基于DSP的低壓斷路器校驗電源的研制

吳言鳳李踐飛李衛寧韓凱

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基于DSP的低壓斷路器校驗電源的研制

吳言鳳李踐飛李衛寧韓凱

（海軍潛艇學院，山東青島 266042）

利用電力電子技術的拓撲結構，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所需要的交流電源裝置，與傳統電源相比較，不但電源裝置的體積明顯減少，而且輸出的電流精度高，動態響應速度快，此外所研制的電源裝置采用友好的人機界面，使試驗過程變得簡單容易，可以降低試驗人員的勞動強度。

DSP芯片；斷路器校驗；交流電源裝置

0 引言

隨著艦船電力系統規模擴大和綜合電力系統技術的提出，對供電可靠性和生命力提出了更高的指標[1]，電力系統繼電保護都是通過保護開關分斷實現。[2]。艦船用熱動式保護開關主要有兩種，一種是塑料外殼式斷路器（Moulded Case Circuit Breaker，MCCB），除了具有手動分合電路的功能外，還具有過流保護和短路保護（瞬動）功能[3]；另一種是主要用于電機保護的熱繼電器。為了對這些保護開關的過流保護和短路保護功能進行整定試驗，需要正弦波交流電源發生裝置。傳統的正弦波交流電源發生裝置可以由交流調壓器、變壓器或變流器等電磁元件構成[4]，但是這種裝置體積龐大、笨重，而且調節速度慢，不易實現自動化控制，特別是動作時限以毫秒計算的電磁力脫扣保護的試驗，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，實現對試驗樣品的過流保護試驗電流的波形，進行精確的控制，波形不受電磁飽和影響和系統電源波動的影響，輸出穩態正弦波形，既可顯著提高試驗精度，與目前國內行業普遍應用的多磁路調壓變壓系統相比，電源裝置的體積可明顯減小。另外所研制的電源裝置應用工控機可以進行試驗過程的自動化控制和管理，具有人機界面友好、自動化和程序化的特點，使得試驗過程變得簡單容易，在提高效率和精確度的同時，大大降低試驗人員勞動強度。

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

交流電源首先經過二極管整流電路將三相交流電變為直流電，直流電經過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制技術，產生試驗所需的交流電流波形，交流電流波形經過特征濾波器濾波后，再經過降壓升流變壓器變為低電壓大電流信號，加到被試開關（負載）上。由于需要試驗的品種多，電流差異很大，所以需要按不同電流試驗進行分段以提高試驗精度。降壓升流變壓器和濾波裝置設計為兩套，由交流接觸器進行互鎖切換。

本整定試驗電源的控制系統，采用由工控機完成人機界面的參數設置，圖形顯示，并且通過DSP進行控制，使電源輸出正弦電流波形。

試驗分為熱脫扣試驗和電磁脫扣試驗，每一種試驗選擇確定以后，進入試驗樣品額定電流參數選擇，選定額定電流后，微機自動顯示標準的試驗程序。其中的參數，例如電流分段和每段延遲時間等均可調整。確定無誤后，按下啟動開關就可自動完成試驗并收集顯示輸出試驗結果。也可選擇多次試驗取得統計結果。

熱繼電器試驗需要較長時間的通電時間，有的可以達到兩小時以上，中間還有電流的變化。因此，電流的控制和調節采用閉環調節，即由程序給定電流，反饋電流與給定電流進行差值運算，采用閉環PID控制，并進行定時檢測，控制精度可優于1%，開關跳閘動作時間測量可以從電流動作的突變量確定，即電流消失瞬間即為跳閘時刻。動作時間測量由工控機完成，精度可達到毫秒級。電流波形失真度小于5%，符合標準要求。工控機可預置若干種試驗程序，實現自動化試驗。測量結果自動生成表格后輸出。

電磁脫扣過流保護是靠過流時電流產生的電磁力使開關動作的，特點是動作電流大（8—12倍），時間短，例如，只有30ms（即1.5個周波），這對于電磁合閘開關很難控制準確的合閘相位，被試的回路接線的隨機性每次試驗回路中的電感不同，隨機的功率因數負載角會產生電流的非周期分量，從而使試驗結果不準確而且分散性大。因此，為了試驗結果準確，就需要準確地進行相位控制，使電流直接進入穩態，即電流波形是從正弦波零點開始的完整的正弦波。電磁脫扣過流保護試驗的另一個困難是動作時間很短，因此不易實現閉環調節，因為反饋量是正弦交流波形，在一個周波波形中反饋，還來不及建立起有效值的調節，試驗就結束了。所以采用開環控制方式比較合理。為了準確的進行相位控制，電流是由IGBT組成的逆變器產生的，波形產生的相位角初值是精確可控制的，關鍵是要知道或測得負載的阻抗大小及負載的功率因數角。因此試驗時先用較小的電流（例如30%大小的電流）進行較長時間的閉環電流試驗以求達到一個穩態，根據工控機采樣電壓和電流計算出負載的功率因數和阻抗角，以及阻抗大小，然后進行開環電流試驗，輸出電流精確度可在5%以內。

2 基于DSP的控制系統原理

2.1 控制系統組成

控制系統組成如圖2所示。控制系統采用工控機進行試驗過程的控制，工控機提供給定信號，對輸出電流進行采樣和保存，同時對采樣數據進行計算和分析。逆變器是由DSP以及32位單片機專用芯片組成的正弦波控制系統和功率器件共同構成的。兩者的有機結合可完成所需試驗任務。

圖2 控制系統組成

具體控制過程是輸入交流電經過三相橋式整流，輸出一個直流電壓，經過單相橋式逆變電路，把直流電逆變成交流電，輸出到負載上，電流經過互感器反饋給信號采集板，然后把采集回來的電流信號發送給工控機，工控機通過分析計算，把實時采回來的波形送到顯示器上顯示出來，同時通過給定值和反饋電流的比較計算，給DSP發送控制信號，調整PWM脈沖寬度，驅動IGBT導通，從而使輸出的電流波形和給定相一致。

2.2 控制電路軟件設計

控制電路軟件設計是系統的核心，控制整個系統的工作。控制電路軟件的主要功能是接受上位機的控制，并將采樣信息輸送給上位機，同時生成SPWM驅動信號驅動IGBT，并從AD信號調理電路接受采樣的電壓，電流值，完成閉環控制。通過AD信號采樣，實現電路保護功能。

工控機得到控制命令后開始進入工作程序，它將通過采集直流側和逆變側的電壓、電流數據及給定值進行分析計算，通過顯示器實時顯示采樣回來的電流波形及參數值，并且根據運行狀態和DSP完成通訊，給DSP發送指令，通過DSP生成SPWM信號驅動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，參數初始化，系統檢測是否接收到工控機發出的控制命令，這些控制命令包括開關指令和參數的設置。如果檢測接收到命令，DSP進入正常工作程序中，PWM的控制是通過定時器來完成。因此首先啟動定時器，DSP把工控機傳來的給定值和采樣值進行對比，并且進行分析計算，改變合適的調制比和脈寬，以使輸出的電流波形和設定相一致。同時檢測斷路器開關的狀態，如果某一時刻斷路器斷開，則閉鎖脈沖，停止IGBT逆變輸出，并且將測試的最后數據傳送給工控機。如果斷路器是閉合狀態，程序將重復進行分析計算，電流正常輸出，并通過不斷的改變調制比和脈沖寬度，輸出需要的電流大小。直至接收到工控機發出的結束命令，則閉鎖脈沖，停止IGBT逆變輸出，并且將測試的最后數據傳送給工控機。

3 樣機試驗

根據所校驗的斷路器參數需求，研制出一臺輸出電壓8V，輸出電流可達5000A的斷路器校驗交流電源，試驗類型分為熱繼電器試驗和塑殼式斷路器試驗兩種。

測試25A的熱繼電器在1.15倍額定電流下的保護試驗，斷路器在1.15倍電流試驗的情況下，試驗結果如圖4所示，設定電流大小和運行時間，點擊運行按鈕。設備將按設定的參數進行工作。

圖4 試驗參數設定電流波形顯示

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

本電源測試塑殼式斷路器的電磁脫扣特性時，測試額定電流為200A的塑殼式斷路器在12倍額定電流下的斷開時間，先設置一個較小電流（300A）和較長運行時間（4000ms），點擊運行按鈕得到一個穩態的電流輸出，工控機可以根據采樣的電壓和電流計算出相位角的大小。然后把電流設置為2700A，時間設置為100ms，點擊運行按鈕，設備將按設定的參數進行工作。斷路器在30ms左右時會斷開，此時顯示斷開時間。如果斷路器沒有斷開，則100ms后DSP停止發送脈沖，使輸出電流為0。小電流時運行結果如圖5所示，大電流時運行結果如圖6所示。

圖5 小電流波形顯示

圖6 大電流試驗波形顯示

從圖中可以看出盡管在大電流校驗時采用開環控制，但是由于在小電流計算過程中系統地相位角已經得到，因此大電流校驗時能滿足校驗需求，而且輸出波形畸變率只有1.15%。

4 結論

利用現代電力電子技術的拓撲結構，基于DSP控制芯片進行控制，研制了一臺用于熱脫扣器和電磁脫扣器校驗的交流電源裝置，而且裝置已經投入生產運行，本裝置與目前大量應用的多磁路變壓調壓系統相比，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速度和友好的人機界面，使得校驗試驗過程相對簡單容易。

[1] 甄洪斌，戚連鎖，張曉峰。艦船電力系統繼電保護現狀與發展趨勢[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臺設計[J]。船電技術，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校驗電流選相合閘技術[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臺穩流系統的設計[J]。上海電器技術，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。