基于DSP的移相電源設(shè)計(jì)

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(1.三江學(xué)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(shè)計(jì)

陸朱衛(wèi)1,顧懷敏2

(1.三江學(xué)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(shù)實(shí)現(xiàn)移相操作，輸出電壓和相位可調(diào)的交流電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路輸出波形質(zhì)量好，相位可以精確控制，能滿足繼電保護(hù)測(cè)試的需求。

移相電源；電力電子技術(shù)；繼電保護(hù)；數(shù)字信號(hào)處理器

1 引言

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)的守護(hù)神，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性、安全性起到至關(guān)重要的作用。在繼電保護(hù)測(cè)試中常需要使用不同電壓和相位的電源來(lái)對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行整定和測(cè)試，目前常用移相變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(jīng)不能滿足繼電保護(hù)測(cè)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(shù)實(shí)現(xiàn)移相操作，輸出大小和相位可調(diào)的交流電。本文對(duì)其硬件部分和軟件部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)對(duì)輸入電壓的進(jìn)行變換，輸出大小和相位可調(diào)的交流電壓，該輸出電壓可以作為繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)電壓，用來(lái)模擬電力系統(tǒng)的故障和不正常運(yùn)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(cè)與顯示電路、保護(hù)電路以及以DSP為核心的控制電路。電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

主電路部分其工作原理如下：EMI電路用于濾除外界電網(wǎng)的高頻諧波，同時(shí)減少電源本身對(duì)外界的電磁干擾；整流電路使220V工頻交流電變?yōu)橹绷麟?；中間直流環(huán)節(jié)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(shù)得到兩路交流輸出，經(jīng)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(qū)動(dòng)信號(hào)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(tǒng)的設(shè)置，采樣電路得到電壓、電流、相位等反饋信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)給定信號(hào)和反饋信號(hào)的誤差，采用增量式PID控制，由DSP計(jì)算出逆變電路所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路得到控制開(kāi)關(guān)管通斷的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制逆變電路的工作；保護(hù)電路為系統(tǒng)提供必要的保護(hù)措施；液晶顯示部分用來(lái)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，輸出相應(yīng)的信息，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由功率主電路、DSP 接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓檢測(cè)電路、顯示電路、保護(hù)電路這6 部分組成。

3.1 主電路設(shè)計(jì)

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(hào)通過(guò)，對(duì)頻率較高的其他信號(hào)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(wěn)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(kāi)關(guān)管；輸出濾波電路采用LC濾波器。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于本電路主要做繼電保護(hù)測(cè)試用，功率并不大，所以選用MOSFET作為逆變電路的功率開(kāi)關(guān)管。MOSFET 是一種電壓型驅(qū)動(dòng)器件，其電壓驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，本文采用IR2110作為驅(qū)動(dòng)芯片，它采用自舉技術(shù)，電路簡(jiǎn)單可靠，擁有較好的保護(hù)功能。其電路圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

3.3 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)電路如圖3所示，在移相電路的輸出端裝設(shè)電壓互感器，次級(jí)電壓經(jīng)整流濾波后，得到一個(gè)直流電壓，該直流電壓同輸出電壓成正比關(guān)系。直流電壓經(jīng)過(guò)分壓后送入DSP進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，DSP通過(guò)運(yùn)算便可知道當(dāng)前的輸出電壓值。直流電壓在輸入DSP之前需要穩(wěn)壓二極管進(jìn)行電壓鉗位，穩(wěn)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(cè)電路

3.4 相位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

相位檢測(cè)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(jīng)過(guò)比較器可以把兩個(gè)正弦波變成方波，對(duì)兩個(gè)方波進(jìn)行與運(yùn)算可以得到一個(gè)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(jìn)行運(yùn)算便可知道當(dāng)前的相位差。

圖4 相位檢測(cè)電路

3.5 過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過(guò)流保護(hù)電路如圖5所示，在移相電路的輸出端裝設(shè)電流互感器，在電流互感器次級(jí)可以得到一個(gè)與被檢測(cè)初級(jí)電流成比例的電壓。將該次級(jí)電壓整流濾波后，得到一個(gè)直流電壓，該直流電壓同輸出電流成正比例關(guān)系。將該電壓同輸出電流的門限電壓相比較，當(dāng)超過(guò)門限電壓值時(shí)，比較器輸出高電平，則DSP的相應(yīng)引腳為低電平，啟動(dòng)輸出過(guò)流保護(hù)程序，關(guān)閉輸出信號(hào)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP主要是對(duì)采樣的電壓、電流進(jìn)行分析處理，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的電壓、相位、頻率給出逆變電路所需要的控制信號(hào)，控制逆變電路工作。同時(shí)把相應(yīng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)初始化程序、A/D 中斷處理程序、電壓電流檢測(cè)程序、驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生程序、顯示電路程序等組成。系統(tǒng)的控制流程如圖6所示，首先對(duì)系統(tǒng)各部分初始化，在進(jìn)入A/D 中斷后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在中斷中顯示采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定和采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)增量式PID控制計(jì)算所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5 過(guò)流保護(hù)電路

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)文中的設(shè)計(jì)方案建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)移相可以得到兩個(gè)幅度可調(diào)、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(guò)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(zhì)量好，諧波含量小，可以滿足不同實(shí)驗(yàn)的需求。

圖7 相位差為45°時(shí)的輸出電壓

圖8 相位差為90°時(shí)的輸出電壓

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的移相電源，該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，可以輸出兩路電壓和相位可調(diào)的交流電源，可以應(yīng)用于繼電保護(hù)的不同測(cè)試需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源輸出波形質(zhì)量好、諧波含量小、相位可以精確控制，在實(shí)際應(yīng)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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