基于DSP的移相电源设计

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(1.三江学院，江苏 南京 210012;2.福特汽车工程研究(南京)有限公司，江苏 南京 211100)

基于DSP的移相电源设计

陆朱卫1,顾怀敏2

(1.三江学院，江苏 南京 210012;2.福特汽车工程研究(南京)有限公司，江苏 南京 211100)

文中提出一种基于DSP的移相电源，该电源采用电力电子技术实现移相操作，输出电压和相位可调的交流电。实验结果表明该电路输出波形质量好，相位可以精确控制，能满足继电保护测试的需求。

移相电源；电力电子技术；继电保护；数字信号处理器

1 引言

继电保护是电力系统的守护神，对电力系统的可靠性、安全性起到至关重要的作用。在继电保护测试中常需要使用不同电压和相位的电源来对继电保护装置进行整定和测试，目前常用移相变压器来实现，但是移相变压器体积笨重、操作繁琐、不方便携带，以及不能精确显示相位，已经不能满足继电保护测试的需求[1-4]。文中提出一种移相电源，该电源采用电力电子技术实现移相操作，输出大小和相位可调的交流电。本文对其硬件部分和软件部分分别进行设计，最后给出实验结果。

2 移相电源的工作原理

移相电源主要是采用电力电子技术对输入电压的进行变换，输出大小和相位可调的交流电压，该输出电压可以作为继电保护实验电压，用来模拟电力系统的故障和不正常运行。移相电源主要包含整流电路、直流中间电路、逆变电路、相位检测与显示电路、保护电路以及以DSP为核心的控制电路。电路结构如图1所示，主要包含主电路和控制电路两部分。

图1 移相电源结构

主电路部分其工作原理如下：EMI电路用于滤除外界电网的高频谐波，同时减少电源本身对外界的电磁干扰；整流电路使220V工频交流电变为直流电；中间直流环节采用电容滤波，减小直流电压的纹波，得到平滑的直流电压，该直流电压分别送到逆变电路1和逆变电路2，逆变电路采用SPWM控制技术得到两路交流输出，经滤波电路滤除谐波后得到正弦交流电，输出电压的大小和相位由驱动信号控制。

控制电路部分工作原理如下：控制核心为DSP2812，键盘输入系统的设置，采样电路得到电压、电流、相位等反馈信号。根据系统给定信号和反馈信号的误差，采用增量式PID控制，由DSP计算出逆变电路所需的驱动信号，驱动信号通过驱动电路得到控制开关管通断的开关信号，控制逆变电路的工作；保护电路为系统提供必要的保护措施；液晶显示部分用来显示当前的工作状态，输出相应的信息，便于实时监控。

3 硬件电路设计

系统硬件主要由功率主电路、DSP 接口电路、驱动电路、电压检测电路、显示电路、保护电路这6 部分组成。

3.1 主电路设计

主电路部分主要由EMI 电路、整流电路、中间直流电路、逆变电路和输出滤波电路组成。EMI 电源滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频信号通过，对频率较高的其他信号有较大的衰减作用；整流电路选用集成芯片RS207，其承受的反压值大，工作稳定；中间直流电路采用电容滤波，选用450V/560μF的电解电容；逆变电路采用桥式逆变电路，选用MOSFET作为功率开关管；输出滤波电路采用LC滤波器。

3.2 驱动电路设计

由于本电路主要做继电保护测试用，功率并不大，所以选用MOSFET作为逆变电路的功率开关管。MOSFET 是一种电压型驱动器件，其电压驱动电路比较简单，本文采用IR2110作为驱动芯片，它采用自举技术，电路简单可靠，拥有较好的保护功能。其电路图结构如图2所示。

图2 驱动电路

3.3 电压检测电路设计

电压检测电路如图3所示，在移相电路的输出端装设电压互感器，次级电压经整流滤波后，得到一个直流电压，该直流电压同输出电压成正比关系。直流电压经过分压后送入DSP进行AD转换，DSP通过运算便可知道当前的输出电压值。直流电压在输入DSP之前需要稳压二极管进行电压钳位，稳压二极管电压选取3.3V，这样采样端口的电压被限制在0～3.3V，确保DSP 的安全。

图3 电压检测电路

3.4 相位检测电路设计

相位检测电路如图4所示，首先由电压互感器取得移相电路的输出电压，然后经过比较器可以把两个正弦波变成方波，对两个方波进行与运算可以得到一个方波，该方波的脉宽正好反映了输出电压的相位差。把该方波送入DSP进行运算便可知道当前的相位差。

图4 相位检测电路

3.5 过流保护电路设计

过流保护电路如图5所示，在移相电路的输出端装设电流互感器，在电流互感器次级可以得到一个与被检测初级电流成比例的电压。将该次级电压整流滤波后，得到一个直流电压，该直流电压同输出电流成正比例关系。将该电压同输出电流的门限电压相比较，当超过门限电压值时，比较器输出高电平，则DSP的相应引脚为低电平，启动输出过流保护程序，关闭输出信号。

4 系统软件设计

DSP主要是对采样的电压、电流进行分析处理，根据系统设定的电压、相位、频率给出逆变电路所需要的控制信号，控制逆变电路工作。同时把相应的信息显示在液晶屏上主要包括输出电压、电流、频率、相位差等信息[5-6]。系统软件设计主要由系统初始化程序、A/D 中断处理程序、电压电流检测程序、驱动信号产生程序、显示电路程序等组成。系统的控制流程如图6所示，首先对系统各部分初始化，在进入A/D 中断后对采集到的数据进行处理，并在中断中显示采集到的实时数据，然后根据系统设定和采集到的数据通过增量式PID控制计算所需要的驱动信号。

图5 过流保护电路

图6 系统控制流程图

5 系统实验分析

根据文中的设计方案建立了实验平台，通过移相可以得到两个幅度可调、相位相差0～180°的交流电压，图7相位差为45°，图8相位差为90°，相位通过液晶屏显示，可以精确到0.1°，从图中可以看到，输出电压波形质量好，谐波含量小，可以满足不同实验的需求。

图7 相位差为45°时的输出电压

图8 相位差为90°时的输出电压

6 结论

本文设计了一种基于DSP的移相电源，该电源结构简单、工作可靠，可以输出两路电压和相位可调的交流电源，可以应用于继电保护的不同测试需求。实验结果表明，该电源输出波形质量好、谐波含量小、相位可以精确控制，在实际应用中取得良好的效果。

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[7] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京: 机械工业出版社,2009.

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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