基于數字變頻器的船用靜態切換開關系統

劉正海 何健 楊峰權等

摘 要：為了滿足高新技術設備對供電質量的苛刻要求，介紹了一套基于數字變頻器的靜態切換開關系統。包括兩路數字變頻器，同步鎖相電路和靜態切換開關模塊。兩路數字變頻器經過同步鎖相后得到同頻率、同幅值、同相位的兩路電源。數字變頻器改進了SVPWM算法，采用精確的v/f控制和數字濾波器；同步鎖相電路實現了一種充分隔離的數字鎖相機制；靜態切換開關系統采用DSP芯片控制。經過大量的實驗表明，系統能夠在8ms內完成切換工作，達到了敏感負載對不間斷供電的要求。此套系統有望應用于船舶電力系統。

關鍵詞：數字變頻器 同步鎖相 靜態開關 系統

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0061-03

The System of Static Transfer Switch for Ship Based on DSP

Liu Zhenghai1 He Jian2 Yang Fengquan1 Chen Haitao1 Zhu Yihua1 Yang Jiawei1 Deng Liwei1

（1.Haishen machinery & electric general works（Xiangshan，china），Ningbo Zhejiang，315718；2.Suzhou Xinya technology co.，LTD，Suzhou Jiangsu，215400，China）

Abstract：In order to meet severe requirements of high and new-tech equipment for power quality， this paper introduces a system of static transfer switch（STS） based on the digital frequency converter（DFC）. It mainly contains two way of DFC， synchronous phase-lock and STS.Two powers generates the same frequency，amplitude and phase waveform by means of synchronous phase-lock. DFC improves the algorithm of SVPWM and adopts pinpoint control of v/f and digital filter； synchronous phase-lock is fully isolated；STS uses the chip of DSP. Abundant experiments show that it can finish switching within 8ms and it can be up to requirement of sensitive load.It is expected to be used in ship power system.

Key Words：Digital Frequency Converter；Synchronous Phase-Lock；Static Switch；System

隨著高新技術設備的迅猛發展，對供電系統的穩定性、可靠性要求也越來越苛刻[1-3]。傳統變頻器存在以下不足：可靠性不高，一旦故障就會使整個供電系統癱瘓，維修周期直接影響負載設備的運行；原有SVPWM算法保證快速生成控制脈沖時忽略低占空比時逆變的穩定性；不具備相位檢測及相位同步功能；輸出穩定性不夠好，v/f控制精度不高。現有的雙電源切換僅具有一般的轉換功能，很少能夠達到雙供電電源之間的“無縫”快速切換。若能實現“無縫”快速切換，則可以保障計算機系統或其他電子電力設備在停電后繼續工作以給用戶一定時間進行停電對應，從而使得用戶不會因停電而影響工作或丟失數據。為了對供電系統進行綜合治理，越來越多的國內外專家學者開始關注并研究雙電源供電系統[4]。靜態切換開關系統屬于一種高新技術設備[5-6]，采用電力電子相關方面的技術，可以滿足高新技術設備對供電系統提出的嚴格要求。

1 系統總體設計框架

如圖1所示，此套系統主要包括主用數字變頻器和備用數字變頻器，同步鎖相電路和靜態切換開關模塊。兩路變頻器經過同步鎖相后得到同頻率、同幅值、同相位的兩路電源。在主用變頻器正常情況下，負載由主用變頻器供電；當主用變頻器出現故障時，負載自動快速切換至備用變頻器。

2 數字變頻器設計

2.1 數字變頻器結構原理

如圖2所示，為本系統的數字變頻器原理框圖。每個部分的功能說明如下：（1）直流濾波部分主要為直流EMI濾波器。（2）充電控制部分：主要包括預充電電阻，直流電容和直流繼電器。（3）控制電源部分：為一單路輸入，六路輸出電源。（4）數字控制部分：主要由DSP為核心的電路板。（5）驅動部分：主要由驅動模塊為核心的電路板。（6）功率模塊：IGBT模塊。（7）交流濾波部分：交流電抗器，電容器，交流濾波器。（8）功能控制部分：包括顯示電路板，控制開關，調節電位器等。

直流電壓經直流濾波部分、預充電部分，穩定后進入IGBT模塊的輸入端；控制電源部分為直流濾波部分和數字控制部分提供電源；數字控制部分產生控制脈沖，由驅動部分進行信號放大，控制IGBT模塊實現換能，IGBT模塊輸出經過交流濾波后得到數字變頻器的最終輸出。

控制軟件設計：通過中斷方式實現其系統主要功能，其中包括頻率ADC模塊、保護模塊、PI調節模塊、開關控制模塊、風機控制模塊等。

2.2 數字變頻器工作流程

如圖3所示，為數字變頻器工作流程。數字變頻器上電后，進入初始化并檢測運行狀態，啟動數字變頻器后，開啟SVPWM算法，在更新比較寄存器的值時判斷該值的大小，當該值小于某一特定值時，把該特定值賦給比較寄存器，該特定值限制IGBT控制脈沖的最小占空比在3%～5%之間，本實驗證明限制控制脈沖的最小占空比能有效提高輸出穩定性。本實施例中特定值為100，Ta、Tb、Tc有以下規則：

（1）

式中Ta，Tb，Tc為比較寄存器的值。

電位器給定線性分壓，經ADC數據處理得到給定電壓值，對三相輸出電壓進行采樣經ADC數據處理得到反饋電壓值，經系統的快速數字濾波器處理，本實施例中數字濾波器編程算法如下：

（2）

式中UN（OUT）為本次濾波輸出，UN-1為上一次濾波輸出，UN為本次采樣值，3為濾波基數。數字濾波器的輸出再經PI調節器計算得到調制比用以調節控制脈沖，達到線性v/f精確調節和反饋穩定輸出的目的。

3 同步鎖相模塊

3.1 同步分析

兩臺數字變頻器并聯運行的電路模型如圖4所示.

兩路電源功率偏差為：

式（3）和式（4）中，U0為負載電壓，U1和U2分別為兩路電源輸出電壓。可知，兩路電源的有功功率差主要取決于輸出電壓相位差，無功功率主要取決于輸出電壓幅值差。所以，保證兩路電源的無功功率和有功功率一致，就能確保輸出電壓幅值和相位一致。

3.2 充分隔離的數字鎖相機制

如圖5所示，當兩個相位檢測端的相位信號都為低電平時，Q2、Q3不導通，上拉電阻R5、R9導致U1的6引腳和10引腳為低電平，由于D2、D3的阻斷隔離及下拉電阻R15，相位同步線的電位為低電平，U1的8引腳和12引腳為高電平，因此同步輸出端1和同步輸出端2為高電平；當相位檢測端1的相位信號為高電平相位檢測端2的相位信號為低電平時，Q2導通Q3不導通，由于Q2發射極接地，U1的6引腳為高電平，D2導通，U1的10引腳為低電平，D3阻斷隔離，因此相位同步線的電位為高電平，U1的8引腳和12引腳為低電平，因此同步輸出端1和同步輸出端2為低電平；同理當相位檢測端1的相位信號為低電平相位檢測端2的相位信號為高電平時，同步輸出端1和同步輸出端2為低電平；當兩個相位檢測端的相位信號都為高電平時，Q2、Q3都導通，由于Q2、Q3發射極接地，U1的6引腳和10引腳為高電平，D2、D3都導通，相位同步線的電位為高電平，U1的8引腳和12引腳為低電平，因此同步輸出端1和同步輸出端2為低電平，由于D2、D3的隔離作用，當主用數字變頻器和備用數字變頻器中任意一臺故障，另一臺都能檢測到相位同步線上的正確電位信號。

4 靜態切換開關模塊

如圖6所示，靜態切換開關系統包括兩路不間斷數字變頻器輸入檢測電路、DSP系統控制電路、數字觸發電路、LC橋式諧振輔助換流電路等；所述數字變頻器輸入檢測信號經處理后得到的采樣信號送入DSP芯片的A/D轉換模塊，DSP控制系統根據采集到的信號作出相應的數學分析，以便偵測出主用數字變頻器出現的異常現象，然后第一時間觸發數字信號，該信號控制LC橋式諧振換流電路中相應的晶閘管門極，使得主用數字變頻器首先換流到LC橋式諧振輔助旁路，然后再由LC橋式諧振輔助旁路換流到備用數字變頻器。由于切換過程時間較短，因此可以認為兩路電源電壓以及負載電流近似不變，其間DSP芯片作出相應的狀態報警顯示以及與外部通信。

5 實驗結果

圖7所示為經相應捕獲中斷同步相位后得到的方波信號。通道1通道2為兩路數字變頻器輸出正弦波對應的50HZ方波，此時相位同步。

如圖8所示，當靜態切換開關控制系統檢測到主用數字變頻器出現故障時，由主用數字變頻器切換至備用數字變頻器時的捕獲波形。由波形可以看出切換時間大約需要8ms，切換過后由備用變頻器供電，輸出恢復至正常電壓。

6 結語

經過大量地實驗表明，此套靜態切換開關系統能夠在8 ms內完成切換過程，達到了預期的效果。由于切換過程時間較短，因此可以認為兩路電源電壓以及負載電流近似不變，實現了“無縫”快速切換，從而滿足高新技術設備對供電質量的苛刻要求。此套系統有望應用于船舶電力系統。

參考文獻

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