CN108321797A - 基于高频斩波技术的船舶用220v单相交流智能配电装置 - Google Patents

基于高频斩波技术的船舶用220v单相交流智能配电装置 Download PDF

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章建峰
杨祯
王文彬
戴训龙
邵晓华
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Abstract

本发明公开了一种基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，主要由功率开关、缓冲电路、电压与电流检测调理电路、驱动电路等组成，能够快速分辨负载侧短路、冲击及过载等工况，当负载侧发生短路时，能够在微秒级时间内消除短路影响，当负载侧出现大电流冲击时，同样能够在微秒级时间内对负载电流进行抑制直至冲击消失。此外，该配电装置亦能够对相应配电支路的运行状态进行实时监测，并通过CAN网络向上级监控系统传输运行参数、故障信息等，同时接收上级监控系统发送的开关命令。该配电装置具有无触点、无电弧、无噪声、响应快等优点，可实现船舶220V配电系统的全面智能化。

Description

基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置
技术领域
本发明属于船舶智能配电领域，具体涉及基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，尤其是一种船舶用220V直流智能配电装置系统的硬件电路结构和控制策略方法。
背景技术
智能配电装置是集继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态配电装置，具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、对负载特性智能区分以及便于计算机远程控制等优点。
船舶领域目前仍主要采用继电器、断路器、熔断器等传统器件进行配电，这种常规配电方式的优点是技术成熟、器件工作稳定，缺点是无法实现短路、冲击时的快速保护及负载的自动化管理，以gG型熔断体为例，只有当接近十倍额定电流流过时，熔断体才会有毫秒级的反应，且当因短路致使熔断体熔断后，必须手动更换熔断体，大大增加了集中供电方式下存在多路负载时的管理难度，因此采用基于智能配电装置的智能配电系统势在必行。由于实船上支路负载大小、位置及走线电缆的多样化，研制性能优异、工作稳定可靠的直流智能配电装置是建立智能配电系统的核心所在。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置。
根据本发明提供的一种基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，包括主电路、主检测电路、主控电路、驱动电路；
所述主电路，提供主通道和备用通道这两个互为冗余的供电通道，将220V单相交流电源分配给后级负载，当主通道出现开路故障时，备用通道启动，以确保负载的供电连续性；
所述主检测电路，将采集自所述主电路的负载电压、负载电流反馈给主控电路；
所述主控电路，根据所述负载电压和负载电流，判断配电支路当前工作状态，并根据配电支路当前工作状态发出调理信号至驱动电路；
驱动电路，根据所述调理信号，利用驱动信号控制主电路中的第一功率开关、第二功率开关进行动作。
优选地，所述主电路包括：第一功率开关电路、第一缓冲电路、第二功率开关电路、第二缓冲电路、220V交流电源输入端、220V交流电源输出端；
所述主检测电路包括：采样电阻R1；
所述第一功率开关电路包括：二极管D1、场效应晶体管T1；
所述第二功率开关电路包括：二极管D4、场效应晶体管T2；
220V交流电源输入端分别连接场效应晶体管T1的漏极、二极管D1的负极、第一缓冲电路的一端；
场效应晶体管T1的源极、二极管D1的正极、第一缓冲电路的另一端，分别连接至采样电阻R1的一端；
采样电阻R1的另一端分别连接场效应晶体管T2的源极、二极管D2的正极、第二缓冲电路的一端；
场效应晶体管T2的漏极、二极管D1的负极、第二缓冲电路的另一端，分别连接至220V交流电源输出端。
优选地，所述第一缓冲电路包括：电容C1、电容C2、电容C3、二极管D2、电阻R2；
电容C1的一端构成所述第一缓冲电路的一端；
电容C1的另一端构成所述第一缓冲电路的另一端；
220V交流电源输入端分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端；
电容C2的另一端分别连接二极管D2的正极、电阻R2的一端；二极管D2的负极连接采样电阻R1的一端；
电容C3的另一端连接电阻R2的一端；电阻R2的另一端连接采样电阻R1的一端；
所述第二缓冲电路包括：电容C4、电容C5、电容C6、二极管D3、电阻R3；
电容C4的一端构成所述第二缓冲电路的一端；
电容C4的另一端构成所述第二缓冲电路的另一端；
采样电阻R1的另一端分别连接电容C4的一端、电容C5的一端、电容C6的一端；
电容C5的另一端分别连接二极管D3的正极、电阻R3的一端；二极管D3的负极连接220V交流电源输出端；
电容C6的另一端连接电阻R3的一端；电阻R3的另一端连接220V交流电源输出端。
优选地，场效应晶体管T1、场效应晶体管T2采用金氧半场效晶体管；
二极管D2、二极管D3采用快恢复二极管；
电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6分别构成吸收电容；
电阻R2、电阻R3构成吸收电阻；
采样电阻R1采用无感电阻。
优选地，所述主检测电路包括：电流检测调理电路、电压检测调理电路；
所述电流检测调理电路的输入端连接采样电阻R1的另一端；
所述电压检测调理电路的输入端连接220V交流电源输入端；
驱动电路的输出端连接场效应晶体管T1的栅极、场效应晶体管T2的栅极。
优选地，所述主控电路包括控制电路；
所述电流检测调理电路的输出端、电压检测调理电路的输出端分别连接控制电路的不同输入端；
控制电路的输出端连接驱动电路的输入端。
优选地，所述控制电路为基于DSP与CPLD的数字控制电路，采用高频斩波控制策略；所述控制电路根据电压检测调理电路检测到的负载电压、电流检测调理电路检测到的负载电流，进行负载过载、冲击、短路状态的逻辑区分。
优选地，所述高频斩波控制策略兼具1.4倍额定电流以下的过流保护功能及1.4倍额定电流～电流保护阈值Ilimit_on的反时限过流保护功能，其中，电流保护阈值Ilimit_on大于1.4倍额定电流。
优选地，所述高频斩波控制策略具体为：
当负载电流大于1.1倍额定电流且小于等于1.25倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时60min后封锁驱动信号；
当负载电流大于1.25倍额定电流且小于等于1.4倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时3min后封锁驱动信号；
当负载电流为大于1.4倍额定电流且小于等于负载电流保护阈值Ilimit_on时，采取反时限过流保护措施，封锁驱动信号；
当负载电流大于负载电流保护阈值Ilimit_on时，即认为负载侧出现电流冲击或短路，若为短路则封锁功率开关的驱动信号，若为电流冲击则解除对功率开关的限流。
优选地，所述控制电路通过主电路中的第一功率开关、第二功率开关实现相应的保护，并通过CAN网实时上传配电支路的工作状态并接收上级监控系统的开关指令。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明用于替代继电器、断路器、熔断器等传统配电器件，以实现船舶220V直流配电系统的配电智能化及负载自动化管理。进一步地，本发明通过试验样机验证了其工作稳定性及可靠性。该智能配电装置不仅可实现配电支路正常状态下的可靠配电，且能够智能区分大电流冲击、短路、过载等负载状态并进行相应操作，其所在配电支路的工作状态及故障信息可通过CAN通讯接口实时上传，并可接收遥控指令进行配电支路通断操作，相较于传统机电式配电器件具有明显优势，因此在船舶领域具有广阔的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置的原理框图；
图2为本发明提供的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置的主电路拓扑；
图3为I2t反时限过流保护曲线；
图4为负载短路时的试验波形；
图5为负载侧出现大电流冲击时的试验波形；
图6为125％过载时的试验波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的智能配电装置的原理框图如图1所示，其主电路拓扑如图2所示，主控电路中的数字控制电路采用基于DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)和CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)的数字控制电路，其中CPLD主要用于逻辑判断。
根据本发明提供的一种基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，包括主电路、主检测电路、主控电路、驱动电路；所述主电路，提供主通道和备用通道这两个互为冗余的供电通道，将220V单相交流电源分配给后级负载，当主通道出现开路故障时，备用通道启动，以确保负载的供电连续性；所述主检测电路，将采集自所述主电路的负载电压、负载电流反馈给主控电路；所述主控电路，根据所述负载电压和负载电流，判断配电支路当前工作状态，并根据配电支路当前工作状态发出调理信号至驱动电路；驱动电路，根据所述调理信号，利用驱动信号控制主电路中的第一功率开关、第二功率开关进行动作。
所述主电路包括：第一功率开关电路、第一缓冲电路、第二功率开关电路、第二缓冲电路、220V交流电源输入端、220V交流电源输出端；所述主检测电路包括：采样电阻R1；所述第一功率开关电路包括：二极管D1、场效应晶体管T1；所述第二功率开关电路包括：二极管D4、场效应晶体管T2；220V交流电源输入端分别连接场效应晶体管T1的漏极、二极管D1的负极、第一缓冲电路的一端；场效应晶体管T1的源极、二极管D1的正极、第一缓冲电路的另一端，分别连接至采样电阻R1的一端；采样电阻R1的另一端分别连接场效应晶体管T2的源极、二极管D2的正极、第二缓冲电路的一端；场效应晶体管T2的漏极、二极管D1的负极、第二缓冲电路的另一端，分别连接至220V交流电源输出端。
所述第一缓冲电路包括：电容C1、电容C2、电容C3、二极管D2、电阻R2；电容C1的一端构成所述第一缓冲电路的一端；电容C1的另一端构成所述第一缓冲电路的另一端；220V交流电源输入端分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端；电容C2的另一端分别连接二极管D2的正极、电阻R2的一端；二极管D2的负极连接采样电阻R1的一端；电容C3的另一端连接电阻R2的一端；电阻R2的另一端连接采样电阻R1的一端；
所述第二缓冲电路包括：电容C4、电容C5、电容C6、二极管D3、电阻R3；电容C4的一端构成所述第二缓冲电路的一端；电容C4的另一端构成所述第二缓冲电路的另一端；采样电阻R1的另一端分别连接电容C4的一端、电容C5的一端、电容C6的一端；电容C5的另一端分别连接二极管D3的正极、电阻R3的一端；二极管D3的负极连接220V交流电源输出端；电容C6的另一端连接电阻R3的一端；电阻R3的另一端连接220V交流电源输出端。
场效应晶体管T1、场效应晶体管T2采用金氧半场效晶体管；二极管D2、二极管D3采用快恢复二极管；电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6分别构成吸收电容；电阻R2、电阻R3构成吸收电阻；采样电阻R1采用无感电阻。
所述主检测电路包括：电流检测调理电路、电压检测调理电路；所述电流检测调理电路的输入端连接采样电阻R1的另一端；所述电压检测调理电路的输入端连接220V交流电源输入端；驱动电路的输出端连接场效应晶体管T1的栅极、场效应晶体管T2的栅极。
所述主控电路包括控制电路；所述电流检测调理电路的输出端、电压检测调理电路的输出端分别连接控制电路的不同输入端；控制电路的输出端连接驱动电路的输入端。
所述控制电路为基于DSP与CPLD的数字控制电路，采用高频斩波控制策略；所述控制电路根据电压检测调理电路检测到的负载电压、电流检测调理电路检测到的负载电流，进行负载过载、冲击、短路状态的逻辑区分。
所述高频斩波控制策略兼具1.4倍额定电流以下的过流保护功能及1.4倍额定电流～电流保护阈值Ilimit_on的反时限过流保护功能，其中，电流保护阈值Ilimit_on大于1.4倍额定电流。
下面主要从主电路结构和控制策略方法两个方面进行具体阐述说明。
主电路结构：
1、功率开关
功率开关尤其是电子电力功率开关，功率开关用于对配电支路进行通断操作。
当负载侧出现大电流冲击时，智能配电装置将迅速进入限流模式，直至冲击电流消失，在此期间，功率开关将承受短时大功率。
同样，当负载侧发生短路时，智能配电装置将迅速进入限流模式、判断故障类型并进行保护，在此期间，功率开关亦将承受短时大功率，从而因瞬时热累积导致温升，因此功率开关采用低导通阻抗、低瞬时热阻的MOSFET(金氧半场效晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，瞬时温升引起的结温需小于其最大可允许结温；
2、缓冲电路
缓冲电路主要由吸收电阻、吸收电容及快恢复二极管(FRD，Fast RecoveryDiode)构成，主要用于抑制线路寄生参数引起的di/dt、dv/dt，以避免损坏功率开关；其中，i表示电流，v表示电压，t表示时间；
3、采样电阻
选用无感电阻(non-inductance resistor)，用于采集负载电流并反馈给控制电路。
控制策略方法：
电压检测调理电路，检测负载电压，将负载电压反馈给主控电路；
电流检测调理电路，检测负载电流，将负载电流反馈给主控电路；
主控电路，为基于DSP与CPLD的数字控制电路，根据所述负载电压和负载电流，判断配电支路当前工作状态，并根据配电支路当前工作状态发出调理信号至驱动电路；
驱动电路，根据所述调理信号，利用驱动信号控制功率开关进行动作。
其中，当负载电压、负载电流均正常时，功率开关正常导通。
设定负载电流保护阈值Ilimit_on，例如Ilimit_on为9倍额定电流，依负载特性而定。
所述高频斩波控制策略具体为：
当负载电流大于1.1倍额定电流且小于等于1.25倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时60min后封锁驱动信号；
当负载电流大于1.25倍额定电流且小于等于1.4倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时3min后封锁驱动信号；
当负载电流为大于1.4倍额定电流且小于等于负载电流保护阈值Ilimit_on时，采取反时限过流保护措施，封锁驱动信号；
当负载电流大于负载电流保护阈值Ilimit_on时，即认为负载侧出现电流冲击或短路，若为短路则封锁功率开关的驱动信号，若为电流冲击则解除对功率开关的限流。
优选地，所述控制电路通过主电路中的第一功率开关、第二功率开关实现相应的保护，并通过CAN网实时上传配电支路的工作状态并接收上级监控系统的开关指令。
数字控制电路采用CAN通讯接口与上级监控系统进行信息交互，实时上传配电支路当前工作状态及故障信息，同时通过上级监控系统下发控制指令遥控配电支路的通断，实现负载智能化管理。其中，遥控开通同样可用于故障解除后的遥控复位。
如前所述，当配电支路处于正常状态时，智能配电装置正常导通；当负载电流为1.1倍额定电流～1.25倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时60min后封锁驱动信号；当负载电流为1.25倍额定电流～1.4倍额定电流时，仍采取延时过载保护措施，延时3min后封锁驱动信号；当负载电流为1.4倍额定电流～Ilimit_on时，采取I2t反延时过流保护措施；其中，Ilimit_on表示9倍额定电流，依负载特性而定。
图3所示为I2t反时限过流保护曲线，在反时限过流保护曲线中，跳闸上限位于跳闸下限的上方，可知，该曲线将坐标平面分为三个区域，分别为不跳闸区间，可跳闸区间和必跳闸区间，其中可跳闸区间由跳闸下限和跳闸上限两条曲线界定。由于船舶配电系统直流智能配电装置的过流保护特性必须与导线、负载的过热特性相配合，因此本发明所述智能配电装置采用IEC 255-3(1989-05)中的极端反时限过流保护特性。其标准方程为
经离散化可得
t为动作时间，I为故障电流，Ie为电流基准值，I(n)为离散化后的电流基准值分量，M为离散化后的电流基准值分量的数量。此处参数B值取1.4，参数A值可根据实际使用需求进行选取，ΔT为定时间隔。反时限过流保护由DSP编程实现，当程序中方程左边的累加值大于右边的阈值时，封锁驱动信号，关断智能配电装置主电路中的功率开关。
由于实船负载的复杂性，进行负载短路与大电流冲击的准确区分是智能配电装置的设计难点。设定负载电流阈值Ilimit_on(9倍额定电流，依负载特性而定)及时间阈值Tlimit_on，当检测到负载电流大于Ilimit_on时，即认为负载侧出现大电流冲击或短路，迅速采用高频斩波技术改变配电支路等效阻抗控制智能配电装置进入限流模式，同时DSP控制程序开始计时，并实时检测负载电压，当计时时长大于Tlimit_on时，若负载电压大于零并有上升趋势，且负载电流有恢复趋势，解除限流，若负载电压始终为零，且负载电流无回落趋势，则判定负载出现短路，封锁驱动信号。
由图4～图6可知，采用本发明制定的控制策略，可以准确、可靠地区分负载短路、大电流冲击及过载等工况，满足实际应用需求。
需要理解的是，图1、图2以及文字已经充分公开了本发明，图3至图6用于更清楚的理解本发明的优点，不影响充分公开。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，包括主电路、主检测电路、主控电路、驱动电路；
所述主电路，提供主通道和备用通道这两个互为冗余的供电通道，将220V单相交流电源分配给后级负载，当主通道出现开路故障时，备用通道启动，以确保负载的供电连续性；
所述主检测电路，将采集自所述主电路的负载电压、负载电流反馈给主控电路；
所述主控电路，根据所述负载电压和负载电流，判断配电支路当前工作状态，并根据配电支路当前工作状态发出调理信号至驱动电路；
驱动电路，根据所述调理信号，利用驱动信号控制主电路中的第一功率开关、第二功率开关进行动作。
2.根据权利要求1所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述主电路包括：第一功率开关电路、第一缓冲电路、第二功率开关电路、第二缓冲电路、220V交流电源输入端、220V交流电源输出端；
所述主检测电路包括：采样电阻R1；
所述第一功率开关电路包括：二极管D1、场效应晶体管T1；
所述第二功率开关电路包括：二极管D4、场效应晶体管T2；
220V交流电源输入端分别连接场效应晶体管T1的漏极、二极管D1的负极、第一缓冲电路的一端；
场效应晶体管T1的源极、二极管D1的正极、第一缓冲电路的另一端，分别连接至采样电阻R1的一端；
采样电阻R1的另一端分别连接场效应晶体管T2的源极、二极管D2的正极、第二缓冲电路的一端；
场效应晶体管T2的漏极、二极管D1的负极、第二缓冲电路的另一端，分别连接至220V交流电源输出端。
3.根据权利要求2所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述第一缓冲电路包括：电容C1、电容C2、电容C3、二极管D2、电阻R2；
电容C1的一端构成所述第一缓冲电路的一端；
电容C1的另一端构成所述第一缓冲电路的另一端；
220V交流电源输入端分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端；
电容C2的另一端分别连接二极管D2的正极、电阻R2的一端；二极管D2的负极连接采样电阻R1的一端；
电容C3的另一端连接电阻R2的一端；电阻R2的另一端连接采样电阻R1的一端；
所述第二缓冲电路包括：电容C4、电容C5、电容C6、二极管D3、电阻R3；
电容C4的一端构成所述第二缓冲电路的一端；
电容C4的另一端构成所述第二缓冲电路的另一端；
采样电阻R1的另一端分别连接电容C4的一端、电容C5的一端、电容C6的一端；
电容C5的另一端分别连接二极管D3的正极、电阻R3的一端；二极管D3的负极连接220V交流电源输出端；
电容C6的另一端连接电阻R3的一端；电阻R3的另一端连接220V交流电源输出端。
4.根据权利要求3所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，场效应晶体管T1、场效应晶体管T2采用金氧半场效晶体管；
二极管D2、二极管D3采用快恢复二极管；
电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6分别构成吸收电容；
电阻R2、电阻R3构成吸收电阻；
采样电阻R1采用无感电阻。
5.根据权利要求2所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述主检测电路包括：电流检测调理电路、电压检测调理电路；
所述电流检测调理电路的输入端连接采样电阻R1的另一端；
所述电压检测调理电路的输入端连接220V交流电源输入端；
驱动电路的输出端连接场效应晶体管T1的栅极、场效应晶体管T2的栅极。
6.根据权利要求5所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述主控电路包括控制电路；
所述电流检测调理电路的输出端、电压检测调理电路的输出端分别连接控制电路的不同输入端；
控制电路的输出端连接驱动电路的输入端。
7.根据权利要求6所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述控制电路为基于DSP与CPLD的数字控制电路，采用高频斩波控制策略；所述控制电路根据电压检测调理电路检测到的负载电压、电流检测调理电路检测到的负载电流，进行负载过载、冲击、短路状态的逻辑区分。
8.根据权利要求7所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述高频斩波控制策略兼具1.4倍额定电流以下的过流保护功能及1.4倍额定电流～电流保护阈值Ilimit_on的反时限过流保护功能，其中，电流保护阈值Ilimit_on大于1.4倍额定电流。
9.根据权利要求7所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述高频斩波控制策略具体为：
当负载电流大于1.1倍额定电流且小于等于1.25倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时60min后封锁驱动信号；
当负载电流大于1.25倍额定电流且小于等于1.4倍额定电流时，采取延时过载保护措施，延时3min后封锁驱动信号；
当负载电流为大于1.4倍额定电流且小于等于负载电流保护阈值Ilimit_on时，采取反时限过流保护措施，封锁驱动信号；
当负载电流大于负载电流保护阈值Ilimit_on时，即认为负载侧出现电流冲击或短路，若为短路则封锁功率开关的驱动信号，若为电流冲击则解除对功率开关的限流。
10.根据权利要求7所述的基于高频斩波技术的船舶用220V单相交流智能配电装置，其特征在于，所述控制电路通过主电路中的第一功率开关、第二功率开关实现相应的保护，并通过CAN网实时上传配电支路的工作状态并接收上级监控系统的开关指令。
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