船用直流框架式斷路器控制器研究

唐國明，李 正，沈海鷹

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

?

船用直流框架式斷路器控制器研究

唐國明1，李 正1，沈海鷹2

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

針對傳統(tǒng)船用斷路器控制器采樣精度低、實時性差的問題，文中采用國內(nèi)船用交流框架式斷路器，并結(jié)合國外直流控制器先進(jìn)技術(shù)，提出一種新型智能控制器設(shè)計。通過分流器將直流電流信號轉(zhuǎn)換為毫伏級電壓信號，再由控制單元對其進(jìn)行信號處理，根據(jù)保護(hù)特性需求可驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。實驗結(jié)果表明，該型控制器滿足三段保護(hù)要求，具有保護(hù)精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、可靠性好等特點。

船用直流斷路器；分流器；三段保護(hù)；智能控制器

TANG Guoming1, LI Zheng1, SHEN Haiying2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

船用直流框架式斷路器作為船舶電力系統(tǒng)中重要的控制和保護(hù)元件，具有長延時、短延時、瞬時等保護(hù)功能。在正常情況下，閉合、斷開供應(yīng)電能的電路，方便斷電、供電和轉(zhuǎn)換電路；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重過電流、過載、短路、斷相、漏電等故障時，能自動切斷電源，起到保護(hù)作用，以便將事故區(qū)域限制在最小范圍[1-2]。由于我國目前船用直流框架式斷路器多為固定式結(jié)構(gòu)形式，具有體積較大、通斷能力差、有飛弧距離等缺點，且控制器采樣精度低、實時性差，不能滿足艦用電力系統(tǒng)的需求[3-4]。因此，本文充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù)并積極吸收國外先進(jìn)技術(shù)，采用國內(nèi)船用交流框架式斷路器和國外直流控制器組合方案，對船用直流框架式斷路器控制器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，滿足可靠性、維修性、測試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和綜合保障性設(shè)計要求。

1 主要技術(shù)指標(biāo)和要求

船用直流框架式斷路器相比一般工業(yè)用斷路器而言，主要體現(xiàn)在其耐受環(huán)境能力和對空間尺寸及重量的要求上，如耐濕熱性能、耐鹽霧性能、耐霉菌性能、耐振動、抗沖擊性能等；此外，還需滿足電磁兼容性方面的要求。本文所設(shè)計的直流框架式斷路器的額定工作電壓高達(dá)710 V，額定電流高達(dá)2 000 A，額定極限短路分?jǐn)嗄芰?0 kA。作為2 MW變流器和1 MW逆變器的保護(hù)電器，能較好地滿足船用直流電力系統(tǒng)的需求。

該直流框架式斷路器的過載長延時保護(hù)為反時限特性，整定值為0.4-1.0Ir(Ir為斷路器額定電流，下同)，時限誤差為±15%；短路短延時保護(hù)為定時限特性，整定值為0.4-1.0Ir；短路瞬時保護(hù)要求斷路器動作時間在20 ms內(nèi)。

2 控制器主要部分設(shè)計

船用直流框架式斷路器控制器的原理框圖，如圖1所示。主要由微控制器單元、信號檢測單元、脫扣單元、電源單元、通信單元與人機(jī)操作等部分組成。

2.1 微控制器單元(MCU)

控制器的核心是MCU，也稱芯片，根據(jù)MCU內(nèi)核總線寬度分為1位機(jī)、4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)；根據(jù)內(nèi)核數(shù)量可分為單核、雙核、四核和八核。芯片的選用主要考慮以下幾方面：(1)速度快，但無需過快。速度快是要保證數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算速度滿足控制器保護(hù)性能要求和測量精度要求，無需過快是因為芯片功耗與主頻密切相關(guān)；(2)需要A/D核。基于成本考慮，控制器一般均不用單獨(dú)A/D轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)含的A/D至少10位精度，最好12位精度，轉(zhuǎn)換速率不夠一般也不采用；(3)芯片功耗低?？刂破鲬?yīng)能在無輔助電源下正常工作，芯片的功耗尤其是待機(jī)功耗需要較低；此外，控制器工作環(huán)境溫度較高，芯片功耗低可減少芯片發(fā)熱，有助于提高控制器可靠性；(4)必須是工業(yè)級的，最好選用汽車級芯片。從EMC角度考慮，MCU外圍元件盡量少；但由于設(shè)計功能較多，要求MCU具有選擇資源豐富、運(yùn)行速度較快、功耗低等特點[5-6]。因此，本設(shè)計采用ST公司32位ARM芯片STM32系列中的F103RE，此芯片已廣泛用于工業(yè)和汽車電子領(lǐng)域[7]。

2.2 信號檢測單元

控制器電流檢測的準(zhǔn)確度，直接關(guān)系到控制器的保護(hù)精度。只有線性度較好的信號，才能保證電流檢測的準(zhǔn)確性。直流電流信號檢測可采用以下方法：(1)霍爾電流傳感器檢測；(2)直流電流互感器檢測；(3)分流器間接檢測；考慮到(1)和(2)需要供給交流輔助電源，若輔助電源斷相或斷電，就會使互感器激磁電流消失或激磁電流波形出現(xiàn)缺口，因而出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)或失去保護(hù)；又由于(3)無需外圍電路，可將其內(nèi)置于斷路器內(nèi)部，因此減少了對器件的干擾，電磁兼容設(shè)計易于實現(xiàn)[8-9]。根據(jù)研制方案，采用分流器作為信號檢測單元，由于分流器接在母排正級，電路必須隔離。圖2為分流器電流信號隔離處理電路，采用隔離A/D采樣芯片HCPL-7860，將小模擬信號精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由HCPL-0872進(jìn)行數(shù)字信號管理，通過SPI總線傳入MCU中，再通過軟件進(jìn)行相應(yīng)的接收和處理[10]；目前美國URC直流斷路器控制器就采用此種技術(shù)進(jìn)行分流器電流信號隔離。

圖2 分流器電流信號隔離處理電路

2.3 脫扣單元

脫扣電路是直流框架式斷路器控制器的執(zhí)行單元，其接收控制器發(fā)出的脫扣指令,控制磁通變換器中的電磁鐵的吸合，使斷路器動作。由于脫扣電路的穩(wěn)定性、可靠性關(guān)系到整個脫扣器的性能，因此要求脫扣電路具有抗干擾、工作可靠等特性。脫扣電路如圖3所示，驅(qū)動元件需用漏極電流大于磁通變換器線圈電流的MOSFET管來實現(xiàn)，中間加入了一個低功耗電壓比較器LM293D的目的是防止脫扣指令誤動作，保證工作可靠[11]。

圖3 脫扣單元實現(xiàn)電路

2.4 電源單元

控制器采用雙電源供電，主供電電源采用外部直流710 V，輔助電源采用直流24 V；另外直流信號調(diào)理電路DC-DC隔離模塊需要5 V供電電壓、微控制器單元MCU需要3.3 V供電電壓。因此，設(shè)計了24 V轉(zhuǎn)5 V實現(xiàn)電路及5 V轉(zhuǎn)3.3 V實現(xiàn)電路，分別如圖4和圖5所示，由于使用環(huán)境中共模干擾較多，L2、L3、L4的作用均為限制共模干擾。

圖4 24 V轉(zhuǎn)5 V實現(xiàn)電路

圖5 5 V轉(zhuǎn)3.3 V實現(xiàn)電路

3 控制器軟件實現(xiàn)

圖6所示為控制器軟件主程序框圖，其采用查詢的方式進(jìn)行保護(hù)判斷、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)處理，采用中斷的方式進(jìn)行A/D采樣、通信收發(fā)和定時。中斷優(yōu)先級順序為：定時器0>A/D采樣>通信收發(fā)>定時器1。上電后系統(tǒng)初始化，根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)，計算出長延時整定值Ir1、短延時整定值Ir2、瞬時整定值Ir3、長延時時間T1、短延時時間Ts；根據(jù)A/D采樣值進(jìn)行保護(hù)判斷及是否發(fā)出脫扣指令，此外還會實時更新按鍵處理顯示信息、時間信息及與上位機(jī)通信情況。

圖6 控制器軟件主程序框圖

斷路器的保護(hù)判斷在A/D中斷中進(jìn)行，當(dāng)電流超過長延時限流值，能量開始累積，超過限值時，實現(xiàn)長延時反時限保護(hù)；當(dāng)電流超過短延時限流值，開始延時到時間限值，實現(xiàn)短延時定時限保護(hù)；當(dāng)采樣點超過瞬動限時，立即進(jìn)行保護(hù)動作。

斷路器對外支持Modbus通信和CAN2.0通信，Modbus通信最高支持19 200 bit·s-1速率，可設(shè)置地址范圍1～100，CAN2.0通信最高支持500 kbit·s-1速率。

可實現(xiàn):(1)遙測，遠(yuǎn)程讀取電壓、電流、功率等信息；(2)遙訊，報警、故障脫扣、分合閘狀態(tài)、設(shè)定參數(shù)；(3)遙調(diào)，遠(yuǎn)程保護(hù)參數(shù)修改。

4 實驗結(jié)果

該2 000 A智能型船用直流框架式斷路器作為2 MW變流器和1 MW逆變器的保護(hù)電器，要求過載長延時保護(hù)具有反時限特性、短路短延時保護(hù)具有定時限特性，瞬時保護(hù)需在20 ms內(nèi)動作。實驗結(jié)果，分別如表1～表3所示。

表1 長延時保護(hù)試驗測量數(shù)據(jù)

表2 短延時保護(hù)試驗測量數(shù)據(jù)

表3 短路瞬時保護(hù)試驗測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文介紹了直流框架式斷路器控制器的設(shè)計，采用先進(jìn)的直流電流信號檢測技術(shù)，檢測精確度高。同時對部分關(guān)鍵硬件電路也進(jìn)行了改進(jìn)，實驗性能良好，滿足GJB354A-99《艦用直流(大電流)空氣斷路器通用規(guī)范》和GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的要求。

[1] 劉學(xué)軍.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 李中午.控制電器及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.[3] 何瑞華,尹天文.我國低壓電器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電器與能效管理技術(shù),2014(1):1-10.

[4] 孫昊,榮命哲,馬瑞先,等.空氣介質(zhì)直流斷路器的現(xiàn)狀[J].電器與能效管理技術(shù),2013(20):8-10.

[5] Tidon H Glisson.Introduction to circuit analysis and design[M].Berlin:Springer,2011.

[6] ST Microelectronics,Inc.EMC design guide for ST microcontrollers[EB/OL]. (2010-12-07)[2015-08-11]www.stmicroelectronics.com.cn.

[7] 李佳.ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[8] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計與測試案例分析[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[9] 孫可平.電磁兼容性與抗干擾技術(shù)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2006.

[10] 丁志杰,趙宏圖,梁淼.數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[11] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

Research on Controller in the Frame Direct Current Breaker for Ships

In view of the traditional breaker for ship with low sampling precision and poor real-time performance, this article combines the alternate current breaker in frame type used in domestic ship and direct current controller of advanced foreign technology, and presents a new intelligent controller scheme. The Dc current signal is converted to the millivolt signal though a diverter, and then the signal is processed by the control unit for the intelligent controller to drive the movement of actuator according to the requirements of protective properties. The results show that the intelligent controller satisfies the requirements of three periods of protection with its high precision, wide range of adjustment and high reliability.

direct current breaker for ship; diverter; three periods of protection; intelligent controller

2016- 01- 03

滬江基金資助項目(B1402/D1402)

唐國明(1987-)，男，碩士研究生。研究方向：船用電器自動化。李正(1976-)，男，博士，講師。研究方向：電機(jī)拖動等。沈海鷹(1968-)，男，高級工程師。研究方向：艦船用電器元件與成套裝置。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.008

TM561

A

1007-7820(2016)10-026-04