文/王麗娟 王珊 周燕菲 孫曉婷

1 引言

三相變流器系統(tǒng)主要實現(xiàn)交直流電能轉(zhuǎn)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(yīng)用越來越廣泛；然而當(dāng)電網(wǎng)過電流、電網(wǎng)過電壓、直流過流、直流過壓及系統(tǒng)短路故障發(fā)生時，會直接影響系統(tǒng)安全，因此需要設(shè)計一種系統(tǒng)保護機制。本文系統(tǒng)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(tǒng)正常時完成三相變流器系統(tǒng)控制，故障時完成三相變流器系統(tǒng)保護功能。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保護方案

2 三相變流器保護系統(tǒng)方案和機理

2.1 三相變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相變流器系統(tǒng)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(qū)動組成，二次回路由DSP和信號檢測調(diào)理組成。三相變流器系統(tǒng)的交直流側(cè)分別與電網(wǎng)和直流負載連接；DSP采集交直流側(cè)電壓和電流，單周期內(nèi)完成系統(tǒng)控制算法，輸出PWM信號并驅(qū)動IGBT，以完成三相變流器系統(tǒng)控制任務(wù)；同時系統(tǒng)采用集成高速光耦的驅(qū)動器QP12W08S，實現(xiàn)強弱電隔離，并驅(qū)動IGBT。

2.2 系統(tǒng)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(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)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(tǒng)短路等故障現(xiàn)象時，通過故障電流電壓檢測電路和驅(qū)動故障檢測電路實現(xiàn)實時故障檢測，并進行故障信號處理，在DSP處理器內(nèi)將PWM信號置低并通過IO輸出口驅(qū)動繼電保護回路使三相變流器系統(tǒng)脫離電網(wǎng)系統(tǒng)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(qū)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(fā)生時通過繼電器控制交流接觸器將三相變流器系統(tǒng)從電網(wǎng)斷開。

接下來對系統(tǒng)保護設(shè)計方案和方法進行詳細闡述。

3 三相變流器保護系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)采用高精度、響應(yīng)迅速的霍爾傳感器以滿足系統(tǒng)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(zhuǎn)化為小電流弱信號，并通過采樣電阻Rm1和Rm3轉(zhuǎn)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(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏魅跣盘枺⑼ㄟ^采樣電阻Rm2和Rm4轉(zhuǎn)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(tài)響應(yīng)時間為500ns。

如圖2所示，交流電壓和電流（Va，Ia）經(jīng)霍爾電壓和電流傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏魅跣盘枺?jīng)采樣電阻（Rm1，Rm2）后，轉(zhuǎn)化為交流小電壓信號（vam，Iam），經(jīng)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(guān)系為：

交流故障檢測電路測試結(jié)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(dāng)輸入交流信號幅值和頻率為2V/50Hz時，經(jīng)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(jīng)比較器電路比較輸出3.3V信號，如圖3(a)所示；當(dāng)輸入交流信號幅值為4V時，經(jīng)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(nèi)都能完成超限信號的檢測，反應(yīng)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(jīng)霍爾電壓和電流傳感器及采樣電阻后，轉(zhuǎn)化為直流小電壓信號（uam, Idm），經(jīng)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(guān)系為：

直流故障檢測測試結(jié)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(dāng)輸入信號幅值為2V時，經(jīng)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(dāng)輸入信號幅值為4V時，經(jīng)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(qū)動保護檢測電路

圖7：故障信號處理與DSP保護

3.2 驅(qū)動保護設(shè)計

三相變流器驅(qū)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(shè)計如圖6所示，當(dāng)IGBT正常運行時驅(qū)動芯片12和15引腳無電壓差，驅(qū)動故障信號Fg輸出高電平；當(dāng)IGBT短路時，12和15存在電壓差，通過驅(qū)動光耦使三極管導(dǎo)通，由此Fg輸出低電平。

3.3 故障信號處理與DSP保護設(shè)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(qū)動故障信號Fg經(jīng)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(qū)動保護引腳PDPINT；當(dāng)DSP檢測到PDPINT為電平時，將PWM引腳設(shè)置為高阻狀態(tài)，并產(chǎn)生中斷，為安全起見在功率保護中斷服務(wù)函數(shù)中，將PWM置為低電平并控制繼電保護回路斷開電網(wǎng)。

功率保護中斷服務(wù)函數(shù)如下所示：

4 結(jié)論

本文采用DSP技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了圖書館三相變流器故障保護功能，闡述了相應(yīng)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(tǒng)保護機制可有效保護系統(tǒng)，具有較好應(yīng)用價值。