块的核心部分.反激变换器具有如下特点:电路简单,效率高;输出电压纹波较大;处理功率一般在150W以下;应用于电压和负载调整率要求不高的场合(610%);特别有小功率多组输出;变压器铁芯必须加气隙等.因此该电源模块的变压器隔离耐压必须留有充足裕量,3路输出间的爬电距离必须足够大.其电路原理图如图3.(2)不
10、同模块间的隔离安全设计为了保证系统能安全正常的工作,CPU模块和CS5460A必须隔离.通过光耦使CPU和CS5460A,CPU和通信部分都能够达到隔离保护的作用.另外,由于电压信号采用电阻分压形式获得,因此各电阻的最大功率及电阻间的绝缘距离必须留有足够的裕量.同时为了防止单个电阻损坏,影响整个电增刊1基于CS54(A的直流电力机车专用智能电度表系统61D负载图3反激变换器电路图压采样电路的正常工作,电阻的数量及单个电阻的阻值也要选择恰当.3谐波对计量的影响电力机车的线网电压能量计量主要受到以下几个方面的影响:(1)传感器对各次谐波的幅频特性及相频特性的影响.电流信号采样采用的传感器为0.5级
11、的分流器,电压信号采样采用精密电阻进行分压.在一定的谐波范围内,其幅频特性和相频特性可满足功率计量的要求.(2)测量方法.传统的机械表采用电磁式方法进行计量,谐波电压和谐波电流大部分被电表滤除,因此在谐波比较严重的场合采用机械表会带来很大的误差.对电压和电流信号进行傅立叶分解,按照基波以及各次谐波单独进行分析,可以得到比较精确的结果.CS5460A采用DSP进行傅立叶变换,单独计量,能量测量准确.4结论该电力机车专用电度表系统综合运用了计算机软,硬件技术和先进的数字电能计量方法,实现了电能的准确计量.本系统采用倍压电路及恒流源,配合上位机软件进行校准,在一4085的温度范围内精度达到1级.目前
12、,该电度表系统已在北京首钢集团唐山矿山公司的电力机车上运行1年以上,性能稳定,经受了行驶过程中强电磁干扰,振动等恶劣环境的考验.此电度表系统受到了应用部门的好评,并欲在其他的电力机车上推广应用.参考文献1姜久春.电力机车专用电度表系统J.机车电传动,2OO4,(3):1820.【2SinglePhaseBiDirectionalPower/EnergyICZ/OL.http:/w,.cirrus.eom.CS.2001.3张占松等.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社,2004.4陆廷信.供电系统中的谐波分析测量与抑制M.北京:机械工业出版社,1998.5杨国田等.Motorola68
13、HC12系列微控制器原理,应用与开发技术M.北京:中国电力出版社,2003.ResearchonIntelligentElectricityMeterSystemf0rDCElectricLocomotivesHUANGLi,ZHANGre,LIJ/ng(SchoolofElectricalEngineering,BeringJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abl;tI:Basedonthecurrentsituationofelectriclocomotiveselectricitymeter,thetechnicalprinciplesofth
14、efulldigipowergauge,andrecord&analysissystembasedonCS5460Achiparepresentedinh忸re.Theisolationsafetyare删yzed.Accurategaugeoftheelectriclocomotiveenergy,voltageofpowerline,currentofpowerline,arerealizedthroughtheintelligentelectricitymeter,whichmakesthescientificmanagementofelectriclocomotiveenerg
15、ypossible.Keywords:dectriclocomotive;intelligentelectricitymeter;isolationsalty(上接第30页)要求.参考文献1孙竹生.内燃机车总体及机车走行部M.北京:人民铁道出版社,1980.2许人华.东风.型重载提速货运内燃机车的研制,运用和发展J.中国铁道科学,2001(4):3仲跻升.东风4D系列内燃机车J.中国铁道科学,2004(3):4叶岚.东风4D型系列内燃机车的研制,试验,改进及其部级鉴定结果(上)J.内燃机车,2001(10):5叶岚.东风.型系列内燃机车的研制,试验,改进及其部级鉴定结果(下)J.内燃机车,20
16、01(11):6孙慧云.东风.型客运内燃机车的运用,改进和启示J.内燃机车,2000(3):BogieDesignofNewHighpowerDieselLocomotivepUT/anuei(CNRDalianLocomotiveandRollingStockWorks,Dalian116022Liaoning,China)Abstract:ThenewhishpowerdiesellocomotivebogieisusedtoimprovethedesignofDFsBdiesellocomotives.Thebogieisatypicalthreeaxlelocomotivebogie,whichmaximalspeedis100kmandmaximalstartuptractionforceis480.5kN.Manyaspectsofbogiedesignaleintroduced.Keywords:locomotive;bogie;design
