CN110261765B - 一种残余电荷电压的多信号检测试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种残余电荷电压的多信号检测试验装置及方法，属于高压电器保护技术领域，包括：上位机、DSP处理器、故障信号调理电路、多信号检测单元、IGBT驱动隔离开关、IGBT开关组和电源模块；所述多信号检测单元，具体包括：驱动电机绕组电流检测单元、电机转速检测单元、储能电容电压检测及充放电单元、IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元及电网电压检测单元。本发明实现了对残余电荷电压的智能化检测，根据GIS中隔离开关分合闸操作特性要求，设计并研制以数字信号处理器为运算核心的电机操动机构控制装置，结合RBF神经网络整定PID控制方法，实现隔离开关的智能化操作。
Description
技术领域
本发明属于高压电器保护技术领域，具体涉及一种残余电荷电压的多信号检测试验装置及方法。
背景技术
在特高压电网中，封闭式气体绝缘组合电器中隔离开关操作产生的特快速暂态过电压会危及电气设备的绝缘安全。隔离开关是的重要组成部件，随着我国电网结构的变化，隔离开关的操作带来了一些新的问题。由于隔离开关操作速度较慢，没有专门的灭弧装置，灭弧性能较差，因此极揚在其动静触头间隙发生击穿和电弧放电，进而产生一连串幅值较高、频率范围很广、波头极陆的特快速暂态过电压，容易诱发一系列的电气绝缘击穿和电磁干扰等事故。在一些极为特殊的情况下，隔离开关动静触头间隙的击穿会改变电场方向，遇到波阻抗突变的位置发生折反射和叠加，从而形成更为复杂的波形，危害及相邻电气设备的绝缘安全。每次击穿的发生主要取决于隔离开关两侧的电压差(即电源电压与残余电荷电压之差)和触头间隙击穿特性。因此对于残余电荷电压的检测在电力系统中具有重要意义。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提出一种残余电荷电压的多信号检测试验装置及方法，实现多残余电荷电压的多信号检测，具体内容如下：
一种残余电荷电压的多信号检测试验装置，包括：上位机、DSP处理器、故障信号调理电路、多信号检测单元、IGBT驱动隔离开关、IGBT开关组和电源模块；
所述上位机与DSP处理器相连接，DSP处理器分别与故障信号调理电路、多信号检测单元、IGBT驱动隔离开关相连接，故障调理电路与多信号检测单元相连接，IGBT驱动隔离开关与IGBT开关组相连接，IGBT开关组与被控对象相连接；
所述上位机，采用计算机和显示器实现，向DSP处理器发出控制指令，保存多信号检测单元检测到的数据、并将控制指令及检测到的数据显示在显示器上；
所述DSP处理器，接收上位机传递过来的控制指令，并将控制指令传递给IGBT驱动隔离开关，接收故障调理电路传递过来的故障信号，接收多信号检测单元传递过来的检测数据，并将故障信号与检测数据传递给上位机；
所述故障信号调理电路，用来检测IGBT故障，并将IGBT故障信号传递给DSP处理器；
所述多信号检测单元，用于检测各种参数，并将所有检测到的数据传递到DSP处理器；所述各种参数包括：被控对象的驱动电机绕组电流、被控对象的电机转速、IGBT组开关组储能电容电压、IGBT组开关组充放电电容电压、IGBT驱动隔离开关刚分合位置及电网电压。
所述IGBT驱动隔离开关，根据DSP处理器控制指令，控制IGBT开关开启或者断开；
所述IGBT开关组，根据IGBT驱动隔离开关传递过来的控制指令，对应IGBT开关开启或者断开；
所述电源模块，为整个装置供电。
所述多信号检测单元，具体包括：驱动电机绕组电流检测单元、电机转速检测单元、储能电容电压检测及充放电单元、IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元及电网电压检测单元。
所述驱动电机绕组电流检测单元，包括霍尔电流传感器及绕组电流信号处理电路；
所述绕组电流信号处理电路，包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R29、电阻R30；
所述驱动电机每相绕组与一个霍尔电流传感器相连接，每个霍尔电流传感器与一个绕组电流信号处理电路相连接；
每个霍尔电流传感器与一个绕组电流信号处理电路输入端相连接，绕组电流信号处理电路输入端与电阻R7一端相连接，电阻R7另一端与运算放大器A1同相输入端和电阻R29一端相连接，电阻R29另一端与信号地相连接，运算放大器A1反相输入端分别与电阻R8一端和电阻R9一端相连接，电阻R8另一端与信号地相连接，电阻R9另一端与运算放大器A1输出端相连接，运算放大器A1输出端与运算放大器A2同相输入端相连接，运算放大器A2反相输入端与运算放大器A2输出端相连接，运算放大器A2输出端与电阻R10一端相连接，电阻R10另一端分别与运算放大器A3同相输入与电阻R13一端相连接，运算放大器A3反相输入分别与电阻R11一端和电阻R12一端相连接，电阻R11另一端与信号地相连接，电阻R12另一端与运算放大器A3输出端相连接，运算放大器A3输出端即为绕组电流信号处理电路输出端；电阻R13另一端与运算放大器A5输出端相连接，运算放大器A5输出端与运算放大器A5反相输入端相连接，运算放大器A5同相输入端与运算放大器A4输出端相连接，运算放大器A4输出端与电阻R14一端相连接，电阻R14另一端与运算放大器A4反相输入端相连接，运算放大器A4反相输入端与电阻R15一端相连接，电阻R15另一端与信号地相连接；运算放大器A4同相输入端分别与电阻R16一端和电阻R30一端相连接，电阻R16另一端与3.3V电源正极相连接，3.3V电源负极与电阻R30另一端和信号地相连接；运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5的电源正负输入端分别+12V和-12V相连接；
所述转速检测单元，采用旋转编码器对被控对象驱动电机转速进行测量；
所述旋转编码器，采用上、下边沿触发方式，单周可产生脉冲中断数为8000，即采集精度为0.045°；旋转编码器采用三路输出方式，其中输出信号A、B为相位差为90°的正交脉冲信号，输出信号Z为方向信号；旋转编码器与驱动电机采用同轴安装方式；编码器输出信号经过电平转换后，传递至DSP处理器的信号捕获端口；
所述储能电容电压检测及充放电单元，DSP处理器实时检测IGBT开关组整体等效电容充电电压，当达到预设电压值时，通过I/O端口对IGBT发出断开指令，切断外界电源；当隔离开关电机操动机构完成分合闸操作后，对电容内剩余电压进行放电操作。
所述储能电容电压检测及充放电单元，具体包括：电感L1、光电耦合器H1、光电耦合器H2、运算放大器A6、发光二极管D9、二极管D10、二极管D11、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24；
储能电容的正极与电感L1一端相连接，电感L1另一端与光电耦合器H1内部二极管D8阳极相连接，光电耦合器H1内部三极管集电极与电源正极VCC相连接，光电耦合器H1内部三极管发射极分别与电阻R18一端和运算放大器A6同相输入端相连接，电阻R18另一端与信号地相连接，运算放大器A6反相输入端与运算放大器A6输出端相连接，运算放大器A6的电源正负输入端分别+12V和-12V相连接；运算放大器A6输出端与电阻R19一端相连接，电阻R19另一端分别与DSP输入端ADCINA0和电容C8一端相连接，电容C8另一端与信号地相连接；光电耦合器H1内部二极管D8阴极与发光二极管D9阳极相连接，发光二极管D9阴极分别与电阻R20一端和电阻R21一端相连接，电阻R20另一端与电阻R21另一端相连接，电阻R21另一端与二极管D10阴极相连接，二极管D10阳极分别与储能电容负极相连接；电容C9、电容C10分别并联在二极管D10阴极与阳极之间；二极管D10阴极与光电耦合器H2内部三极管集电极相连接，二极管D10阳极分别与二极管D11阳极和电阻R23一端相连接，二极管D11阴极与被测试IGBT栅极相连接，被测试IGBT栅极与电阻R22一端相连接，电阻R22另一端与分别与光电耦合器H2内部三极管发射极和电阻R23另一端相连接，光电耦合器H2内部二极管D12阴极与信号地相连接，信号地与电容C11一端相连接，电容C11另一端分别与光电耦合器H2内部二极管D12阳极和电阻R24一端相连接，电阻R24另一端与I/O端相连接；
所述储能电容包括IGBT开关组中每个IGBT上的电容，具体包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电容电容C6；
所述被测试IGBT为IGBT开关组中每个IGBT；
所述IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元，IGBT驱动隔离开关动静触头与保护电阻相连接，保护电阻与连接示波器相连接、示波器与9V电池相连接，9V电池是为示波器提供电源，当隔离开关到达刚合位置时，动静触头间构成回路，示波器同步产生跳变电压，记录隔离开关刚合时刻。
所述电网电压检测单元，电网电压通过RS-485总线与DSP处理器相连接，检测并采集电网电压信号；
所述故障信号调理电路，具体包括：电阻R26、电阻R27、电阻R28，反相器D，光电耦合器H3，二极管D13、二极管D14、二极管D15和二极管D16；
I/O端分别与电阻R26一端和电耦合器H3第4引脚相连接，电阻R26另一端与电源+5V相连接，电耦合器H3第3引脚与信号地相连接，电耦合器H3第2引脚与信号地相连接，电耦合器H3第1引脚分别与电阻R27一端和反相器输出端相连接，电阻R27另一端与+15V相连接，反相器输入端分别与二极管D13阳极、二极管D14阴极和电阻R28一端相连接，二极管D13阴极与+15V相连接，二极管D14阳极与信号地相连接，电阻R28另一端分别与二极管D15阳极、二极管D16阴极、SO1端和SO2端相连接，二极管D15阴极与+15V，二极管D16阳极与信号地相连接；
所述IGBT开关组，具体包括：二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D21、二极管D22、二极管D23、开关S1、开关S2、电阻Rd、电容C以及6个IGBT组；
三相电源与三相测压器相连接，三相测压器的三相输出端分别与二极管D11阳极、二极管D12阳极、二极管D13阳极相连接，二极管D11阳极、二极管D12阳极、二极管D13阳极分别与二极管D21阴极、二极管D22阴极、二极管D23阴极相连接，二极管D11阴极、二极管D12阴极、二极管D13阴极分别与开关S1一端相连接，另一端与电容C一端相连接，电容C另一端分别与二极管D21阳极、二极管D22阳极、二极管D23阳极相连接，还与开关S2一端相连接，开关S2另一端与Rd一端相连接，Rd另一端与分别与二极管D21阳极、二极管D22阳极、二极管D23阳极相连接，电容C两端分别与6组IGBT桥式连接；
一种残余电荷电压的多信号检测试验方法，采用一种残余电荷电压的多信号检测试验装置实现，具体步骤如下：
步骤1：上位机向DSP处理器发出控制指令，导通与储能电容电压检测及充放电单元相连接的IGBT芯片；
步骤2：电源模块为整个装置供电，具体为：直流电源模块为霍尔电流传感器、旋转编码器、DSP处理器提供电源；
步骤3：储能电容电压检测及充放电单元将电容电压信号传递至DSP处理器，当储能电容电压值达到指定值时，DSP处理器向储能电容电压检测及充放电单元发出截止指令，完成储能电容器组充电，上位机向DSP处理器发出控制指令，储能电容器通过桥式连接的IGBT组对被控对象进行供电；
步骤4：旋转编码器、霍尔电流传感器分别采集驱动电机输出转速信号、线圈电流信号信号。根据驱动电机绕组电流计算得到转子位置，DSP处理器传递给IGBT驱动隔离开关，然后再由IGBT驱动隔离开关下发控制指令，控制IGBT导通顺序，控制驱动电机进行有限角度旋转运动，带动隔离开关完成指定操作；
步骤5：在IGBT驱动隔离开关的电机操动机构分合闸操作过程中，通过多信号检测单元将驱动电机转速、绕组电流传递至DSP处理器，采用脉宽调制(PWM)及变频调速技术对被控对象绕组电流进行控制，调节IGBT驱动隔离开关的运动速度，然后再调节IGBT的开断，进而调节被控对象。通过数字示波器和上位机保存多信号检测单元检测到的数据、并将控制指令及检测到的数据显示在显示器上；
步骤6：当IGBT驱动隔离开关分合闸操作后，保持IGBT驱动隔离开关动触头为静止状态，对储能电容器组内剩余电压进行放电操作，切断外界电源；
有益技术效果：
本发明实现了对残余电荷电压的智能化检测，根据GIS中隔离开关分合闸操作特性要求，设计并研制以数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)为运算核心的电机操动机构控制装置，结合RBF神经网络整定PID控制方法，实现隔离开关的智能化操作。
附图说明
图1为本发明实施例的一种残余电荷电压的多信号检测试验装置系统框图；
图2为本发明实施例的电流传感器测量方式连接图；
图3为本发明实施例的绕组电流信号处理电路图；
图4为本发明实施例的储能电容电压检测及充放电单元电路图；
图5为本发明实施例的故障信号调理电路图；
图6为本发明实施例的测速中断子程序对速度信号测量流程图；
图中：1-上位机，2-DSP处理器，3-故障信号调理电路，4-多信号检测单元，5-IGBT驱动隔离开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明：一种残余电荷电压的多信号检测试验装置，如图1所示，包括：上位机1、DSP处理器2、故障信号调理电路3、多信号检测单元4、IGBT驱动隔离开关5、IGBT开关组和电源模块；
所述上位机与DSP处理器相连接，DSP处理器分别与故障信号调理电路、多信号检测单元、IGBT驱动隔离开关相连接，故障调理电路与多信号检测单元相连接，IGBT驱动隔离开关与IGBT开关组相连接，IGBT开关组与被控对象相连接；
所述上位机，采用计算机和显示器实现，向DSP处理器发出控制指令，保存多信号检测单元检测到的数据、并将控制指令及检测到的数据显示在显示器上；
所述DSP处理器，接收上位机传递过来的控制指令，并将控制指令传递给IGBT驱动隔离开关，接收故障调理电路传递过来的故障信号，接收多信号检测单元传递过来的检测数据，并将故障信号与检测数据传递给上位机；
所述故障信号调理电路，用来检测IGBT故障，并将IGBT故障信号传递给DSP处理器；
所述多信号检测单元，用于检测各种参数，并将所有检测到的数据传递到DSP处理器；所述各种参数包括：被控对象的驱动电机绕组电流、被控对象的电机转速、IGBT组开关组储能电容电压、IGBT组开关组充放电电容电压、IGBT驱动隔离开关刚分合位置及电网电压。
所述IGBT驱动隔离开关，根据DSP处理器控制指令，控制IGBT开关开启或者断开；
所述IGBT开关组，根据IGBT驱动隔离开关传递过来的控制指令，对应IGBT开关开启或者断开；
所述电源模块，为整个装置供电。
所述多信号检测单元，具体包括：驱动电机绕组电流检测单元、电机转速检测单元、储能电容电压检测及充放电单元、IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元及电网电压检测单元。
所述驱动电机绕组电流检测单元，包括霍尔电流传感器及绕组电流信号处理电路；
根据隔离开关操作过程中驱动电机绕组电流幅值特性，采用型号为CHF-400B的霍尔电流传感器对绕组电流进行检测，其采集比例为1V:100A，即绕组电流为100A时，传感器输出电压为1V。驱动电机的设计绕组电流峰值为300A，DS1104B示波器的单格最大量程为5V，因此该电流传感器可以满足驱动电机绕组电流的测量要求。CHF-400B电流传感器具有较好的电气隔离性能，可降低驱动回路中较高电压对控制回路的二次冲击，提高控制系统的运行可靠性。CHF-400B电流传感器测量方式如图2所示。
所述绕组电流信号处理电路，包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R29、电阻R30；
所述驱动电机每相绕组与一个霍尔电流传感器相连接，每个霍尔电流传感器与一个绕组电流信号处理电路相连接；
每个霍尔电流传感器与一个绕组电流信号处理电路输入端相连接，绕组电流信号处理电路输入端与电阻R7一端相连接，电阻R7另一端与运算放大器A1同相输入端和电阻R29一端相连接，电阻R29另一端与信号地相连接，运算放大器A1反相输入端分别与电阻R8一端和电阻R9一端相连接，电阻R8另一端与信号地相连接，电阻R9另一端与运算放大器A1输出端相连接，运算放大器A1输出端与运算放大器A2同相输入端相连接，运算放大器A2反相输入端与运算放大器A2输出端相连接，运算放大器A2输出端与电阻R10一端相连接，电阻R10另一端分别与运算放大器A3同相输入与电阻R13一端相连接，运算放大器A3反相输入分别与电阻R11一端和电阻R12一端相连接，电阻R11另一端与信号地相连接，电阻R12另一端与运算放大器A3输出端相连接，运算放大器A3输出端即为绕组电流信号处理电路输出端；电阻R13另一端与运算放大器A5输出端相连接，运算放大器A5输出端与运算放大器A5反相输入端相连接，运算放大器A5同相输入端与运算放大器A4输出端相连接，运算放大器A4输出端与电阻R14一端相连接，电阻R14另一端与运算放大器A4反相输入端相连接，运算放大器A4反相输入端与电阻R15一端相连接，电阻R15另一端与信号地相连接；运算放大器A4同相输入端分别与电阻R16一端和电阻R30一端相连接，电阻R16另一端与3.3V电源正极相连接，3.3V电源负极与电阻R30另一端和信号地相连接；运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5的电源正负输入端分别+12V和-12V相连接；
由于隔离开关分合闸操作过程中驱动电机每相绕组电流具有交变特性，且A/D模块的输入电压范围是0～3.3V，因此在A/D模块输入接口前应加入由比例运算器和加法器组成的信号处理电路，确保绕组电流信号在DSP处理器的运行输入信号范围内，绕组电流信号处理电路如图3所示。
绕组电流检测电路包括由运算放大器A1～A5组成，型号为OP07，该运算放大器具有较低的输入失调电压、偏置电流和较高的开环增益，适用于高增益、精度和低噪点的测量控制装置。在隔离开关操作中，绕组电流传感器的外接引线经过三个绕组电流信号处理电路后连接DSP处理器的ADCINB0、ADCINB1、ADCINB2端口，实现对三相绕组电流的同步实时采集。
所述转速检测单元，采用旋转编码器对被控对象驱动电机转速进行测量；
所述旋转编码器，采用上、下边沿触发方式，单周可产生脉冲中断数为8000，即采集精度为0.045°；旋转编码器采用三路输出方式，其中输出信号A、B为相位差为90°的正交脉冲信号，输出信号Z为方向信号；旋转编码器与驱动电机采用同轴安装方式；编码器输出信号经过电平转换后，传递至DSP处理器的信号捕获端口；
采用型号为E6B2-CWZ1X1000P/R的旋转编码器对驱动电机转速进行测量，其单周输出脉冲数为2000，为提高测量精度，采用上、下边沿触发方式，单周可产生脉冲中断数为8000，即采集精度为0.045°，满足驱动电机转速测量精度要求。旋转编码器采用三路输出方式，其中输出信号A、B为相位差为90°的正交脉冲信号，输出信号Z为方向信号，可据此判断驱动电机的运动方向，CLK为处理系统时钟信号。旋转编码器与驱动电机采用同轴安装方式，操作过程中，驱动电机带动旋转编码器主轴旋转运动，编码器输出信号经过SN74LVCH245A进行电平转换后，传递至DSP处理器的信号捕获端口CAP4。
在驱动电机转速测量方面，目前应用较为广泛的是M测频法和T测周法，当电机转速大于12r/min时，主要采用M测频率对转速进行测量。当检测时间为Tcx、计数器记录脉冲数为M1，则驱动电机转速为nm：
式中，Nx为旋转编码器线数，即每旋转一圈编码器发出的脉冲总数，Tcx为检测时间，设定为0.2ms，可满足测量精度要求。通过对驱动电机转速的检测和采集，利用隔离开关动触头行程与电机转角间的数学关系，计算得到动触头的实时运动速度。本发明采用测速中断子程序对速度信号进行测量，其运算流程如图6所示。
所述储能电容电压检测及充放电单元，DSP处理器实时检测IGBT开关组整体等效电容充电电压，当达到预设电压值时，通过I/O端口对IGBT发出断开指令，切断外界电源；当隔离开关电机操动机构完成分合闸操作后，对电容内剩余电压进行放电操作。
所述储能电容电压检测及充放电单元，具体包括：电感L1、光电耦合器H1、光电耦合器H2、运算放大器A6、发光二极管D9、二极管D10、二极管D11、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24；
储能电容的正极与电感L1一端相连接，电感L1另一端与光电耦合器H1内部二极管D8阳极相连接，光电耦合器H1内部三极管集电极与电源正极VCC相连接，光电耦合器H1内部三极管发射极分别与电阻R18一端和运算放大器A6同相输入端相连接，电阻R18另一端与信号地相连接，运算放大器A6反相输入端与运算放大器A6输出端相连接，运算放大器A6的电源正负输入端分别+12V和-12V相连接；运算放大器A6输出端与电阻R19一端相连接，电阻R19另一端分别与DSP输入端ADCINA0和电容C8一端相连接，电容C8另一端与信号地相连接；光电耦合器H1内部二极管D8阴极与发光二极管D9阳极相连接，发光二极管D9阴极分别与电阻R20一端和电阻R21一端相连接，电阻R20另一端与电阻R21另一端相连接，电阻R21另一端与二极管D10阴极相连接，二极管D10阳极分别与储能电容负极相连接；电容C9、电容C10分别并联在二极管D10阴极与阳极之间；二极管D10阴极与光电耦合器H2内部三极管集电极相连接，二极管D10阳极分别与二极管D11阳极和电阻R23一端相连接，二极管D11阴极与被测试IGBT栅极相连接，被测试IGBT栅极与电阻R22一端相连接，电阻R22另一端与分别与光电耦合器H2内部三极管发射极和电阻R23另一端相连接，光电耦合器H2内部二极管D12阴极与信号地相连接，信号地与电容C11一端相连接，电容C11另一端分别与光电耦合器H2内部二极管D12阳极和电阻R24一端相连接，电阻R24另一端与I/O端相连接；
所述储能电容包括IGBT开关组中每个IGBT上的电容，具体包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电容电容C6；
所述被测试IGBT为IGBT开关组中每个IGBT；
储能电容电压检测及充放电单元包括储能电容电压检测电路和充电电路，如图4所示。储能电容器组的预设充电电压为0～350V，DSP处理器的允许输入电压为0～3.3V，因此需将电容电压缩小200倍后传递至DSP处理器的A/D采集端口。电容电压检测电路主要包括型号为HCNR200的光电耦合器H1、型号为OPAMP的运算放大器A1及相关外围电路。电容电压充放电电路主要包括型号为HCNR200的光电耦合器H2、并联电阻等。储能电容器组的正负极分别与光电耦合器H1输入端和光电耦合器H2放光二极管输出端相连。在储能电容器组的充电过程中，DSP处理器实时检测电容充电电压，当达到预设电压值时，通过I/O端口对型号为G60N100的IGBT发出断开指令，切断外界电源。当隔离开关电机操动机构完成分合闸操作后，对电容内剩余电压进行放电操作。
所述IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元，IGBT驱动隔离开关动静触头与保护电阻相连接，保护电阻与连接示波器相连接、示波器与9V电池相连接，9V电池是为示波器提供电源，当隔离开关到达刚合位置时，动静触头间构成回路，示波器同步产生跳变电压，记录隔离开关刚合时刻。
由于隔离开关平均分闸速度为从刚分位置开始到刚分后3/4行程内的平均速度，平均合闸速度为从刚合位置到刚合前3/4行程内的平均速度，因此实验中有必要对隔离开关刚分/合位置信号进行检测。以隔离开关合闸操作为例，在动静触头间连接示波器、保护电阻和9V电池，当到达刚合位置时，动静触头间构成回路，示波器同步产生跳变电压，记录隔离开关刚合时刻。
所述电网电压检测单元，电网电压通过RS-485总线与DSP处理器相连接，检测并采集电网电压信号；
电网电压信号的准确检测和采集是实现隔离开关选相分合闸操作的基础和前提，电网电压信号的成分较为复杂，主要包含基波分量、各次谐波分量及白噪声，其中噪声信号对电网电压信号的辨识和采集存在较大干扰。根据正弦信号自相关函数为同频率余弦函数和白噪声自相关函数基本为零的原理，消除电网电压信号中白噪声[130,131]。
通过SignalProcessing工具箱选用Hamming窗口进行FIR数字滤波器的设计，设置滤波器阶数为62，带宽为[45，55]Hz，采样频率3200Hz。将该FIR滤波器转换成h(n)系数，加载至DSP处理器主程序。
上位机采用VC++程序开发环境和MS SQL Server关系型数据库对上位机控制及数据存储单元进行设计，采用RS-485串行通讯总线建立DSP处理器与上位机的信息连接。本文选取型号为TMS320F28335的DSP处理器作为电机操动机构控制装置的核心处理单元。RS-485总线采用平衡发送和差分接收方式，具有抑制共模干扰的能力，且其总线收发器具有较高灵敏度，可以检测低至200mV电压，可以实现驱动电机各项特性参数的准确传输。
所述故障信号调理电路，具体包括：电阻R26、电阻R27、电阻R28，反相器D，光电耦合器H3，二极管D13、二极管D14、二极管D15和二极管D16；
I/O端分别与电阻R26一端和电耦合器H3第4引脚相连接，电阻R26另一端与电源+5V相连接，电耦合器H3第3引脚与信号地相连接，电耦合器H3第2引脚与信号地相连接，电耦合器H3第1引脚分别与电阻R27一端和反相器输出端相连接，电阻R27另一端与+15V相连接，反相器输入端分别与二极管D13阳极、二极管D14阴极和电阻R28一端相连接，二极管D13阴极与+15V相连接，二极管D14阳极与信号地相连接，电阻R28另一端分别与二极管D15阳极、二极管D16阴极、SO1端和SO2端相连接，二极管D15阴极与+15V，二极管D16阳极与信号地相连接；
IGBT故障信号调理电路主要包括光电耦合器TLP521及其外围辅助保护电路，如图5所示。当IGBT驱动电路发生过流、过压、短路、初级侧欠压及二次侧欠压等故障，SO1、SO2端口发出的故障信号经过由四个反向二极管和一个电阻组成的限幅保护电路后，采用反相器对其进行反向操作，得到高电平对光电耦合器TLP521进行驱动，将故障信号传递至DSP处理器指定I/O端口。当发生故障时，功能模块2SC0108T停止工作，SO1、SO2端口同步发出低电平信号，直至供电电压恢复正常。
所述IGBT开关组，具体包括：二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D21、二极管D22、二极管D23、开关S1、开关S2、电阻Rd、电容C以及6个IGBT组；
三相电源与三相测压器相连接，三相测压器的三相输出端分别与二极管D11阳极、二极管D12阳极、二极管D13阳极相连接，二极管D11阳极、二极管D12阳极、二极管D13阳极分别与二极管D21阴极、二极管D22阴极、二极管D23阴极相连接，二极管D11阴极、二极管D12阴极、二极管D13阴极分别与开关S1一端相连接，另一端与电容C一端相连接，电容C另一端分别与二极管D21阳极、二极管D22阳极、二极管D23阳极相连接，还与开关S2一端相连接，开关S2另一端与Rd一端相连接，Rd另一端与分别与二极管D21阳极、二极管D22阳极、二极管D23阳极相连接，电容C两端分别与6组IGBT桥式连接；
一种残余电荷电压的多信号检测试验方法，采用一种残余电荷电压的多信号检测试验装置实现，具体步骤如下：
步骤1：上位机向DSP处理器发出控制指令，导通与储能电容电压检测及充放电单元相连接的IGBT芯片；
步骤2：电源模块为整个装置供电，具体为：直流电源模块为霍尔电流传感器、旋转编码器、DSP处理器提供电源；
步骤3：储能电容电压检测及充放电单元将电容电压信号传递至DSP处理器，当储能电容电压值达到指定值时，DSP处理器向储能电容电压检测及充放电单元发出截止指令，完成储能电容器组充电，上位机向DSP处理器发出控制指令，储能电容器通过桥式连接的IGBT组对被控对象进行供电；
步骤4：旋转编码器、霍尔电流传感器分别采集驱动电机输出转速信号、线圈电流信号信号。根据驱动电机绕组电流计算得到转子位置，DSP处理器传递给IGBT驱动隔离开关，然后再由IGBT驱动隔离开关下发控制指令，控制IGBT导通顺序，控制驱动电机进行有限角度旋转运动，带动隔离开关完成指定操作；
步骤5：在IGBT驱动隔离开关的电机操动机构分合闸操作过程中，通过多信号检测单元将驱动电机转速、绕组电流传递至DSP处理器，采用脉宽调制(PWM)及变频调速技术对被控对象绕组电流进行控制，调节IGBT驱动隔离开关的运动速度，然后再调节IGBT的开断，进而调节被控对象。通过数字示波器和上位机保存多信号检测单元检测到的数据、并将控制指令及检测到的数据显示在显示器上；驱动电路中R1、R2分别为IGBT导通和关断的门极电阻，阻值均为10Ω，可抑制尖峰电压；R3为限流电阻，阻值为1.2MΩ；R4和C1组成IGBT集电极检测延时环节，R4为100kΩ，C1为22pF，延时过程持续时间6.5us；R5为输入门槛电阻，阻值为68kΩ；R6构成IGBT关断时的低阻抗回路，阻值为22kΩ。桥式逆变驱动单元中上下桥IGBT串联，即上桥IGBT发射极与下桥IGBT集电极相连。
步骤6：当IGBT驱动隔离开关分合闸操作后，保持IGBT驱动隔离开关动触头为静止状态，对储能电容器组内剩余电压进行放电操作，切断外界电源。
Claims (3)
1.一种残余电荷电压的多信号检测试验装置，其特征在于，包括：上位机、DSP处理器、故障信号调理电路、多信号检测单元、IGBT驱动隔离开关、IGBT开关组和电源模块；
所述上位机与DSP处理器相连接，DSP处理器分别与故障信号调理电路、多信号检测单元、IGBT驱动隔离开关相连接，故障调理电路与多信号检测单元相连接，IGBT驱动隔离开关与IGBT开关组相连接，IGBT开关组与被控对象相连接；
所述上位机，采用计算机和显示器实现，向DSP处理器发出控制指令，保存多信号检测单元检测到的数据、并将控制指令及检测到的数据显示在显示器上；
所述DSP处理器，接收上位机传递过来的控制指令，并将控制指令传递给IGBT驱动隔离开关，接收故障调理电路传递过来的故障信号，接收多信号检测单元传递过来的检测数据，并将故障信号与检测数据传递给上位机；
所述故障信号调理电路，用来检测IGBT故障，并将IGBT故障信号传递给DSP处理器；
所述多信号检测单元，用于检测各种参数，并将所有检测到的数据传递到DSP处理器；所述各种参数包括：被控对象的驱动电机绕组电流、被控对象的电机转速、IGBT组开关组储能电容电压、IGBT组开关组充放电电容电压、IGBT驱动隔离开关刚分合位置及电网电压；
所述IGBT驱动隔离开关，根据DSP处理器控制指令，控制IGBT开关开启或者断开；
所述IGBT开关组，根据IGBT驱动隔离开关传递过来的控制指令，对应IGBT开关开启或者断开；
所述电源模块，为整个装置供电；
所述故障信号调理电路，具体包括：电阻R26、电阻R27、电阻R28，反相器D，光电耦合器H3，二极管D13、二极管D14、二极管D15和二极管D16；
I/O端分别与电阻R26一端和电耦合器H3第4引脚相连接，电阻R26另一端与电源+5V相连接，电耦合器H3第3引脚与信号地相连接，电耦合器H3第2引脚与信号地相连接，电耦合器H3第1引脚分别与电阻R27一端和反相器输出端相连接，电阻R27另一端与+15V相连接，反相器输入端分别与二极管D13阳极、二极管D14阴极和电阻R28一端相连接，二极管D13阴极与+15V相连接，二极管D14阳极与信号地相连接，电阻R28另一端分别与二极管D15阳极、二极管D16阴极、SO1端和SO2端相连接，二极管D15阴极与+15V，二极管D16阳极与信号地相连接；
所述多信号检测单元，具体包括：驱动电机绕组电流检测单元、电机转速检测单元、储能电容电压检测及充放电单元、IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元及电网电压检测单元；
所述驱动电机绕组电流检测单元，包括霍尔电流传感器及绕组电流信号处理电路；
所述绕组电流信号处理电路，包括运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R29、电阻R30；
所述驱动电机每相绕组与一个霍尔电流传感器相连接，每个霍尔电流传感器与一个绕组电流信号处理电路相连接；
每个霍尔电流传感器与一个绕组电流信号处理电路输入端相连接，绕组电流信号处理电路输入端与电阻R7一端相连接，电阻R7另一端与运算放大器A1同相输入端和电阻R29一端相连接，电阻R29另一端与信号地相连接，运算放大器A1反相输入端分别与电阻R8一端和电阻R9一端相连接，电阻R8另一端与信号地相连接，电阻R9另一端与运算放大器A1输出端相连接，运算放大器A1输出端与运算放大器A2同相输入端相连接，运算放大器A2反相输入端与运算放大器A2输出端相连接，运算放大器A2输出端与电阻R10一端相连接，电阻R10另一端分别与运算放大器A3同相输入与电阻R13一端相连接，运算放大器A3反相输入分别与电阻R11一端和电阻R12一端相连接，电阻R11另一端与信号地相连接，电阻R12另一端与运算放大器A3输出端相连接，运算放大器A3输出端即为绕组电流信号处理电路输出端；电阻R13另一端与运算放大器A5输出端相连接，运算放大器A5输出端与运算放大器A5反相输入端相连接，运算放大器A5同相输入端与运算放大器A4输出端相连接，运算放大器A4输出端与电阻R14一端相连接，电阻R14另一端与运算放大器A4反相输入端相连接，运算放大器A4反相输入端与电阻R15一端相连接，电阻R15另一端与信号地相连接；运算放大器A4同相输入端分别与电阻R16一端和电阻R30一端相连接，电阻R16另一端与3.3V电源正极相连接，3.3V电源负极与电阻R30另一端和信号地相连接；运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、运算放大器A5的电源正负输入端分别+12V和-12V相连接；
所述转速检测单元，采用旋转编码器对被控对象驱动电机转速进行测量；
所述旋转编码器，采用上、下边沿触发方式，采用三路输出方式，其中输出信号A、B为相位差为90°的正交脉冲信号，输出信号Z为方向信号；旋转编码器与驱动电机采用同轴安装方式；编码器输出信号经过电平转换后，传递至DSP处理器的信号捕获端口；
所述储能电容电压检测及充放电单元，DSP处理器实时检测IGBT开关组整体等效电容充电电压，当达到预设电压值时，通过I/O端口对IGBT发出断开指令，切断外界电源；当隔离开关电机操动机构完成分合闸操作后，对电容内剩余电压进行放电操作；
所述储能电容电压检测及充放电单元，具体包括：电感L1、光电耦合器H1、光电耦合器H2、运算放大器A6、发光二极管D9、二极管D10、二极管D11、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24；
储能电容的正极与电感L1一端相连接，电感L1另一端与光电耦合器H1内部二极管D8阳极相连接，光电耦合器H1内部三极管集电极与电源正极VCC相连接，光电耦合器H1内部三极管发射极分别与电阻R18一端和运算放大器A6同相输入端相连接，电阻R18另一端与信号地相连接，运算放大器A6反相输入端与运算放大器A6输出端相连接，运算放大器A6的电源正负输入端分别+12V和-12V相连接；运算放大器A6输出端与电阻R19一端相连接，电阻R19另一端分别与DSP输入端ADCINA0和电容C8一端相连接，电容C8另一端与信号地相连接；光电耦合器H1内部二极管D8阴极与发光二极管D9阳极相连接，发光二极管D9阴极分别与电阻R20一端和电阻R21一端相连接，电阻R20另一端与电阻R21另一端相连接，电阻R21另一端与二极管D10阴极相连接，二极管D10阳极分别与储能电容负极相连接；电容C9、电容C10分别并联在二极管D10阴极与阳极之间；二极管D10阴极与光电耦合器H2内部三极管集电极相连接，二极管D10阳极分别与二极管D11阳极和电阻R23一端相连接，二极管D11阴极与被测试IGBT栅极相连接，被测试IGBT栅极与电阻R22一端相连接，电阻R22另一端与分别与光电耦合器H2内部三极管发射极和电阻R23另一端相连接，光电耦合器H2内部二极管D12阴极与信号地相连接，信号地与电容C11一端相连接，电容C11另一端分别与光电耦合器H2内部二极管D12阳极和电阻R24一端相连接，电阻R24另一端与I/O端相连接；
所述储能电容包括IGBT开关组中每个IGBT上的电容，具体包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电容电容C6；
所述被测试IGBT为IGBT开关组中每个IGBT；
所述IGBT驱动隔离开关刚分合位置检测单元，IGBT驱动隔离开关动静触头与保护电阻相连接，保护电阻与连接示波器相连接、示波器与9V电池相连接，9V电池是为示波器提供电源，当隔离开关到达刚合位置时，动静触头间构成回路，示波器同步产生跳变电压，记录隔离开关刚合时刻；
所述电网电压检测单元，电网电压通过RS-485总线与DSP处理器相连接，检测并采集电网电压信号。
2.根据权利要求1所述残余电荷电压的多信号检测试验装置，其特征在于，所述IGBT开关组，具体包括：二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D21、二极管D22、二极管D23、开关S1、开关S2、电阻Rd、电容C以及6个IGBT组；
三相电源与三相测压器相连接，三相测压器的三相输出端分别与二极管D11阳极、二极管D12阳极、二极管D13阳极相连接，二极管D11阳极、二极管D12阳极、二极管D13阳极分别与二极管D21阴极、二极管D22阴极、二极管D23阴极相连接，二极管D11阴极、二极管D12阴极、二极管D13阴极分别与开关S1一端相连接，另一端与电容C一端相连接，电容C另一端分别与二极管D21阳极、二极管D22阳极、二极管D23阳极相连接，还与开关S2一端相连接，开关S2另一端与Rd一端相连接，Rd另一端与分别与二极管D21阳极、二极管D22阳极、二极管D23阳极相连接，电容C两端分别与6组IGBT桥式连接。
3.一种残余电荷电压的多信号检测试验方法，采用权利要求1所述残余电荷电压的多信号检测试验装置实现，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：上位机向DSP处理器发出控制指令，导通与储能电容电压检测及充放电单元相连接的IGBT芯片；
步骤2：电源模块为整个装置供电，具体为：直流电源模块为霍尔电流传感器、旋转编码器、DSP处理器提供电源；
步骤3：储能电容电压检测及充放电单元将电容电压信号传递至DSP处理器，当储能电容电压值达到指定值时，DSP处理器向储能电容电压检测及充放电单元发出截止指令，完成储能电容器组充电，上位机向DSP处理器发出控制指令，储能电容器通过桥式连接的IGBT组对被控对象进行供电；
步骤4：旋转编码器、霍尔电流传感器分别采集驱动电机输出转速信号、线圈电流信号信号，根据驱动电机绕组电流计算得到转子位置，DSP处理器传递给IGBT驱动隔离开关，然后再由IGBT驱动隔离开关下发控制指令，控制IGBT导通顺序，控制驱动电机进行有限角度旋转运动，带动隔离开关完成指定操作；
步骤5：在IGBT驱动隔离开关的电机操动机构分合闸操作过程中，通过多信号检测单元将驱动电机转速、绕组电流传递至DSP处理器，采用脉宽调制及变频调速技术对被控对象绕组电流进行控制，调节IGBT驱动隔离开关的运动速度，然后再调节IGBT的开断，进而调节被控对象，通过数字示波器和上位机保存多信号检测单元检测到的数据、并将控制指令及检测到的数据显示在显示器上；
步骤6：当IGBT驱动隔离开关分合闸操作后，保持IGBT驱动隔离开关动触头为静止状态，对储能电容器组内剩余电压进行放电操作，切断外界电源。
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