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1、华中科技大学 硕士学位论文 微机继电保护测试仪的多目标控制电流放大系统的研究 姓名：郝为瀚 申请学位级别：硕士 专业：电气信息检测技术 指导教师：徐垦 20090527 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 继电保护测试仪在经历了国内十几年时间的发展，已经完全实现了在国内市场 的绝对占有率，在软硬件水平上，已经完全可以与国外同类设备相媲美。随着科技 的发展，倡导“绿色科技”已成为科技发展的主题，利用开关电源和开关功放来代 替线性电源和线性功放来组成继电保护测试仪的工作电路已成为不可替代的研究发 展方向。 本文在深入研究大量国内外文献后，对“开关电源+开关功放”工作模式
2、的继 电保护测试仪及其数字控制技术进行了系统的研究。通过长时间的研究，最终确定 了采用在双极性 SPWM 控制和 PI 调节的基础上加以多目标控制的控制策略。并详 细阐述了新提出的专用于中低功率的开关功率放大器领域内的多目标控制技术的工 作原理。 根据理论的研究与实际应用的具体要求，本文设计了基于 DSP 芯片 TMS320F2808 处理器的电流型开关功率放大器的实验平台，并完成了主电路、控制 电路以及其余各部分电路的设计思路，为控制方案的实现提供了实际硬件基础。 同时完成了程序的设计，和硬件系统的搭建，并在实验平台上完成了系统软件 和硬件的调试。测得系统在得到不同的输入信号时的输出波形，验
3、证了采用本文设 计的控制策略的电流型开关功率放大器可以得到正确稳定的电流输出。 关键词关键词：电流型开关功率放大器；SPWM 控制；PI 调节；多目标控制技术；DSP 数字控制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract By the development in decades in China, the original relay protection testing instrument, which has the same hardware and software level, has occupied the Chinese market. As t
4、he development of technology, the “Green Tech” has become the theme of the technology development. It is ineluctable that using switch power supply and switch amplifier to take place of linear power supply and linear amplifier as the circuit of the relay protection testing instrument. After a deep r
5、esearch of a mass of China and foreign papers, this passage had finished a systemic research of the relay protection testing instrument worked on “switch power supply and switch amplifier” work-mode and the digital control system. Finally, through a long-term research, we had decided to use a method
6、 called the multi-target control which is based on the ambipolar SPWM control and the PI adjustment. And the passage illuminated the working principle of the multi-target control tech clearly which is used in the area of low and medium power switch amplifier. According to the requirements of the the
7、ory research and the actual application, this passage designed the current-mode switch power amplifier experiment platform which is based on the DSP chip TMS320F2808 processor. By finishing the designs of the main circuit, the control circuit and other circuits, it supplied a hardware basis to achie
8、ving the control strategy. At the same time, we finished the design of the software and the construction of hardware, and finish the debug of the software and hardware. By measured the output wave-forms of the different input signals, we verified that the current-mode switch power amplifier based on
9、 the control strategy this passage provided can get a correct and stable current output. Keyword：Switch Current Amplifier；SPWM Control；PI Adjustment；Multi-Target Control Tech；DSP Digital Control 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究
10、做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 年 月 日
11、 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 继电保护测试装置的概述继电保护测试装置的概述 继电保护是电力系统重要组成部分，为整个电力系统的安全稳定运行起到了至 关重要的作用，至今继电保护装置在电力技术的不断发展中已经历了机电型、电磁 型、整流型、晶体管型、集成电路型几个发展阶段。二十世纪九十年代以来，随着 计算机技术、网络技术、通信技术的飞速发展，利用全新的科技来进行继电保护的 诠释，微机保护装置逐渐开始取代传统的继电保护装置，成为电力系统继保装置的 主流选择1。微机继电保护的出现具有极其重要的意义，通过数字化，微机继保使 继电保护性能有了显
12、著提高，极大地增强了电力系统运行的安全性和稳定性。与此 同时，新的继保科技的应用也对继电保护测试技术提出了新的挑战2。 微机保护的迅速发展尤其是高度智能化、数字化的微机保护装置在电力系统的 广泛应用， 使得传统的测试手段很难担当得起对微机保护装置进行全面测试的重任。 这对继电保护测试技术提出了更高更严格的要求，并通过理论的不断创新，逐渐形 成了不同于一般电气测量的专门技术继电保护测试技术3。传统的继电保护测 试是通过各种电气仪器，如：移相器、自耦调压器、升流器和滑杆电阻等，来进行 电压、电流的幅值和相位的调节，来进行继电保护装置的测试，但这难以满足微机 保护的性能测试要求4。包含各种自动测试的
13、先进技术的微机继电保护试验装置已 成为进行继电保护测试必备的专用设备。微机型测试仪器方便快捷的操作方式极大 的减低了工作强度，简化了调试过程，提高测试精度，极为有效地提高继电保护测 试技术水平5。 目前，多个国内外的科研机构、电力系统及其相关产品的生产厂家纷纷投入大 批的科研力量，相继研制出多种新型的继电保护测试装置，使得继电保护测试技术 经历了一个由模拟式测试系统向数字式测试系统发展的飞跃7。通过使用微机来实 现再现故障、进行实时仿真等先进技术的数字式继电保护测试装置已经成为电力系 统的生产、调试、运行以及科研等部门不可缺少的专用设备8。随着计算机、数字 华 中 科 技 大 学 硕 士 学
14、位 论 文 2 仿真和微电子技术的飞速发展，数字式暂态测试系统也迅速发展起来，并且逐渐发 展为两种方向：一种向功能强大、实时仿真的方向发展；一种向轻巧便携、专用系 统的方向发展910。 1.2 开关功率放大器的工作原理开关功率放大器的工作原理 1.2.1 开关型功率放大器概述开关型功率放大器概述 开关型功率放大器，现在又有人称之为数字功率放大器。它利用晶体管的高速 开关特性和低的饱和压降的特点，效率很高，理论上可以达到 100%，实际上最多 可以达到 90%11。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈， 使稳定性大大提高。用同样的功耗的管子可得到比线性类功率放大器高 4 倍功率
15、的 输出利用极高频率的转换开关电路来放大信号，具有效率高，体积小的优点12。 开关型功率放大器虽然具有很高的效率,但由于功率晶体管高频的开通-关断的 工作方式,所以开关型功率类放大器输出波形的畸变率通常大于线性放大器13。 开关 型功率放大器在功耗方面是最理想的，但是它输出波形在波峰和过零点处有明显的 谐波。这是由于在开关电路中，输出波形越靠近零点脉冲宽度越窄，越靠近波峰波 谷脉冲宽度越宽。因为脉宽越窄所含的谐波含量越大，而脉宽越宽所含谐波分量就 越小，所以导致在波形过零点时谐波含量丰富，不容易进行滤波，从而波形不理想 1415。 1.2.2 开关型功率放大器电路拓扑结构开关型功率放大器电路拓
16、扑结构 目前，开关功率放大器的研究主要集中在中低功率(1KW 以下)系统上，其对于 开关功率器件的采用的闭环控制技术通常为数字控制技术16。开关功率放大器的电 路拓扑和控制手段多为全桥逆变电路和脉冲宽度调制技术，简称“PWM”调制技术， 在研究和应用中还有部分功率放大器是采用开关和线性混合电路的拓扑结构。由于 在中低功率系统中，对功率开关管的耐压和电流的容量要求较低，故 MOSFET 功率 器件通过本身具有的工作频率比较高的特点在中的功率开关型功率放大器的研究中 牢牢地占据了主流地位17。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 在开关功率放大器中，电路通常会以一个全控型开关器件(如：MOSFET 器件) 和一个反并联的二极管构成，一般情况下用两个这样的开关串联组成一个桥臂，分 别作为上下桥臂，通过指令信号对每个开关管进行互补的开通关断控制，这样就可 以确定桥臂的输出端的电压或电流信号18。在目前的应用中，有单相半桥、单相
