基于DSP的低压断路器校验电源的研制

吴言凤李践飞李卫宁韩凯



基于DSP的低压断路器校验电源的研制

吴言凤李践飞李卫宁韩凯

（海军潜艇学院，山东青岛 266042）

利用电力电子技术的拓扑结构，采用基于DSP芯片的控制电路，研制了用于舰船热继电器及塑壳断路器校验所需要的交流电源装置，与传统电源相比较，不但电源装置的体积明显减少，而且输出的电流精度高，动态响应速度快，此外所研制的电源装置采用友好的人机界面，使试验过程变得简单容易，可以降低试验人员的劳动强度。

DSP芯片；断路器校验；交流电源装置

0 引言

随着舰船电力系统规模扩大和综合电力系统技术的提出，对供电可靠性和生命力提出了更高的指标[1]，电力系统继电保护都是通过保护开关分断实现。[2]。舰船用热动式保护开关主要有两种，一种是塑料外壳式断路器（Moulded Case Circuit Breaker，MCCB），除了具有手动分合电路的功能外，还具有过流保护和短路保护（瞬动）功能[3]；另一种是主要用于电机保护的热继电器。为了对这些保护开关的过流保护和短路保护功能进行整定试验，需要正弦波交流电源发生装置。传统的正弦波交流电源发生装置可以由交流调压器、变压器或变流器等电磁元件构成[4]，但是这种装置体积庞大、笨重，而且调节速度慢，不易实现自动化控制，特别是动作时限以毫秒计算的电磁力脱扣保护的试验，更是精度低，波形难以保证。为了解决这一问题，采用电力电子最新控制技术，实现对试验样品的过流保护试验电流的波形，进行精确的控制，波形不受电磁饱和影响和系统电源波动的影响，输出稳态正弦波形，既可显著提高试验精度，与目前国内行业普遍应用的多磁路调压变压系统相比，电源装置的体积可明显减小。另外所研制的电源装置应用工控机可以进行试验过程的自动化控制和管理，具有人机界面友好、自动化和程序化的特点，使得试验过程变得简单容易，在提高效率和精确度的同时，大大降低试验人员劳动强度。

1 主回路工作原理

交流电源装置的主回路工作原理如图1所示。

图1 电源装置主回路原理图

交流电源首先经过二极管整流电路将三相交流电变为直流电，直流电经过LC滤波电路滤波后，加在IGBT组成的单相全桥逆变电路上，全桥逆变电路采用正弦脉宽调制技术，产生试验所需的交流电流波形，交流电流波形经过特征滤波器滤波后，再经过降压升流变压器变为低电压大电流信号，加到被试开关（负载）上。由于需要试验的品种多，电流差异很大，所以需要按不同电流试验进行分段以提高试验精度。降压升流变压器和滤波装置设计为两套，由交流接触器进行互锁切换。

本整定试验电源的控制系统，采用由工控机完成人机界面的参数设置，图形显示，并且通过DSP进行控制，使电源输出正弦电流波形。

试验分为热脱扣试验和电磁脱扣试验，每一种试验选择确定以后，进入试验样品额定电流参数选择，选定额定电流后，微机自动显示标准的试验程序。其中的参数，例如电流分段和每段延迟时间等均可调整。确定无误后，按下启动开关就可自动完成试验并收集显示输出试验结果。也可选择多次试验取得统计结果。

热继电器试验需要较长时间的通电时间，有的可以达到两小时以上，中间还有电流的变化。因此，电流的控制和调节采用闭环调节，即由程序给定电流，反馈电流与给定电流进行差值运算，采用闭环PID控制，并进行定时检测，控制精度可优于1%，开关跳闸动作时间测量可以从电流动作的突变量确定，即电流消失瞬间即为跳闸时刻。动作时间测量由工控机完成，精度可达到毫秒级。电流波形失真度小于5%，符合标准要求。工控机可预置若干种试验程序，实现自动化试验。测量结果自动生成表格后输出。

电磁脱扣过流保护是靠过流时电流产生的电磁力使开关动作的，特点是动作电流大（8—12倍），时间短，例如，只有30ms（即1.5个周波），这对于电磁合闸开关很难控制准确的合闸相位，被试的回路接线的随机性每次试验回路中的电感不同，随机的功率因数负载角会产生电流的非周期分量，从而使试验结果不准确而且分散性大。因此，为了试验结果准确，就需要准确地进行相位控制，使电流直接进入稳态，即电流波形是从正弦波零点开始的完整的正弦波。电磁脱扣过流保护试验的另一个困难是动作时间很短，因此不易实现闭环调节，因为反馈量是正弦交流波形，在一个周波波形中反馈，还来不及建立起有效值的调节，试验就结束了。所以采用开环控制方式比较合理。为了准确的进行相位控制，电流是由IGBT组成的逆变器产生的，波形产生的相位角初值是精确可控制的，关键是要知道或测得负载的阻抗大小及负载的功率因数角。因此试验时先用较小的电流（例如30%大小的电流）进行较长时间的闭环电流试验以求达到一个稳态，根据工控机采样电压和电流计算出负载的功率因数和阻抗角，以及阻抗大小，然后进行开环电流试验，输出电流精确度可在5%以内。

2 基于DSP的控制系统原理

2.1 控制系统组成

控制系统组成如图2所示。控制系统采用工控机进行试验过程的控制，工控机提供给定信号，对输出电流进行采样和保存，同时对采样数据进行计算和分析。逆变器是由DSP以及32位单片机专用芯片组成的正弦波控制系统和功率器件共同构成的。两者的有机结合可完成所需试验任务。

图2 控制系统组成

具体控制过程是输入交流电经过三相桥式整流，输出一个直流电压，经过单相桥式逆变电路，把直流电逆变成交流电，输出到负载上，电流经过互感器反馈给信号采集板，然后把采集回来的电流信号发送给工控机，工控机通过分析计算，把实时采回来的波形送到显示器上显示出来，同时通过给定值和反馈电流的比较计算，给DSP发送控制信号，调整PWM脉冲宽度，驱动IGBT导通，从而使输出的电流波形和给定相一致。

2.2 控制电路软件设计

控制电路软件设计是系统的核心，控制整个系统的工作。控制电路软件的主要功能是接受上位机的控制，并将采样信息输送给上位机，同时生成SPWM驱动信号驱动IGBT，并从AD信号调理电路接受采样的电压，电流值，完成闭环控制。通过AD信号采样，实现电路保护功能。

工控机得到控制命令后开始进入工作程序，它将通过采集直流侧和逆变侧的电压、电流数据及给定值进行分析计算，通过显示器实时显示采样回来的电流波形及参数值，并且根据运行状态和DSP完成通讯，给DSP发送指令，通过DSP生成SPWM信号驱动IGBT，从而得到需要的输出电流。

单元板控制电路软件流程框图如图3所示

图3 单元板电路控制软件流程框图

具体流程是DSP上电，参数初始化，系统检测是否接收到工控机发出的控制命令，这些控制命令包括开关指令和参数的设置。如果检测接收到命令，DSP进入正常工作程序中，PWM的控制是通过定时器来完成。因此首先启动定时器，DSP把工控机传来的给定值和采样值进行对比，并且进行分析计算，改变合适的调制比和脉宽，以使输出的电流波形和设定相一致。同时检测断路器开关的状态，如果某一时刻断路器断开，则闭锁脉冲，停止IGBT逆变输出，并且将测试的最后数据传送给工控机。如果断路器是闭合状态，程序将重复进行分析计算，电流正常输出，并通过不断的改变调制比和脉冲宽度，输出需要的电流大小。直至接收到工控机发出的结束命令，则闭锁脉冲，停止IGBT逆变输出，并且将测试的最后数据传送给工控机。

3 样机试验

根据所校验的断路器参数需求，研制出一台输出电压8V，输出电流可达5000A的断路器校验交流电源，试验类型分为热继电器试验和塑壳式断路器试验两种。

测试25A的热继电器在1.15倍额定电流下的保护试验，断路器在1.15倍电流试验的情况下，试验结果如图4所示，设定电流大小和运行时间，点击运行按钮。设备将按设定的参数进行工作。

图4 试验参数设定电流波形显示

从试验结果可以看出，所研制的电源装置输出电流波形畸变率为1.53%，完全满足校验需求。

本电源测试塑壳式断路器的电磁脱扣特性时，测试额定电流为200A的塑壳式断路器在12倍额定电流下的断开时间，先设置一个较小电流（300A）和较长运行时间（4000ms），点击运行按钮得到一个稳态的电流输出，工控机可以根据采样的电压和电流计算出相位角的大小。然后把电流设置为2700A，时间设置为100ms，点击运行按钮，设备将按设定的参数进行工作。断路器在30ms左右时会断开，此时显示断开时间。如果断路器没有断开，则100ms后DSP停止发送脉冲，使输出电流为0。小电流时运行结果如图5所示，大电流时运行结果如图6所示。

图5 小电流波形显示

图6 大电流试验波形显示

从图中可以看出尽管在大电流校验时采用开环控制，但是由于在小电流计算过程中系统地相位角已经得到，因此大电流校验时能满足校验需求，而且输出波形畸变率只有1.15%。

4 结论

利用现代电力电子技术的拓扑结构，基于DSP控制芯片进行控制，研制了一台用于热脱扣器和电磁脱扣器校验的交流电源装置，而且装置已经投入生产运行，本装置与目前大量应用的多磁路变压调压系统相比，可以有效减少装置的总体占地面积，而且所研制的装置不但具有较高的输出电流精度，而且具有较快的响应速度和友好的人机界面，使得校验试验过程相对简单容易。

[1] 甄洪斌，戚连锁，张晓峰。舰船电力系统继电保护现状与发展趋势[J]。船舶工程，2010（4）：1～4

[2] 李践飞，周智勇。低压断路器特性试验台设计[J]。船电技术，2009（2）：19～22

[3] 杜太行，王晓义，曲炳峰等。塑料外壳式断路器瞬动校验电流选相合闸技术[J]。低压电器，2008（7）：50～53

[4] 吴桂初，谢文彬，祝宇峰等。低压断路器智能校验台稳流系统的设计[J]。上海电器技术，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

吴言凤（1974-），女，博士，讲师。研究方向：舰船电力电子和低压电器。