基于DSP技术的图书馆三相变流器保护系统

文/王丽娟 王珊 周燕菲 孙晓婷

1 引言

三相变流器系统主要实现交直流电能转换。图书馆中随着重要直流装置的增多，以及直流电能要求的提高，三相变流器应用越来越广泛；然而当电网过电流、电网过电压、直流过流、直流过压及系统短路故障发生时，会直接影响系统安全，因此需要设计一种系统保护机制。本文系统中采用高性价比DSP处理器TMS320F2812，该处理器具有12位高精度ADC和16路PWM。DSP在电力系统正常时完成三相变流器系统控制，故障时完成三相变流器系统保护功能。

图1：系统结构和保护方案

2 三相变流器保护系统方案和机理

2.1 三相变流器系统结构

三相变流器系统由一次回路和二次回路组成，其中一次回路由三相全桥IGBT、直流电容、交流电感、三相变压器、接触器和驱动组成，二次回路由DSP和信号检测调理组成。三相变流器系统的交直流侧分别与电网和直流负载连接；DSP采集交直流侧电压和电流，单周期内完成系统控制算法，输出PWM信号并驱动IGBT，以完成三相变流器系统控制任务；同时系统采用集成高速光耦的驱动器QP12W08S，实现强弱电隔离，并驱动IGBT。

2.2 系统保护方案和机理

图3：交流故障检测电路测试

如图1所示，当电力系统中出现交直流过电压和过电流、直流过电压和过电流以及变流器系统短路等故障现象时，通过故障电流电压检测电路和驱动故障检测电路实现实时故障检测，并进行故障信号处理，在DSP处理器内将PWM信号置低并通过IO输出口驱动继电保护回路使三相变流器系统脱离电网系统以保护功率器件。该保护方案由电压和电流故障检测电路、驱动故障检测电路、故障信号处理以及继电保护回路组成，其中继电保护回路主要由三极管、继电器和交流接触器等组成，主要功能在故障发生时通过继电器控制交流接触器将三相变流器系统从电网断开。

接下来对系统保护设计方案和方法进行详细阐述。

3 三相变流器保护系统设计

3.1 电压和电流故障检测电路

电压和电流故障检测电路如图2和图4所示，分别是交流电压电流故障检测电路、直流电压和电流故障检测电路。三相变流器系统采用高精度、响应迅速的霍尔传感器以满足系统要求，其中采用VSM025A霍尔电压传感器检测交直流电压，将大电压转化为小电流弱信号，并通过采样电阻Rm1和Rm3转化为电压信号，该传感器线性度小于0.2%，测量精度高达±0.7%，动态响应时间为40us；采用CSM010G霍尔电流传感器检测交直流电流，将大电流转变为小电流弱信号，并通过采样电阻Rm2和Rm4转化为电压信号，该传感器线性度小于0.1%，测量精度高达±0.7%，动态响应时间为500ns。

如图2所示，交流电压和电流（Va，Ia）经霍尔电压和电流传感器转变为小电流弱信号，经采样电阻（Rm1，Rm2）后，转化为交流小电压信号（vam，Iam），经过加法运算放大器电路抬升5V电压后，将交流小电压信号（vad，Iad）抬升到0V以上，并与比较器电路中的电压最高和最低容限值（VufR，VofR）和电流最高和最低容限值（IufR，IofR）比较，最后比较输出故障信号Fav和Fai；其中加法器电路中R1至R8阻值相等，加法器输出与输入关系为：

交流故障检测电路测试结果如图3所示，CH1-CH3分别为输入、抬升和输出信号，比较器最高和最低容限值为8V和2V，当输入交流信号幅值和频率为2V/50Hz时，经加法器将信号抬升为3V-7V，信号幅值未超过比较器容限值，经比较器电路比较输出3.3V信号，如图3(a)所示；当输入交流信号幅值为4V时，经加法器将信号抬升为1V-9V，信号幅值超过比较器容限值时输出低电平，处于容限值范围时输出3.3V高电平信号，如图3(b)所示。由此可见，在信号正负半周期内都能完成超限信号的检测，反应迅速。

图4：直流电压和电流故障检测电路

图5：直流故障检测电路测试

如图4所示，直流电压和电流（Vdc, Idc）经霍尔电压和电流传感器及采样电阻后，转化为直流小电压信号（uam, Idm），经比例运算放大器电路将小电压信号放大得到uad和Idd，并在比较器电路中与最高容限值（UofR, IofR）进行比较后输出故障信号Fdu和Fdi；其中运放电路中R9至R12阻值相等，输出与输入信号关系为：

直流故障检测测试结果如图5所示，CH1-CH3分别为输入、放大和输出信号，比较最高容限值为7V，当输入信号幅值为2V时，经比例运算放大器后信号幅值未超过比较器的容限值，比较器输出3.3V，如图5(a)；当输入信号幅值为4V时，经放大电路后信号幅值超过容限值，输出低电平，如图5(b)。

图6：驱动保护检测电路

图7：故障信号处理与DSP保护

3.2 驱动保护设计

三相变流器驱动保护电路用于IGBT短路保护，并输出保护信号通知DSP禁止PWM输出，其设计如图6所示，当IGBT正常运行时驱动芯片12和15引脚无电压差，驱动故障信号Fg输出高电平；当IGBT短路时，12和15存在电压差，通过驱动光耦使三极管导通，由此Fg输出低电平。

3.3 故障信号处理与DSP保护设计

故障信号处理电路如图7所示，其中交直流过电压和过电流故障信号（Fav, Fai, Fdu, Fdi）以及驱动故障信号Fg经逻辑信号相与后输出总故障信号Ffault，只要存在低电平故障信号则Ffault为低电平。Ffault连接DSP功率驱动保护引脚PDPINT；当DSP检测到PDPINT为电平时，将PWM引脚设置为高阻状态，并产生中断，为安全起见在功率保护中断服务函数中，将PWM置为低电平并控制继电保护回路断开电网。

功率保护中断服务函数如下所示：

4 结论

本文采用DSP技术设计实现了图书馆三相变流器故障保护功能，阐述了相应故障检测和处理方案，并在交直流电压和电流故障时进行了测试分析，通过分析验证了该系统保护机制可有效保护系统，具有较好应用价值。