基于DSP的移相電源設計

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(1.三江學院，江蘇 南京 210012;2.福特汽車工程研究(南京)有限公司，江蘇 南京 211100)

基于DSP的移相電源設計

陸朱衛1,顧懷敏2

(1.三江學院，江蘇 南京 210012;2.福特汽車工程研究(南京)有限公司，江蘇 南京 211100)

文中提出一種基于DSP的移相電源，該電源采用電力電子技術實現移相操作，輸出電壓和相位可調的交流電。實驗結果表明該電路輸出波形質量好，相位可以精確控制，能滿足繼電保護測試的需求。

移相電源；電力電子技術；繼電保護；數字信號處理器

1 引言

繼電保護是電力系統的守護神，對電力系統的可靠性、安全性起到至關重要的作用。在繼電保護測試中常需要使用不同電壓和相位的電源來對繼電保護裝置進行整定和測試，目前常用移相變壓器來實現，但是移相變壓器體積笨重、操作繁瑣、不方便攜帶，以及不能精確顯示相位，已經不能滿足繼電保護測試的需求[1-4]。文中提出一種移相電源，該電源采用電力電子技術實現移相操作，輸出大小和相位可調的交流電。本文對其硬件部分和軟件部分分別進行設計，最后給出實驗結果。

2 移相電源的工作原理

移相電源主要是采用電力電子技術對輸入電壓的進行變換，輸出大小和相位可調的交流電壓，該輸出電壓可以作為繼電保護實驗電壓，用來模擬電力系統的故障和不正常運行。移相電源主要包含整流電路、直流中間電路、逆變電路、相位檢測與顯示電路、保護電路以及以DSP為核心的控制電路。電路結構如圖1所示，主要包含主電路和控制電路兩部分。

圖1 移相電源結構

主電路部分其工作原理如下：EMI電路用于濾除外界電網的高頻諧波，同時減少電源本身對外界的電磁干擾；整流電路使220V工頻交流電變為直流電；中間直流環節采用電容濾波，減小直流電壓的紋波，得到平滑的直流電壓，該直流電壓分別送到逆變電路1和逆變電路2，逆變電路采用SPWM控制技術得到兩路交流輸出，經濾波電路濾除諧波后得到正弦交流電，輸出電壓的大小和相位由驅動信號控制。

控制電路部分工作原理如下：控制核心為DSP2812，鍵盤輸入系統的設置，采樣電路得到電壓、電流、相位等反饋信號。根據系統給定信號和反饋信號的誤差，采用增量式PID控制，由DSP計算出逆變電路所需的驅動信號，驅動信號通過驅動電路得到控制開關管通斷的開關信號，控制逆變電路的工作；保護電路為系統提供必要的保護措施；液晶顯示部分用來顯示當前的工作狀態，輸出相應的信息，便于實時監控。

3 硬件電路設計

系統硬件主要由功率主電路、DSP 接口電路、驅動電路、電壓檢測電路、顯示電路、保護電路這6 部分組成。

3.1 主電路設計

主電路部分主要由EMI 電路、整流電路、中間直流電路、逆變電路和輸出濾波電路組成。EMI 電源濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用；整流電路選用集成芯片RS207，其承受的反壓值大，工作穩定；中間直流電路采用電容濾波，選用450V/560μF的電解電容；逆變電路采用橋式逆變電路，選用MOSFET作為功率開關管；輸出濾波電路采用LC濾波器。

3.2 驅動電路設計

由于本電路主要做繼電保護測試用，功率并不大，所以選用MOSFET作為逆變電路的功率開關管。MOSFET 是一種電壓型驅動器件，其電壓驅動電路比較簡單，本文采用IR2110作為驅動芯片，它采用自舉技術，電路簡單可靠，擁有較好的保護功能。其電路圖結構如圖2所示。

圖2 驅動電路

3.3 電壓檢測電路設計

電壓檢測電路如圖3所示，在移相電路的輸出端裝設電壓互感器，次級電壓經整流濾波后，得到一個直流電壓，該直流電壓同輸出電壓成正比關系。直流電壓經過分壓后送入DSP進行AD轉換，DSP通過運算便可知道當前的輸出電壓值。直流電壓在輸入DSP之前需要穩壓二極管進行電壓鉗位，穩壓二極管電壓選取3.3V，這樣采樣端口的電壓被限制在0～3.3V，確保DSP 的安全。

圖3 電壓檢測電路

3.4 相位檢測電路設計

相位檢測電路如圖4所示，首先由電壓互感器取得移相電路的輸出電壓，然后經過比較器可以把兩個正弦波變成方波，對兩個方波進行與運算可以得到一個方波，該方波的脈寬正好反映了輸出電壓的相位差。把該方波送入DSP進行運算便可知道當前的相位差。

圖4 相位檢測電路

3.5 過流保護電路設計

過流保護電路如圖5所示，在移相電路的輸出端裝設電流互感器，在電流互感器次級可以得到一個與被檢測初級電流成比例的電壓。將該次級電壓整流濾波后，得到一個直流電壓，該直流電壓同輸出電流成正比例關系。將該電壓同輸出電流的門限電壓相比較，當超過門限電壓值時，比較器輸出高電平，則DSP的相應引腳為低電平，啟動輸出過流保護程序，關閉輸出信號。

4 系統軟件設計

DSP主要是對采樣的電壓、電流進行分析處理，根據系統設定的電壓、相位、頻率給出逆變電路所需要的控制信號，控制逆變電路工作。同時把相應的信息顯示在液晶屏上主要包括輸出電壓、電流、頻率、相位差等信息[5-6]。系統軟件設計主要由系統初始化程序、A/D 中斷處理程序、電壓電流檢測程序、驅動信號產生程序、顯示電路程序等組成。系統的控制流程如圖6所示，首先對系統各部分初始化，在進入A/D 中斷后對采集到的數據進行處理，并在中斷中顯示采集到的實時數據，然后根據系統設定和采集到的數據通過增量式PID控制計算所需要的驅動信號。

圖5 過流保護電路

圖6 系統控制流程圖

5 系統實驗分析

根據文中的設計方案建立了實驗平臺，通過移相可以得到兩個幅度可調、相位相差0～180°的交流電壓，圖7相位差為45°，圖8相位差為90°，相位通過液晶屏顯示，可以精確到0.1°，從圖中可以看到，輸出電壓波形質量好，諧波含量小，可以滿足不同實驗的需求。

圖7 相位差為45°時的輸出電壓

圖8 相位差為90°時的輸出電壓

6 結論

本文設計了一種基于DSP的移相電源，該電源結構簡單、工作可靠，可以輸出兩路電壓和相位可調的交流電源，可以應用于繼電保護的不同測試需求。實驗結果表明，該電源輸出波形質量好、諧波含量小、相位可以精確控制，在實際應用中取得良好的效果。

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DesignofPhase-shiftPowerSupplyBasedonDSP

In this paper,a kind of phase-shift power supply is proposed based on DSP,it adopts the power electronic technology to realize the phase-shift operation,the output is alternating current with adjustable voltage and phase.The experimental results show that the waveform of voltage is good,the phase can be precisely controlled,so it can meet the requirements of relay protection testing.

phase-shift power supply;power electronics;relay protection;digital signal processor

1004-289X(2017)03-0071-03

TM77

B

LUZhu-wei1,GUHuai-min2(1.Sanjiang University，Nanjing 210012，China;2.Ford Motor Research & Engineering(Nanjing)Co.,Ltd.Nanjing 211100,China)

2016-05-03

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