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信平电子变压器:浅谈采用DSP的谐波控制器的设计方案

2018-10-22 09:24:01 德州信平电子有限公司 阅读

当今电力体系中的电能质量问题越来越突出,一方面,大量敏感性负荷对电能质量的要求越来越高,而另一方面,越来越多的非线性负荷不断接入电网,使电力体系整体的电能质量状况不断恶化。

谐波是电能质量中很重要的一个方面,谐波的存在对电力体系发作的危害有以下几个方面:

1)可能使电力体系继电保护设备和主动设备发作误动或拒动;

2)使各种电气设备发作附加损耗和发热,使电机发作机械振动及噪声;

3)谐波电流在电网中流动增加损耗,影响电网及各种电气设备的经济运转;

4)谐波电流经过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用,对周围的通讯体系发作搅扰;

5)谐波使电网中广泛运用的各种丈量外表发作差错;

6)增加了电网中发作谐波谐振的可能,然后构成很高的过电流或过电压而引发事端的危险性。

跟着谐波污染的日益严重和对电能质量要求的进步,对谐波按捺的要求也越来越高,怎么依据现场的谐波污染状况进行滤波器的投切也变得愈加重要。针对这种状况,研发了一种谐波操控器,它能够对现场的谐波和无功等进行监测,依据现场谐波状况对滤波器进行主动投切,到达按捺谐波、改善电能质量的目的。下面介绍依据DSP芯片TMS32LF2407的谐波操控器的硬、软件规划。

1 谐波操控器的硬件规划

谐波操控器的基本原理是实时对电流、电压进行采样,将采到的数据经过D5P进行数据剖析后,得到现场谐波的状况,然后决议计划是否对滤波器进行投切。

美国TI公司出产的TMS32LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定点DSP,该系列DSP操控器将实时信号处理才能和操控器外设功能集于一 身,特别适合于工业操控应用。其芯片供电电压为3.3V,降低了操控器的功耗。高达40M 1PS的履行速度(作业最高频率为40MEz),片内有32K字的Flash程序存贮器,544字的DARAM和2K字的SARAM,能够外扩存贮器总共有:194K字空间,片内集成了看门狗(WDT);供给多达16路模仿输入的10位A/D,最小转化时刻为375ns;高达40个可独自编程或复用的通用输入/输出引脚。具有低本钱、低功耗、高速运算才能和高性能处理才能的长处。因而,该DSP芯片能够满意作为此体系主控芯片的要求。

此硬件电路首要包含采样电路、中央处理单元、复位电路、键盘和液晶显示功能、履行机构等几个部分。下面就硬件电路设汁中要特别留意的当地进行论述:

1.1 采样电路

因为TMS32LF2407芯片的AD采样最大只能送入3.3V的电压信号,因而,在将电流、电压信号送到AD口之前要经过电流互感器和电压互感器进行调度,为了使引进的信号免受外界的搅扰,互感器类型的挑选和调度电路的抗千扰要特别地留意。此外,采样电路还应该要留意的一点是:因为TMS32LF2407的AD口很脆弱,也就是说AD口不能送入峰值超越3.3V的电压信号,不然AD口将被烧坏,因而,最好增加一个限幅电路。详细的调度电路如图2所示。

1.2 过零检测电路

为了使主芯片能够完成同步采样,进而进步数据处理的真实性,因而,在电路中应该参加过零检测电路。过零检测电路也就是方波发作电路,它对谐波剖析同步采样起着很重要的作用。它将电压信号变为同频率的方波信号,DSP经过捕获方波的上升沿来盯梢电网频率,为确保同步采样供给了条件。详细的检测电路如图3所示。

1.3 履行单元

在履行单元中,继电器的供电电源是12V,而DSP的供电电源和IO口输出的高电平为3.3V,为避免高于3.3V的电压引进DSP,导致DSP的损坏,继电器操控信号的输出选用了光耦器材817进行阻隔,继电器开关侧运用了阻容吸收电路来减小在开关开合时的冲击。详细电路如图4所示。

2 谐波操控器的软件规划

软件规划的中心就是对信号中的谐波重量进行剖析,DSP在两个信号周期采样128个点,依据这些采样点进行快速付里叶改换(FFT)运算,然后剖析得到信号中谐波的含量。谐波重量的剖析精度取决于FFT的精度和同步采样。当采样频率是信号频率的整数倍时,即完成同步采样,选用矩形切断,并用FFT算法进行频谱剖析,不会发作任何走漏现象,能够准确重现信号频谱。如果能主动到达同步采样,对算法自身的要求就不需求太高,因为,同步采样后选用矩形窗进行FFT,矩形窗就意味着采样的数据能够直接作为FFT子函数的输入。过零检测电路就是为了完成同步采样,DSP捕获方波电路发作的方波上升沿,能够求出方波频率即信号频率。依据此频率可断定采样时刻和两点间的采样间隔时刻(两次AD转化之间的时刻),经过这个办法就叮以完成同步采样,获得准确的频谱。每次FFT运算前都会从头依据实践电网状况改动采样策略,在几个周期内对电网频率的改变敏捷作出反应,这样进步丈量的可靠性和实吋性。

沟通电压u(t)及电流信号i(t)每个周期进行N次采样,测得的离散值为u(n)、i(n),得到的离散化电压、电流有效值和有功功率核算公式为(N为采样点数)

依据P=UIcosθ能够求出功率因数,进而求得无功。依据FFT的成果能够得出各次谐波的含量,经核算能够得到总的谐波畸变率(THD),为DSP操控继电器投切滤波器供给了依据。

3 抗搅扰规划

搅扰首要有传导型和辐射型两大类,前者表现为搅扰电流和电压,后者表现为搅扰电场和磁场。影响智能脱扣器的搅扰源有用电设备的浪涌电流;对讲机、手机等发作的射频辐射;智能脱扣器内部的开关电源和斩波开释电路等。这些搅扰源的存在导致程序死掉,将搅扰信号引进电流电压,然后使数据剖析成果与实践距离较大,引起继电器误投切。为了削减千扰的影响,需求在硬件和软件上采纳相应办法。

3.1 硬件抗搅扰

采纳的办法有:

1)合理布线,使数字电路地和模仿电路地共点接为悬浮作业办法,即体系各回路的基准电位互相衔接在一起而不与大地相连,这样体系有较强的抗搅扰才能;

2)模仿电路地和数字电路地分隔接地,最后再汇合到一点;斩波泄放电路在启动作业后,呈现很高的瞬态搅扰,把逻辑地(主机)和模仿地(A/D)分隔后,这种搅扰就降到很低;

3)线路板和元器材表面喷绝缘层,这不仅是防潮和绝缘的需求,并且对防电磁千扰也有很重要的作用;在机壳内涂金属屏蔽层,构成等电位屏蔽,对电磁搅扰也有很大的屏蔽作用;

4)在稳压电源、阻隔变压器后侧设备滤波线路,这个滤波线路能使前方与零线中的千扰电流得到衰减;

5)弱电和强电之间常常需求阻隔,常用的阻隔办法有光电阻隔、变压器阻隔、继电器阻隔等;本体系中选用光耦器材817对DSP输出的弱电操控信号与继电器强电进行阻隔,因为光电阻隔确保了DSP与继电器间无电的直接联系,然后确保了信号的正常传递,确保了DSP的安全。

3.2 软件抗搅扰

软件上抗搅扰的办法有以下几种:

1)为了避免设备收到搅扰进入“死机”状态,在程序中参加一些监控办法 运用看门狗(watchdog)对程序进行死锁检测,在必要的时分主动复位;在未运用的中止向量区、空白程序区设置软件陷阱,逼迫程序跑飞今后能够回到正常轨迹上来;在必要的当地写入冗余指令,以调整指令长度,避免程序紊乱;

2)对采样信号进行数字滤波 首要对每一个采样点进行判别,让其与相邻值、前次值以及增值最大值进行比较,依据对称检测法、限幅检测法来判别是否为搅扰信号;对最近采样的点进行FFT核算得到的数据与前几次的数据求平均值,舍去“异类”。

此外,在数据处理的算法上进行改善,也能大大进步体系的抗搅扰才能,可是,这往往是以献身代码长度为价值的,至于怎么取舍视实践项目要求而定。

3.3 其他办法

在本体系中,DSP芯片除了进行数据收集和剖析以外,还要完成对键盘和液晶显示的操控,这样DSP的作业量非常深重,规划稍不全面就会呈现中止冲突现象,为调试带来很大的困难。为此,能够采纳在体系中增加一块单片机51芯片,用于办理键盘和液晶显示。现在单片机51芯片的价格非常廉价,体系中引进5l芯片不会导致本钱过高。因为在正常运转时分,DSP和单片机经过双口RAM进行数据沟通,其他内部的程序都不会彼此搅扰,因而,给调试带来了极大的便利,一起,最大可能地降低了程序跑飞的可能性。

4 结语

无源滤波器是按捺谐波的重要手法,它被广泛应用于电网的谐波按捺中,现在无源滤波器首要靠手艺进行投切,这样既糟蹋人力,又达不到抱负的作用,不能满意电能质量日益进步的要求。依据谁污染谁管理的原则,谐波污染也要由用户自己消除,因而,研发一种能对谐波进行监测操控的设备既便利了用户,又有宽广的市场前景。

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