基于DSP技術的圖書館三相變流器保護系統

文/王麗娟 王珊 周燕菲 孫曉婷

1 引言

三相變流器系統主要實現交直流電能轉換。圖書館中隨著重要直流裝置的增多，以及直流電能要求的提高，三相變流器應用越來越廣泛；然而當電網過電流、電網過電壓、直流過流、直流過壓及系統短路故障發生時，會直接影響系統安全，因此需要設計一種系統保護機制。本文系統中采用高性價比DSP處理器TMS320F2812，該處理器具有12位高精度ADC和16路PWM。DSP在電力系統正常時完成三相變流器系統控制，故障時完成三相變流器系統保護功能。

圖1：系統結構和保護方案

2 三相變流器保護系統方案和機理

2.1 三相變流器系統結構

三相變流器系統由一次回路和二次回路組成，其中一次回路由三相全橋IGBT、直流電容、交流電感、三相變壓器、接觸器和驅動組成，二次回路由DSP和信號檢測調理組成。三相變流器系統的交直流側分別與電網和直流負載連接；DSP采集交直流側電壓和電流，單周期內完成系統控制算法，輸出PWM信號并驅動IGBT，以完成三相變流器系統控制任務；同時系統采用集成高速光耦的驅動器QP12W08S，實現強弱電隔離，并驅動IGBT。

2.2 系統保護方案和機理

圖3：交流故障檢測電路測試

如圖1所示，當電力系統中出現交直流過電壓和過電流、直流過電壓和過電流以及變流器系統短路等故障現象時，通過故障電流電壓檢測電路和驅動故障檢測電路實現實時故障檢測，并進行故障信號處理，在DSP處理器內將PWM信號置低并通過IO輸出口驅動繼電保護回路使三相變流器系統脫離電網系統以保護功率器件。該保護方案由電壓和電流故障檢測電路、驅動故障檢測電路、故障信號處理以及繼電保護回路組成，其中繼電保護回路主要由三極管、繼電器和交流接觸器等組成，主要功能在故障發生時通過繼電器控制交流接觸器將三相變流器系統從電網斷開。

接下來對系統保護設計方案和方法進行詳細闡述。

3 三相變流器保護系統設計

3.1 電壓和電流故障檢測電路

電壓和電流故障檢測電路如圖2和圖4所示，分別是交流電壓電流故障檢測電路、直流電壓和電流故障檢測電路。三相變流器系統采用高精度、響應迅速的霍爾傳感器以滿足系統要求，其中采用VSM025A霍爾電壓傳感器檢測交直流電壓，將大電壓轉化為小電流弱信號，并通過采樣電阻Rm1和Rm3轉化為電壓信號，該傳感器線性度小于0.2%，測量精度高達±0.7%，動態響應時間為40us；采用CSM010G霍爾電流傳感器檢測交直流電流，將大電流轉變為小電流弱信號，并通過采樣電阻Rm2和Rm4轉化為電壓信號，該傳感器線性度小于0.1%，測量精度高達±0.7%，動態響應時間為500ns。

如圖2所示，交流電壓和電流（Va，Ia）經霍爾電壓和電流傳感器轉變為小電流弱信號，經采樣電阻（Rm1，Rm2）后，轉化為交流小電壓信號（vam，Iam），經過加法運算放大器電路抬升5V電壓后，將交流小電壓信號（vad，Iad）抬升到0V以上，并與比較器電路中的電壓最高和最低容限值（VufR，VofR）和電流最高和最低容限值（IufR，IofR）比較，最后比較輸出故障信號Fav和Fai；其中加法器電路中R1至R8阻值相等，加法器輸出與輸入關系為：

交流故障檢測電路測試結果如圖3所示，CH1-CH3分別為輸入、抬升和輸出信號，比較器最高和最低容限值為8V和2V，當輸入交流信號幅值和頻率為2V/50Hz時，經加法器將信號抬升為3V-7V，信號幅值未超過比較器容限值，經比較器電路比較輸出3.3V信號，如圖3(a)所示；當輸入交流信號幅值為4V時，經加法器將信號抬升為1V-9V，信號幅值超過比較器容限值時輸出低電平，處于容限值范圍時輸出3.3V高電平信號，如圖3(b)所示。由此可見，在信號正負半周期內都能完成超限信號的檢測，反應迅速。

圖4：直流電壓和電流故障檢測電路

圖5：直流故障檢測電路測試

如圖4所示，直流電壓和電流（Vdc, Idc）經霍爾電壓和電流傳感器及采樣電阻后，轉化為直流小電壓信號（uam, Idm），經比例運算放大器電路將小電壓信號放大得到uad和Idd，并在比較器電路中與最高容限值（UofR, IofR）進行比較后輸出故障信號Fdu和Fdi；其中運放電路中R9至R12阻值相等，輸出與輸入信號關系為：

直流故障檢測測試結果如圖5所示，CH1-CH3分別為輸入、放大和輸出信號，比較最高容限值為7V，當輸入信號幅值為2V時，經比例運算放大器后信號幅值未超過比較器的容限值，比較器輸出3.3V，如圖5(a)；當輸入信號幅值為4V時，經放大電路后信號幅值超過容限值，輸出低電平，如圖5(b)。

圖6：驅動保護檢測電路

圖7：故障信號處理與DSP保護

3.2 驅動保護設計

三相變流器驅動保護電路用于IGBT短路保護，并輸出保護信號通知DSP禁止PWM輸出，其設計如圖6所示，當IGBT正常運行時驅動芯片12和15引腳無電壓差，驅動故障信號Fg輸出高電平；當IGBT短路時，12和15存在電壓差，通過驅動光耦使三極管導通，由此Fg輸出低電平。

3.3 故障信號處理與DSP保護設計

故障信號處理電路如圖7所示，其中交直流過電壓和過電流故障信號（Fav, Fai, Fdu, Fdi）以及驅動故障信號Fg經邏輯信號相與后輸出總故障信號Ffault，只要存在低電平故障信號則Ffault為低電平。Ffault連接DSP功率驅動保護引腳PDPINT；當DSP檢測到PDPINT為電平時，將PWM引腳設置為高阻狀態，并產生中斷，為安全起見在功率保護中斷服務函數中，將PWM置為低電平并控制繼電保護回路斷開電網。

功率保護中斷服務函數如下所示：

4 結論

本文采用DSP技術設計實現了圖書館三相變流器故障保護功能，闡述了相應故障檢測和處理方案，并在交直流電壓和電流故障時進行了測試分析，通過分析驗證了該系統保護機制可有效保護系統，具有較好應用價值。