吳言鳳李踐飛李衛(wèi)寧韓凱

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基于DSP的低壓斷路器校驗(yàn)電源的研制

吳言鳳李踐飛李衛(wèi)寧韓凱

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

利用電力電子技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用基于DSP芯片的控制電路，研制了用于艦船熱繼電器及塑殼斷路器校驗(yàn)所需要的交流電源裝置，與傳統(tǒng)電源相比較，不但電源裝置的體積明顯減少，而且輸出的電流精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，此外所研制的電源裝置采用友好的人機(jī)界面，使試驗(yàn)過程變得簡單容易，可以降低試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

DSP芯片；斷路器校驗(yàn)；交流電源裝置

0 引言

隨著艦船電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的提出，對(duì)供電可靠性和生命力提出了更高的指標(biāo)[1]，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)都是通過保護(hù)開關(guān)分?jǐn)鄬?shí)現(xiàn)。[2]。艦船用熱動(dòng)式保護(hù)開關(guān)主要有兩種，一種是塑料外殼式斷路器（Moulded Case Circuit Breaker，MCCB），除了具有手動(dòng)分合電路的功能外，還具有過流保護(hù)和短路保護(hù)（瞬動(dòng)）功能[3]；另一種是主要用于電機(jī)保護(hù)的熱繼電器。為了對(duì)這些保護(hù)開關(guān)的過流保護(hù)和短路保護(hù)功能進(jìn)行整定試驗(yàn)，需要正弦波交流電源發(fā)生裝置。傳統(tǒng)的正弦波交流電源發(fā)生裝置可以由交流調(diào)壓器、變壓器或變流器等電磁元件構(gòu)成[4]，但是這種裝置體積龐大、笨重，而且調(diào)節(jié)速度慢，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，特別是動(dòng)作時(shí)限以毫秒計(jì)算的電磁力脫扣保護(hù)的試驗(yàn)，更是精度低，波形難以保證。為了解決這一問題，采用電力電子最新控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)樣品的過流保護(hù)試驗(yàn)電流的波形，進(jìn)行精確的控制，波形不受電磁飽和影響和系統(tǒng)電源波動(dòng)的影響，輸出穩(wěn)態(tài)正弦波形，既可顯著提高試驗(yàn)精度，與目前國內(nèi)行業(yè)普遍應(yīng)用的多磁路調(diào)壓變壓系統(tǒng)相比，電源裝置的體積可明顯減小。另外所研制的電源裝置應(yīng)用工控機(jī)可以進(jìn)行試驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制和管理，具有人機(jī)界面友好、自動(dòng)化和程序化的特點(diǎn)，使得試驗(yàn)過程變得簡單容易，在提高效率和精確度的同時(shí)，大大降低試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 主回路工作原理

交流電源裝置的主回路工作原理如圖1所示。

圖1 電源裝置主回路原理圖

交流電源首先經(jīng)過二極管整流電路將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡绷麟娊?jīng)過LC濾波電路濾波后，加在IGBT組成的單相全橋逆變電路上，全橋逆變電路采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生試驗(yàn)所需的交流電流波形，交流電流波形經(jīng)過特征濾波器濾波后，再經(jīng)過降壓升流變壓器變?yōu)榈碗妷捍箅娏餍盘?hào)，加到被試開關(guān)（負(fù)載）上。由于需要試驗(yàn)的品種多，電流差異很大，所以需要按不同電流試驗(yàn)進(jìn)行分段以提高試驗(yàn)精度。降壓升流變壓器和濾波裝置設(shè)計(jì)為兩套，由交流接觸器進(jìn)行互鎖切換。

本整定試驗(yàn)電源的控制系統(tǒng)，采用由工控機(jī)完成人機(jī)界面的參數(shù)設(shè)置，圖形顯示，并且通過DSP進(jìn)行控制，使電源輸出正弦電流波形。

試驗(yàn)分為熱脫扣試驗(yàn)和電磁脫扣試驗(yàn)，每一種試驗(yàn)選擇確定以后，進(jìn)入試驗(yàn)樣品額定電流參數(shù)選擇，選定額定電流后，微機(jī)自動(dòng)顯示標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序。其中的參數(shù)，例如電流分段和每段延遲時(shí)間等均可調(diào)整。確定無誤后，按下啟動(dòng)開關(guān)就可自動(dòng)完成試驗(yàn)并收集顯示輸出試驗(yàn)結(jié)果。也可選擇多次試驗(yàn)取得統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

熱繼電器試驗(yàn)需要較長時(shí)間的通電時(shí)間，有的可以達(dá)到兩小時(shí)以上，中間還有電流的變化。因此，電流的控制和調(diào)節(jié)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，即由程序給定電流，反饋電流與給定電流進(jìn)行差值運(yùn)算，采用閉環(huán)PID控制，并進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，控制精度可優(yōu)于1%，開關(guān)跳閘動(dòng)作時(shí)間測(cè)量可以從電流動(dòng)作的突變量確定，即電流消失瞬間即為跳閘時(shí)刻。動(dòng)作時(shí)間測(cè)量由工控機(jī)完成，精度可達(dá)到毫秒級(jí)。電流波形失真度小于5%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。工控機(jī)可預(yù)置若干種試驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果自動(dòng)生成表格后輸出。

電磁脫扣過流保護(hù)是靠過流時(shí)電流產(chǎn)生的電磁力使開關(guān)動(dòng)作的，特點(diǎn)是動(dòng)作電流大（8—12倍），時(shí)間短，例如，只有30ms（即1.5個(gè)周波），這對(duì)于電磁合閘開關(guān)很難控制準(zhǔn)確的合閘相位，被試的回路接線的隨機(jī)性每次試驗(yàn)回路中的電感不同，隨機(jī)的功率因數(shù)負(fù)載角會(huì)產(chǎn)生電流的非周期分量，從而使試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確而且分散性大。因此，為了試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，就需要準(zhǔn)確地進(jìn)行相位控制，使電流直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即電流波形是從正弦波零點(diǎn)開始的完整的正弦波。電磁脫扣過流保護(hù)試驗(yàn)的另一個(gè)困難是動(dòng)作時(shí)間很短，因此不易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，因?yàn)榉答伭渴钦医涣鞑ㄐ?，在一個(gè)周波波形中反饋，還來不及建立起有效值的調(diào)節(jié)，試驗(yàn)就結(jié)束了。所以采用開環(huán)控制方式比較合理。為了準(zhǔn)確的進(jìn)行相位控制，電流是由IGBT組成的逆變器產(chǎn)生的，波形產(chǎn)生的相位角初值是精確可控制的，關(guān)鍵是要知道或測(cè)得負(fù)載的阻抗大小及負(fù)載的功率因數(shù)角。因此試驗(yàn)時(shí)先用較小的電流（例如30%大小的電流）進(jìn)行較長時(shí)間的閉環(huán)電流試驗(yàn)以求達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)，根據(jù)工控機(jī)采樣電壓和電流計(jì)算出負(fù)載的功率因數(shù)和阻抗角，以及阻抗大小，然后進(jìn)行開環(huán)電流試驗(yàn)，輸出電流精確度可在5%以內(nèi)。

2 基于DSP的控制系統(tǒng)原理

2.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用工控機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)過程的控制，工控機(jī)提供給定信號(hào)，對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣和保存，同時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。逆變器是由DSP以及32位單片機(jī)專用芯片組成的正弦波控制系統(tǒng)和功率器件共同構(gòu)成的。兩者的有機(jī)結(jié)合可完成所需試驗(yàn)任務(wù)。

圖2 控制系統(tǒng)組成

具體控制過程是輸入交流電經(jīng)過三相橋式整流，輸出一個(gè)直流電壓，經(jīng)過單相橋式逆變電路，把直流電逆變成交流電，輸出到負(fù)載上，電流經(jīng)過互感器反饋給信號(hào)采集板，然后把采集回來的電流信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)通過分析計(jì)算，把實(shí)時(shí)采回來的波形送到顯示器上顯示出來，同時(shí)通過給定值和反饋電流的比較計(jì)算，給DSP發(fā)送控制信號(hào)，調(diào)整PWM脈沖寬度，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，從而使輸出的電流波形和給定相一致。

2.2 控制電路軟件設(shè)計(jì)

控制電路軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。控制電路軟件的主要功能是接受上位機(jī)的控制，并將采樣信息輸送給上位機(jī)，同時(shí)生成SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，并從AD信號(hào)調(diào)理電路接受采樣的電壓，電流值，完成閉環(huán)控制。通過AD信號(hào)采樣，實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)功能。

工控機(jī)得到控制命令后開始進(jìn)入工作程序，它將通過采集直流側(cè)和逆變側(cè)的電壓、電流數(shù)據(jù)及給定值進(jìn)行分析計(jì)算，通過顯示器實(shí)時(shí)顯示采樣回來的電流波形及參數(shù)值，并且根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)和DSP完成通訊，給DSP發(fā)送指令，通過DSP生成SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，從而得到需要的輸出電流。

單元板控制電路軟件流程框圖如圖3所示

圖3 單元板電路控制軟件流程框圖

具體流程是DSP上電，參數(shù)初始化，系統(tǒng)檢測(cè)是否接收到工控機(jī)發(fā)出的控制命令，這些控制命令包括開關(guān)指令和參數(shù)的設(shè)置。如果檢測(cè)接收到命令，DSP進(jìn)入正常工作程序中，PWM的控制是通過定時(shí)器來完成。因此首先啟動(dòng)定時(shí)器，DSP把工控機(jī)傳來的給定值和采樣值進(jìn)行對(duì)比，并且進(jìn)行分析計(jì)算，改變合適的調(diào)制比和脈寬，以使輸出的電流波形和設(shè)定相一致。同時(shí)檢測(cè)斷路器開關(guān)的狀態(tài)，如果某一時(shí)刻斷路器斷開，則閉鎖脈沖，停止IGBT逆變輸出，并且將測(cè)試的最后數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。如果斷路器是閉合狀態(tài)，程序?qū)⒅貜?fù)進(jìn)行分析計(jì)算，電流正常輸出，并通過不斷的改變調(diào)制比和脈沖寬度，輸出需要的電流大小。直至接收到工控機(jī)發(fā)出的結(jié)束命令，則閉鎖脈沖，停止IGBT逆變輸出，并且將測(cè)試的最后數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)所校驗(yàn)的斷路器參數(shù)需求，研制出一臺(tái)輸出電壓8V，輸出電流可達(dá)5000A的斷路器校驗(yàn)交流電源，試驗(yàn)類型分為熱繼電器試驗(yàn)和塑殼式斷路器試驗(yàn)兩種。

測(cè)試25A的熱繼電器在1.15倍額定電流下的保護(hù)試驗(yàn)，斷路器在1.15倍電流試驗(yàn)的情況下，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，設(shè)定電流大小和運(yùn)行時(shí)間，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕。設(shè)備將按設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行工作。

圖4 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定電流波形顯示

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所研制的電源裝置輸出電流波形畸變率為1.53%，完全滿足校驗(yàn)需求。

本電源測(cè)試塑殼式斷路器的電磁脫扣特性時(shí)，測(cè)試額定電流為200A的塑殼式斷路器在12倍額定電流下的斷開時(shí)間，先設(shè)置一個(gè)較小電流（300A）和較長運(yùn)行時(shí)間（4000ms），點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕得到一個(gè)穩(wěn)態(tài)的電流輸出，工控機(jī)可以根據(jù)采樣的電壓和電流計(jì)算出相位角的大小。然后把電流設(shè)置為2700A，時(shí)間設(shè)置為100ms，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，設(shè)備將按設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行工作。斷路器在30ms左右時(shí)會(huì)斷開，此時(shí)顯示斷開時(shí)間。如果斷路器沒有斷開，則100ms后DSP停止發(fā)送脈沖，使輸出電流為0。小電流時(shí)運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，大電流時(shí)運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖5 小電流波形顯示

圖6 大電流試驗(yàn)波形顯示

從圖中可以看出盡管在大電流校驗(yàn)時(shí)采用開環(huán)控制，但是由于在小電流計(jì)算過程中系統(tǒng)地相位角已經(jīng)得到，因此大電流校驗(yàn)時(shí)能滿足校驗(yàn)需求，而且輸出波形畸變率只有1.15%。

4 結(jié)論

利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于DSP控制芯片進(jìn)行控制，研制了一臺(tái)用于熱脫扣器和電磁脫扣器校驗(yàn)的交流電源裝置，而且裝置已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)行，本裝置與目前大量應(yīng)用的多磁路變壓調(diào)壓系統(tǒng)相比，可以有效減少裝置的總體占地面積，而且所研制的裝置不但具有較高的輸出電流精度，而且具有較快的響應(yīng)速度和友好的人機(jī)界面，使得校驗(yàn)試驗(yàn)過程相對(duì)簡單容易。

[1] 甄洪斌，戚連鎖，張曉峰。艦船電力系統(tǒng)繼電保護(hù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]。船舶工程，2010（4）：1～4

[2] 李踐飛，周智勇。低壓斷路器特性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J]。船電技術(shù)，2009（2）：19～22

[3] 杜太行，王曉義，曲炳峰等。塑料外殼式斷路器瞬動(dòng)校驗(yàn)電流選相合閘技術(shù)[J]。低壓電器，2008（7）：50～53

[4] 吳桂初，謝文彬，祝宇峰等。低壓斷路器智能校驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]。上海電器技術(shù)，2006（3）：46～48

Research on Verification Power for Low Voltage Circuit Breaker Based on DSP

Wu Yanfeng, Li Jianfei, Li Weining, Han Kai

( Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, Shandong, China)

TM46

A

1003-4862（2013）12-0032-04

2013-09-04

吳言鳳（1974-），女，博士，講師。研究方向：艦船電力電子和低壓電器。