低压电器(2008№7)通用低压电器篇
・智能电器及计算机应用・
基于IPM的永磁机构同步控制器设计
段雄英, 田海松, 黄智慧, 廖敏夫
(大连理工大学,辽宁大连 116024)
摘 要:以DSP为核心设计了一种基于智能功率模块(IPM)的永磁机构同步控制系统。阐述了IPM的控制策略、光耦隔离驱动、相关保护和作用,同时介绍了系统组成和断路器动作的策略,并给出了软硬件设计。该控制系统可减少开关操作的涌流、过电压等暂态过程,提高电能质量。
关键词:同步投切;智能功率模块;数字信号处理器
中图分类号:TM561∶TP273.5 文献标识码:A 文章编号:100125531(2008)
0720016204
+
段雄英(1974—),女,副教授,博士,从事智能化高压电器及高电压新技术的研究。
DesignofSynchronousControllerforPermanent
MagneticActuatorBasedonIPM
DUANXiongying, TIANHaisong, HUANGZhihui, LIAOMinfu(DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)
Abstract:TakingDSPascore,asynchronouscontrollerforpermanentmagneticactuatorbasedonintelligent
powermodule(IPM)wasdesigned.Thecontrolstrategy,photo2couplerisolation,protection,functionofIPMwereexpounded.Thesystemformandactionstrategyofcircuitbreakerwereintroduced,anddesignofsoftware/hard2warewasgiven.Thecontrollercanreducetransientimpactssuchasinrushcurrentandover2voltagecausedbyswitchingoperation,andcanimproveelectricalenergyquality.
Keywords:controlledswitching;inteligentpowermodule(IPM);digitalsignalprocessor(DSP)
0 引 言
同步开关(也称相控开关)技术是指以系统电压或电流为参考信号,控制开关的触头在期望的相位合闸或分闸,以减小开关操作暂态过程、提高电能质量、提高短路分断能力、延长开关寿命的智能控制技术。目前,在高压和超高压领域得到越来越广泛的使用,并取得了较好的效果有益的尝试
[3]
[1,2]
简化设计,提高系统可靠性
[4]
。
1 硬件结构与设计
图1为永磁机构同步控制系统硬件结构图,
同步控制系统主要由主控模块、信号处理采集模块和电子驱动模块3部分组成。系统的工作流程如图2所示,其动作过程如下:信号处理采集模块采集电号后送入主控模块计算过零点,在接到分合闸命令时计算各相分合闸所需的延迟时间;延迟时间到之后,给出触发命令,电子驱动模块中的IPM导通,使放电回路导通,储能电容器对断路器线圈放电,使断路器动作。当断路器动作完成之后关闭IPM,切断电容器的放电回路,使电容器上留有电量,以备下次操作之用。
。
国内已在同步操作技术的理论与实践方面进行了
。
本文以双稳态永磁机构的真空断路器为对象,采用以DSPTMS320LF2407A为核心的同步控制系统,集IGBT模块及其驱动和保护于一身的智能功率模块(IntelligentPowerModule,IPM),可
田海松(1983—),男,博士研究生,从事智能化高压电器的研究。黄智慧(1982—),男,博士研究生,从事智能化高压电器的研究。
廖敏夫(1975—),男,副教授,博士生导师,博士,从事高电压新技术及智能化高压电器的研究。
—16—
・智能电器及计算机应用・
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通用低压电器篇
图3 电子驱动装置电路图
图1 选相控制系统的硬件结构图
作用)组成。正常状态下,DSP控制MOSFET
(IFR840)导通,电源对电容处于浮充状态;若接到操作指令,正常情况下,DSP不关断MOSFET,通过HCPL4504给IPM相应的逻辑电平以控制电容器C对励磁线圈L放电,使断路器完成分(合)闸动作;若出现故障,则关断MOSFET实现闭锁,以防止误动作。
1.3.2 永磁机构的驱动控制图2 同步控制系统的工作流程
永磁机构的驱动控制是电子驱动模块完成的最主要功能,驱动部分主要由图3中的储能电容器C、放电线圈L、IPM功率模块组成。通过IPM模块中IGBT的可控关断,保证储能电容器的一次储能完成一次完整的C2O2C操作。
本文所选IPM为三菱公司生产S21867智能功率模块,额定电压600V,额定电流30A,峰值电流为两倍额定电流(即60A)。该款智能功率模块采用第5代IGBT工艺,内置优化后的栅级驱动和保护电路,封装为超小型体积
[5]
1.1 主控模块
主控模块(或称同步控制器)是整个同步控制系统的核心部分,所用的核心处理器要完成有限冲激响应(FIR)数字滤波、同步延迟时间的计算,以及控制、人机接口等功能,工作量较大。主控模块由DSP、外部RAM、人机接口组成,它实时判断输入信息,收到分合闸指令时按预定算法给出触发信号,控制断路器在所期望的相位动作。1.2 信号处理采集模块
信号处理采集模块由模拟信号调理、逻辑控制与数字采集单元组成,主要完成参考信号的采集和调理。由于参考信号零点检测精度的要求较高,又必须对系统的三相电压同步采样才能正确反映信号之间的相位关系,因此,本文使用14位自带多路开关与采样/保持电路的ADCMAX125,使用GAL20V8B对MAX125进行启动、读写、寻址等逻辑控制。1.3 电子驱动模块
电子驱动模块完成的功能包括:储能电容的充电控制、接收到主控模块的操作命令后驱动永磁机构动作。图3为电子驱动模块原理图。1.3.1 储能电容的充电控制
。
根据系统的实际需要,设计和实现了IPM的逻辑控制、驱动隔离、缓冲电路、过流保护以及过热保护功能。
(1)控制逻辑。采用
GAL20V8B和
74HC245作为控制IPM逻辑控制器件。由GAL20VB提供相应的逻辑控制信号,一方面,输
入相应的报警信号,逻辑操作之后送入DSP;另一方面,由DSP产生相应的驱动信号,通过74HC245输出,这里74HC245作为缓冲器及输出
信号的使能控制(见图4)。具体控制策略如下:①由GAL20V8B产生逻辑控制,断路器每相的分合闸信号经GAL20V8B异或后输出,输出给74HC245,由74HC245输出控制后级光耦HC2PL4504导通与否控制IPM导通和关断;②由于
储能电容的充电电路由AC/DC高频开关电源、放电储能电容器C、保护二极管IN5399和光电耦合器TLP250(起电气隔离及驱动MOSFET的
分合闸线圈放电电容共用一个大容量电容器,故动作前要切换分合闸放电回路,本系统采用继电
—17—
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器来切换分合闸,在每次分合闸之前动作,切换放
电回路;③当发现实时反馈断路器分合闸状态异常时,通过I/O口和外部电平信号逻辑控制74HC245的使能端(即EN),使74HC245处于高阻态,封锁了分合闸信号及继电器的动作信号。确保系统安全,同时报警等待故障处理。
图6 IPM的缓冲保护电路
时电流所对应的门限电压,若超过门限电压,则比较器跳变,输出报警信号,通过74HC245的逻辑转换送到DSP中,等待DSP处理,决定是否关断IPM。
图4 IPM的控制逻辑
图7 IPM的过流保护电路 (2)驱动隔离。控制端与驱动端通过高压隔离光耦HCPL4504隔离,图5为HCPL4504与IPM模块的接口电路。IPM模块内置了驱动单元,无需外加驱动单元,只需提供相应的逻辑电平即可实现内部IGBT的导通和关断。 (5)过热保护电路。PS21867无过热保护,为了防止其热损坏,设计了如图8所示的过热保护电路,采用MAXIM6510作为温度传感器,它可将热信号转化成相应的电信号,通过外围电路转化成电压信号。本设计通过电位器设置门限温度,超过门限值则输出过热报警信号,通过74HC245的逻辑转换送到DSP中,等待DSP处理,决定是否关断IPM。
图5 HCPL4504与IPM模块的接口电路
(3)缓冲保护电路。断路器的线圈为典型的感性负载,这里采用的断路器为双线圈的永磁机构,当关断线圈的放电回路时,在IPM会产生几倍于放电电容器上的反压,当反压大到一定时,很可能会击穿IPM,故采取相应的吸收缓冲电路是非常必要的。但由于动作的频率很低,动作的间隔为秒级,故普通的吸收电路即可满足应用,采用了由无感吸收电容、快速恢复二极管和无感电阻构成的吸收电路(见图6)。
(4)过流保护电路。虽然PS21867有过流保护,但不适用本系统的设计,需外加过流保护电路。图7为设计的保护电路,用霍尔电流传感器检测电流,转换成电压信号,事先设置好安全工作—18—
图8 IPM的过热保护电路
(6)报警信号的响应和处理。具体过程如下:当过热或过流信号超过阈值电压时,图8中的比较器输出由低电平跳变成高电平,输出到图9所示的6N137的输入端,该信号约为5V高电平,加上510Ω限流电阻,发光二极管点亮导通,则报警信号输出为低电平。将此低电平作为前面提到的GAL20V8的输入,产生相应的逻辑电平,该逻辑电平输入到DSP的功率驱动保护引脚,产生一个中断,DSP通过极短暂的延时判断是否依然为故障电平。若是,则发出相应的动作信号;若不
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180°。CPU实时检测uA的过零点OC,在tcc时刻
收到合闸指令后按下式分别计算出图10所示的目标相位闭合触头所需的三相最小延时:
tdA=1/2f-[tclAmod(1/2f)]+10.0 tdB=1/2f-[tclBmod(1/2f)]+8.33
图9 光耦6N137的报警信号输出电路
(1)
tdC=1/2f-[tclCmod(1/2f)]+5.00
是,则不做处理,认为为干扰信号。
2 软件算法与实现
2.1 同步控制策略
式中:f为电网频率;tclA、tclB、tclC为断路器的三相
合闸时间;mod表示取余数运算。为使下一次动作时间预测值TC1尽可能接近实际值,对前10次合闸时间数据Ti进行加权滤波,即
9
同步操作技术的实质就是控制断路器在期望的电压或电流相位处关合或分断。本文以无功补偿时投入星形中性点不接地电容器组为例,分析在参考电压过零点处同步合闸的控制策略。由理论分析,合闸时一般的投入顺序为:在某两相电压相等时同时投入该两相的电容器组,在90°后中
[6]
性点电压和第3相同时过零,关合第3相。这种关合策略的不足之处在于:在工程实现中,由于断路器关合相位误差,可能导致首合两相之间电压出现较大的偏差,从而产生较大的涌流和过电压。本文采用改进的首合两相分开关合策略,具体控制策略是:选择C相断路器在其电压过零点处关合,然后将B相断路器在其相电压uB与C相相电压uC相等时投入,最后将A相断路器在自身相电压uA过零点处投入。该方法削弱了断路器的动作分散性对关合效果的影响,减小了关合过程对合闸线圈控制电压及A相控制系统电源的干扰。图10为以uA为参考信号的同步关合时序图。图中:Oc为参考电压的过零点;tzero为过零点对应的时刻
[7,8]
TCl=
∑CT
i
i=0
i
(2)
式中,Ci为加权系数,Ci=2
-(10-i)
,要注意的是,
若由于故障导致某次数据越限,则舍弃不计。2.2 系统的程序流程
图11为系统程序流程图,在DSP的控制下主要完成两个任务:①DSP控制MAX125的启动和转换,将MAX125采集好的数据送到DSP中进行FIR滤波运算,计算出相应的电参数,得出系统的过零点,由此置相应的标志位,供系统实现同步操作之用;②等待就地或远端的分合闸信号,在收到分合闸信号之后计算三相断路器延迟触发时间,开始倒计时,时间到,依次触发三相断路器。
。
图11 主程序与中断采样流程图
对于电容器组的同步切除或者电抗器、变压
图10 同步关合时序图
相对于零点A0,三相合闸相位分别滞后60°
(50Hz系统对应的时间间隔为3.33ms)、90°和
器的同步投切,延时算法因其电气特性差异而会
[9]
所改变,可将对应的控制策略固化在软件程序中,根据现场需要调用。
(下转第49页)
—19—
・电能质量・
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压测定法。经仿真验证证明,该方法对不平衡三相四线制负载系统是一种很好的无功电流和谐波电流检测方法,既适用于三线四线制非平衡负载系统,也可用于单相非线性负载的谐波和无功电流检测,且具有算法简单可靠、便于实现及应用的特点,对APF推广具有重要的意义。
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3 结 语
(1)以TMS320LF2407A为核心组成同步控制系统,采用FIR滤波算法提取信号的相位信息,
配合动作分散性小的永磁机构真空断路器,设计和实现了同步投切控制器。
(2)采用大容量电容器对断路器线圈放电的方式来驱动断路器动作,控制电容器导通的开关为IGBT,通过IGBT的可控关断,保证储能电容器的一次储能完成一次完整的C2O2C操作,减少同步开关控制器中储能电容器的数量。采用集IG2BT模块及其驱动和保护于一身的IPM(智能功率模块),简化了设计,提高系统可靠性。
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