唐國明，李 正，沈海鷹

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

?

船用直流框架式斷路器控制器研究

唐國明1，李 正1，沈海鷹2

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

針對(duì)傳統(tǒng)船用斷路器控制器采樣精度低、實(shí)時(shí)性差的問題，文中采用國內(nèi)船用交流框架式斷路器，并結(jié)合國外直流控制器先進(jìn)技術(shù)，提出一種新型智能控制器設(shè)計(jì)。通過分流器將直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，再由控制單元對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理，根據(jù)保護(hù)特性需求可驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該型控制器滿足三段保護(hù)要求，具有保護(hù)精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、可靠性好等特點(diǎn)。

船用直流斷路器；分流器；三段保護(hù)；智能控制器

TANG Guoming1, LI Zheng1, SHEN Haiying2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

船用直流框架式斷路器作為船舶電力系統(tǒng)中重要的控制和保護(hù)元件，具有長延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)等保護(hù)功能。在正常情況下，閉合、斷開供應(yīng)電能的電路，方便斷電、供電和轉(zhuǎn)換電路；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重過電流、過載、短路、斷相、漏電等故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，起到保護(hù)作用，以便將事故區(qū)域限制在最小范圍[1-2]。由于我國目前船用直流框架式斷路器多為固定式結(jié)構(gòu)形式，具有體積較大、通斷能力差、有飛弧距離等缺點(diǎn)，且控制器采樣精度低、實(shí)時(shí)性差，不能滿足艦用電力系統(tǒng)的需求[3-4]。因此，本文充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù)并積極吸收國外先進(jìn)技術(shù)，采用國內(nèi)船用交流框架式斷路器和國外直流控制器組合方案，對(duì)船用直流框架式斷路器控制器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足可靠性、維修性、測(cè)試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和綜合保障性設(shè)計(jì)要求。

1 主要技術(shù)指標(biāo)和要求

船用直流框架式斷路器相比一般工業(yè)用斷路器而言，主要體現(xiàn)在其耐受環(huán)境能力和對(duì)空間尺寸及重量的要求上，如耐濕熱性能、耐鹽霧性能、耐霉菌性能、耐振動(dòng)、抗沖擊性能等；此外，還需滿足電磁兼容性方面的要求。本文所設(shè)計(jì)的直流框架式斷路器的額定工作電壓高達(dá)710 V，額定電流高達(dá)2 000 A，額定極限短路分?jǐn)嗄芰?0 kA。作為2 MW變流器和1 MW逆變器的保護(hù)電器，能較好地滿足船用直流電力系統(tǒng)的需求。

該直流框架式斷路器的過載長延時(shí)保護(hù)為反時(shí)限特性，整定值為0.4-1.0Ir(Ir為斷路器額定電流，下同)，時(shí)限誤差為±15%；短路短延時(shí)保護(hù)為定時(shí)限特性，整定值為0.4-1.0Ir；短路瞬時(shí)保護(hù)要求斷路器動(dòng)作時(shí)間在20 ms內(nèi)。

2 控制器主要部分設(shè)計(jì)

船用直流框架式斷路器控制器的原理框圖，如圖1所示。主要由微控制器單元、信號(hào)檢測(cè)單元、脫扣單元、電源單元、通信單元與人機(jī)操作等部分組成。

2.1 微控制器單元(MCU)

控制器的核心是MCU，也稱芯片，根據(jù)MCU內(nèi)核總線寬度分為1位機(jī)、4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)；根據(jù)內(nèi)核數(shù)量可分為單核、雙核、四核和八核。芯片的選用主要考慮以下幾方面：(1)速度快，但無需過快。速度快是要保證數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算速度滿足控制器保護(hù)性能要求和測(cè)量精度要求，無需過快是因?yàn)樾酒呐c主頻密切相關(guān)；(2)需要A/D核。基于成本考慮，控制器一般均不用單獨(dú)A/D轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)含的A/D至少10位精度，最好12位精度，轉(zhuǎn)換速率不夠一般也不采用；(3)芯片功耗低?？刂破鲬?yīng)能在無輔助電源下正常工作，芯片的功耗尤其是待機(jī)功耗需要較低；此外，控制器工作環(huán)境溫度較高，芯片功耗低可減少芯片發(fā)熱，有助于提高控制器可靠性；(4)必須是工業(yè)級(jí)的，最好選用汽車級(jí)芯片。從EMC角度考慮，MCU外圍元件盡量少；但由于設(shè)計(jì)功能較多，要求MCU具有選擇資源豐富、運(yùn)行速度較快、功耗低等特點(diǎn)[5-6]。因此，本設(shè)計(jì)采用ST公司32位ARM芯片STM32系列中的F103RE，此芯片已廣泛用于工業(yè)和汽車電子領(lǐng)域[7]。

2.2 信號(hào)檢測(cè)單元

控制器電流檢測(cè)的準(zhǔn)確度，直接關(guān)系到控制器的保護(hù)精度。只有線性度較好的信號(hào)，才能保證電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。直流電流信號(hào)檢測(cè)可采用以下方法：(1)霍爾電流傳感器檢測(cè)；(2)直流電流互感器檢測(cè)；(3)分流器間接檢測(cè)；考慮到(1)和(2)需要供給交流輔助電源，若輔助電源斷相或斷電，就會(huì)使互感器激磁電流消失或激磁電流波形出現(xiàn)缺口，因而出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)或失去保護(hù)；又由于(3)無需外圍電路，可將其內(nèi)置于斷路器內(nèi)部，因此減少了對(duì)器件的干擾，電磁兼容設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)[8-9]。根據(jù)研制方案，采用分流器作為信號(hào)檢測(cè)單元，由于分流器接在母排正級(jí)，電路必須隔離。圖2為分流器電流信號(hào)隔離處理電路，采用隔離A/D采樣芯片HCPL-7860，將小模擬信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由HCPL-0872進(jìn)行數(shù)字信號(hào)管理，通過SPI總線傳入MCU中，再通過軟件進(jìn)行相應(yīng)的接收和處理[10]；目前美國URC直流斷路器控制器就采用此種技術(shù)進(jìn)行分流器電流信號(hào)隔離。

圖2 分流器電流信號(hào)隔離處理電路

2.3 脫扣單元

脫扣電路是直流框架式斷路器控制器的執(zhí)行單元，其接收控制器發(fā)出的脫扣指令,控制磁通變換器中的電磁鐵的吸合，使斷路器動(dòng)作。由于脫扣電路的穩(wěn)定性、可靠性關(guān)系到整個(gè)脫扣器的性能，因此要求脫扣電路具有抗干擾、工作可靠等特性。脫扣電路如圖3所示，驅(qū)動(dòng)元件需用漏極電流大于磁通變換器線圈電流的MOSFET管來實(shí)現(xiàn)，中間加入了一個(gè)低功耗電壓比較器LM293D的目的是防止脫扣指令誤動(dòng)作，保證工作可靠[11]。

圖3 脫扣單元實(shí)現(xiàn)電路

2.4 電源單元

控制器采用雙電源供電，主供電電源采用外部直流710 V，輔助電源采用直流24 V；另外直流信號(hào)調(diào)理電路DC-DC隔離模塊需要5 V供電電壓、微控制器單元MCU需要3.3 V供電電壓。因此，設(shè)計(jì)了24 V轉(zhuǎn)5 V實(shí)現(xiàn)電路及5 V轉(zhuǎn)3.3 V實(shí)現(xiàn)電路，分別如圖4和圖5所示，由于使用環(huán)境中共模干擾較多，L2、L3、L4的作用均為限制共模干擾。

圖4 24 V轉(zhuǎn)5 V實(shí)現(xiàn)電路

圖5 5 V轉(zhuǎn)3.3 V實(shí)現(xiàn)電路

3 控制器軟件實(shí)現(xiàn)

圖6所示為控制器軟件主程序框圖，其采用查詢的方式進(jìn)行保護(hù)判斷、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)處理，采用中斷的方式進(jìn)行A/D采樣、通信收發(fā)和定時(shí)。中斷優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋憾〞r(shí)器0>A/D采樣>通信收發(fā)>定時(shí)器1。上電后系統(tǒng)初始化，根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出長延時(shí)整定值Ir1、短延時(shí)整定值Ir2、瞬時(shí)整定值Ir3、長延時(shí)時(shí)間T1、短延時(shí)時(shí)間Ts；根據(jù)A/D采樣值進(jìn)行保護(hù)判斷及是否發(fā)出脫扣指令，此外還會(huì)實(shí)時(shí)更新按鍵處理顯示信息、時(shí)間信息及與上位機(jī)通信情況。

圖6 控制器軟件主程序框圖

斷路器的保護(hù)判斷在A/D中斷中進(jìn)行，當(dāng)電流超過長延時(shí)限流值，能量開始累積，超過限值時(shí)，實(shí)現(xiàn)長延時(shí)反時(shí)限保護(hù)；當(dāng)電流超過短延時(shí)限流值，開始延時(shí)到時(shí)間限值，實(shí)現(xiàn)短延時(shí)定時(shí)限保護(hù)；當(dāng)采樣點(diǎn)超過瞬動(dòng)限時(shí)，立即進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。

斷路器對(duì)外支持Modbus通信和CAN2.0通信，Modbus通信最高支持19 200 bit·s-1速率，可設(shè)置地址范圍1～100，CAN2.0通信最高支持500 kbit·s-1速率。

可實(shí)現(xiàn):(1)遙測(cè)，遠(yuǎn)程讀取電壓、電流、功率等信息；(2)遙訊，報(bào)警、故障脫扣、分合閘狀態(tài)、設(shè)定參數(shù)；(3)遙調(diào)，遠(yuǎn)程保護(hù)參數(shù)修改。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該2 000 A智能型船用直流框架式斷路器作為2 MW變流器和1 MW逆變器的保護(hù)電器，要求過載長延時(shí)保護(hù)具有反時(shí)限特性、短路短延時(shí)保護(hù)具有定時(shí)限特性，瞬時(shí)保護(hù)需在20 ms內(nèi)動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別如表1～表3所示。

表1 長延時(shí)保護(hù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 短延時(shí)保護(hù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 短路瞬時(shí)保護(hù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文介紹了直流框架式斷路器控制器的設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的直流電流信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)精確度高。同時(shí)對(duì)部分關(guān)鍵硬件電路也進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)性能良好，滿足GJB354A-99《艦用直流(大電流)空氣斷路器通用規(guī)范》和GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》的要求。

[1] 劉學(xué)軍.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 李中午.控制電器及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.[3] 何瑞華,尹天文.我國低壓電器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電器與能效管理技術(shù),2014(1):1-10.

[4] 孫昊,榮命哲,馬瑞先,等.空氣介質(zhì)直流斷路器的現(xiàn)狀[J].電器與能效管理技術(shù),2013(20):8-10.

[5] Tidon H Glisson.Introduction to circuit analysis and design[M].Berlin:Springer,2011.

[6] ST Microelectronics,Inc.EMC design guide for ST microcontrollers[EB/OL]. (2010-12-07)[2015-08-11]www.stmicroelectronics.com.cn.

[7] 李佳.ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[8] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[9] 孫可平.電磁兼容性與抗干擾技術(shù)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2006.

[10] 丁志杰,趙宏圖,梁淼.數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[11] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

Research on Controller in the Frame Direct Current Breaker for Ships

In view of the traditional breaker for ship with low sampling precision and poor real-time performance, this article combines the alternate current breaker in frame type used in domestic ship and direct current controller of advanced foreign technology, and presents a new intelligent controller scheme. The Dc current signal is converted to the millivolt signal though a diverter, and then the signal is processed by the control unit for the intelligent controller to drive the movement of actuator according to the requirements of protective properties. The results show that the intelligent controller satisfies the requirements of three periods of protection with its high precision, wide range of adjustment and high reliability.

direct current breaker for ship; diverter; three periods of protection; intelligent controller

2016- 01- 03

滬江基金資助項(xiàng)目(B1402/D1402)

唐國明(1987-)，男，碩士研究生。研究方向：船用電器自動(dòng)化。李正(1976-)，男，博士，講師。研究方向：電機(jī)拖動(dòng)等。沈海鷹(1968-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船用電器元件與成套裝置。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.008

TM561

A

1007-7820(2016)10-026-04