摘要：塑壳式断路器的瞬动脱扣特性实验中，为确保电流中非周期分量最小，必须采用选相合闸技术。本文对选相合闸技术进行了理论分析，并针对舰船塑壳式断路器瞬动校验试验，设计了以DSP及工控机为核心的选相合闸装置。该装置应用于塑壳式断路器瞬动校验设备中，可较好的消除实验电流的非周期分量。
关键词：塑壳式断路器 瞬动校验 DSP 选相合闸
中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0102-02
引言
塑壳式断路器是舰船配电网中的一种重要保护开关，作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保护舰船用电设备的安全运行。塑壳式断路器除了具有手动分合电路的功能外，还具有过流保护和瞬动保护（短路）的功能。在对塑壳式断路器进行瞬动脱扣试验时，根据IEC60947—2及GBl4048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》等国家标准规定，要求通过瞬时过电流脱扣器的试验电流应对称，即基本上没有直流分量。这就需要在电源回路中采用选相合闸的控制方法，减少试验电流中非周期分量的产生。
1 选相合闸技术分析
由于断路器校验回路中存在功率因数角，不同的功率因数角会产生不同幅值的非周期分量，而叠加的非周期分量对校验结果影响较大低压电器试验中，设输入电压按正弦规律变化，用选相合闸开关在变压器副方突然短路，此时的状况与R、L串联电路突然接到正弦电压上去的情况相似。具体简化等效电路如（图l）所示。
（图1）中，U为试验端口电压；R为短路电阻；L为短路电感；S表示选相合闸开关。
设电网容量很大，短路电流没有引起电网电压下降，突然短路时电路的微分方程如下：
式中为合闸时的初相角。
解此常系数微分方程可得：
式中表示突然短路电流稳态分量的瞬时值；为突然短路电流稳态分量幅值；表示突然短路电流暂态分量的瞬时值；为暂态电流衰减的时间常数；为与的相位差，即实验回路的功率因数角；C为待定积分常数，由初始条件决定。
在进行短路分断试验时，t=0，，因此
从式（3）可见，突然短路电流的大小与电压的初相角和与的相位差有关。按两种情况分析：
（1）当=时发生突然短路，暂态分量为零，突然短路一发生就进人稳态，短路电流最小，其值为
（2）当时突然发生短路，
当时，短路电流达到最大瞬时值。
从上述分析可知，当合闸角等于实验回路的功率因数角时，非周期分量为零，实验回路为标准的正弦波。因此，利用选相合闸装置，在电源的相角等于实验回路的功率因数角时合闸接通电源回路，可以有效消除非周期分量的影响，提高断路器瞬动实验的准确性。
2 选相合闸装置的设计与实现
2.1 选相合闸装置的设计
该选相合闸装置由执行器和控制器组成。执行器的主要器件是连接在主电路中起开关作用的IGBT功率器件。控制器的主要作用是控制执行器动作，其核心部件是DSP和工控机。电压同步信号为方波信号，它为选相合闸提供时间基准。具体原理如（图2）。
2.2 执行器
为了准确的进行相位控制，本文电流是由IGBT组成的逆变器产生的，波形产生的相位角初值是精确可控制的，具体电路图如（图3）。开关元件选用的是绝缘栅双极性晶体管IGBT，它是一种MOS结构的新型可关断电力电子器件，它与其它电力电子器件相比，具有耐压高、电流大、频率高、导通电阻小、控制功率小、多功能、使用方便诸多优点。
本设计中拟采用德国英飞凌公司的IGBT智能功率模块，以满足交流侧与直流侧电压的等级要求，由于IGBT内设低损耗电流传感器，该模块可以对如桥臂直通、对地短路等故障提供良好的保护功能没，避免功率器件被烧毁的危险。
2.3 控制器及控制原理
2.3.1 控制器
DSP微处理器系统采用TMS320F240的DSP芯片开发所需要的系统及外围电路，实现数字化控制，可以用较少的时间完成高质量的控制任务。TMS320F240芯片将高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于单片之中，从而成为传统的多微处理单元和昂贵的多片设计的理想替代。
2.3.2 控制原理
本文采用AD转换速率快，精度高和中断周期短的DSP作为下位机进行数据采集存储及合闸控制。工程试验时先用较小的电流（例如30%大小的电流）进行较长一点时间的闭环电流试验以求达到一个稳态，由工控机的Windows程序进行数据处理，通过对采样电压和电流进行FFT变换，计算出负载的功率因数和阻抗角，以及阻抗大小，然后根据要求给DSP发送合闸命令。DSP接到命令后根据前期测得的合闸相角（由FFT变换求得）计算延时时间，驱动IGBT在合适相位导通，从而使输出的电流波形和给定相一致，精确度可在5%以内。控制系统流程如（图4）所示。
3 结语
本文通过对选相合闸技术进行理论分析，提出了以TMS320F240的DSP芯片和工控机为核心，以IGBT功率组件为开关器件的选相合闸装置的设计和实现，将该选相合闸装置应用于舰船塑壳式断路器瞬动实验设备中，使输出的试验电流波形的非周期分量得到有效消除，经实验证明试验电流的失真度 参考文献
[1]苗本健，何东升.低压电器试验中选相合闸开关的应用[J].低压电器，2009（17）：51-52.
[2]杜太行，王晓义，曲炳锋，董志然.塑料外壳式断路器瞬动校验电流选相合闸技术[J].低压电器，2008（8）：50-53.
[3]石立平，方鸿发.交流接触器选相分合闸控制器[J].低压电器，1991（2）.
[4]杜太行，弭艳芝，刘鑫，等.断路器瞬动特性检测技术的研究[J].电工技术杂志，2003（8）：36-39.
[5]崔洪庆.选相开关在实际应用中一些问题的探讨[J].华通技术，1994（4）：45-47.
摘要：塑壳式断路器的瞬动脱扣特性实验中，为确保电流中非周期分量最小，必须采用选相合闸技术。本文对选相合闸技术进行了理论分析，并针对舰船塑壳式断路器瞬动校验试验，设计了以DSP及工控机为核心的选相合闸装置。该装置应用于塑壳式断路器瞬动校验设备中，可较好的消除实验电流的非周期分量。
关键词：塑壳式断路器 瞬动校验 DSP 选相合闸
中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0102-02
引言
塑壳式断路器是舰船配电网中的一种重要保护开关，作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保护舰船用电设备的安全运行。塑壳式断路器除了具有手动分合电路的功能外，还具有过流保护和瞬动保护（短路）的功能。在对塑壳式断路器进行瞬动脱扣试验时，根据IEC60947—2及GBl4048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》等国家标准规定，要求通过瞬时过电流脱扣器的试验电流应对称，即基本上没有直流分量。这就需要在电源回路中采用选相合闸的控制方法，减少试验电流中非周期分量的产生。
1 选相合闸技术分析
由于断路器校验回路中存在功率因数角，不同的功率因数角会产生不同幅值的非周期分量，而叠加的非周期分量对校验结果影响较大低压电器试验中，设输入电压按正弦规律变化，用选相合闸开关在变压器副方突然短路，此时的状况与R、L串联电路突然接到正弦电压上去的情况相似。具体简化等效电路如（图l）所示。
（图1）中，U为试验端口电压；R为短路电阻；L为短路电感；S表示选相合闸开关。
设电网容量很大，短路电流没有引起电网电压下降，突然短路时电路的微分方程如下：
式中为合闸时的初相角。
解此常系数微分方程可得：
式中表示突然短路电流稳态分量的瞬时值；为突然短路电流稳态分量幅值；表示突然短路电流暂态分量的瞬时值；为暂态电流衰减的时间常数；为与的相位差，即实验回路的功率因数角；C为待定积分常数，由初始条件决定。
在进行短路分断试验时，t=0，，因此
从式（3）可见，突然短路电流的大小与电压的初相角和与的相位差有关。按两种情况分析：
（1）当=时发生突然短路，暂态分量为零，突然短路一发生就进人稳态，短路电流最小，其值为
（2）当时突然发生短路，
当时，短路电流达到最大瞬时值。
从上述分析可知，当合闸角等于实验回路的功率因数角时，非周期分量为零，实验回路为标准的正弦波。因此，利用选相合闸装置，在电源的相角等于实验回路的功率因数角时合闸接通电源回路，可以有效消除非周期分量的影响，提高断路器瞬动实验的准确性。
2 选相合闸装置的设计与实现
2.1 选相合闸装置的设计
该选相合闸装置由执行器和控制器组成。执行器的主要器件是连接在主电路中起开关作用的IGBT功率器件。控制器的主要作用是控制执行器动作，其核心部件是DSP和工控机。电压同步信号为方波信号，它为选相合闸提供时间基准。具体原理如（图2）。
2.2 执行器
为了准确的进行相位控制，本文电流是由IGBT组成的逆变器产生的，波形产生的相位角初值是精确可控制的，具体电路图如（图3）。开关元件选用的是绝缘栅双极性晶体管IGBT，它是一种MOS结构的新型可关断电力电子器件，它与其它电力电子器件相比，具有耐压高、电流大、频率高、导通电阻小、控制功率小、多功能、使用方便诸多优点。
本设计中拟采用德国英飞凌公司的IGBT智能功率模块，以满足交流侧与直流侧电压的等级要求，由于IGBT内设低损耗电流传感器，该模块可以对如桥臂直通、对地短路等故障提供良好的保护功能没，避免功率器件被烧毁的危险。
2.3 控制器及控制原理
2.3.1 控制器
DSP微处理器系统采用TMS320F240的DSP芯片开发所需要的系统及外围电路，实现数字化控制，可以用较少的时间完成高质量的控制任务。TMS320F240芯片将高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于单片之中，从而成为传统的多微处理单元和昂贵的多片设计的理想替代。
2.3.2 控制原理
本文采用AD转换速率快，精度高和中断周期短的DSP作为下位机进行数据采集存储及合闸控制。工程试验时先用较小的电流（例如30%大小的电流）进行较长一点时间的闭环电流试验以求达到一个稳态，由工控机的Windows程序进行数据处理，通过对采样电压和电流进行FFT变换，计算出负载的功率因数和阻抗角，以及阻抗大小，然后根据要求给DSP发送合闸命令。DSP接到命令后根据前期测得的合闸相角（由FFT变换求得）计算延时时间，驱动IGBT在合适相位导通，从而使输出的电流波形和给定相一致，精确度可在5%以内。控制系统流程如（图4）所示。
3 结语
本文通过对选相合闸技术进行理论分析，提出了以TMS320F240的DSP芯片和工控机为核心，以IGBT功率组件为开关器件的选相合闸装置的设计和实现，将该选相合闸装置应用于舰船塑壳式断路器瞬动实验设备中，使输出的试验电流波形的非周期分量得到有效消除，经实验证明试验电流的失真度 参考文献
[1]苗本健，何东升.低压电器试验中选相合闸开关的应用[J].低压电器，2009（17）：51-52.
[2]杜太行，王晓义，曲炳锋，董志然.塑料外壳式断路器瞬动校验电流选相合闸技术[J].低压电器，2008（8）：50-53.
[3]石立平，方鸿发.交流接触器选相分合闸控制器[J].低压电器，1991（2）.
[4]杜太行，弭艳芝，刘鑫，等.断路器瞬动特性检测技术的研究[J].电工技术杂志，2003（8）：36-39.
[5]崔洪庆.选相开关在实际应用中一些问题的探讨[J].华通技术，1994（4）：45-47.