一种船舶变频器电能质量检测装置的制作方法

本实用新型涉及船舶电气检测技术领域，具体涉及一种船舶变频器电能质量检测装置。

背景技术：

伴随船舶自动化水平的提高，大量的控制设备和电子设备伴随着电机被投入使用，例如，在冷却系统的自动化改善方面，使用冷却水泵电机调速来替代传统阀门的挡板调节来实现对冷却水温的控制，此外轴带发电机也得到广泛使用，它们一同致使船舶电网电能质量变差；当代船舶交流电力推进方案一般使用同步发动机的变频驱动，变频器的种类有PWM逆变器，交流-直流-交流变频器，交流- 交流变频器，它们的共同点是都需要使用大功率电力电子器件如，IGBT，MOSFET， GTO等，此类非线性开关器件的使用会伴生大量的谐波；船舶大功率负载投入使用，一方面会对电网产生很强的冲击，另一方面将迫使多台发电机并联运行，其产生的瞬态电抗变化对谐波的产生有非常大的影响。所以检测船用变频器电能质量迫在眉睫。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有船用变频器电能质量检测以及分析的不足，提供一种船舶变频器电能质量检测装置，实现船用变频器电能质量从显示到分析的突破以及变频系统和检测系统一体化。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种船舶变频器电能质量检测装置，包括：

电源处理模块、采样模块、DSP模块、ARM模块、显示模块和通讯模块，所述DSP模块分别连接采样模块、ARM模块和电源处理模块，所述ARM模块分别连接电源处理模块、显示模块和通讯模块，所述ARM模块通过所述通讯模块与上位机连接，所述采样模块包括依次连接的互感器前端电路、互感器副端1级处理电路、互感器副端2级信号处理电路和A/D转换电路，所述ARM模块包括LPC1768 最小系统板、输入光耦采样电路和输出光耦隔离电路。

优选的，所述互感器前端电路的输入端连接电量采集信号，所述A/D转换电路的输出端连接所述DSP模块的输入端。

优选的，所述DSP模块为插接式DSP28335最小系统板。

优选的，所述输入光耦采样电路设置在所述LPC1768最小系统板的输入端，所述输出光耦隔离电路设置在所述LPC1768最小系统板的输出端。

优选的，所述ARM模块还包括分别与所述LPC1768最小系统板连接的片外存储电路和十六进制拨码电路，所述ARM模块上的输入按钮采用插针外接PVC的形式。

优选的，所述显示模块为LCD12864显示屏，并配合ARM模块中的输入按钮组成可操作显示屏。

优选的，所述通讯模块由CAN接口、SPI接口和232/485接口组成，其中所述ARM模块上设置有一个所述CAN接口和一个485接口，所述DSP模块上设置有一个备用的所述CAN接口，所述ARM模块和DSP模块通过所述SPI接口交互连接。

优选的，所述检测装置上设置有单键开关电路，所述电源处理模块通过所述单键开关电路连接电源。

本实用新型至少包括以下有益效果：

采用高性能数字信号处理器(DSP)和嵌入式计算机系统(ARM)双处理器架构设计船舶变频器电能质量检测装置能满足实际需求，DSP系统实现电压、电流信号等参数的实时采集处理，通过傅里叶变换和小波算法得到电能质量参数；ARM 嵌入式平台运行uC/OS-II操作系统完成人机交互、数据存储、实时显示等功能；同时，本实用新型为仪器的可扩展性和智能化建立了良好的软硬件平台，实现了从显示到分析的突破，实现变频系统和检测系统一体化，促使我国船舶电能利用率的进一步提高，保证和促进我国现代化大容量船舶电力系统的安全高效运行。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型的硬件框架结构示意图；

图2为本实用新型的功能实现结构示意图；

图3为本实用新型的电压采样硬件电路图；

图4为本实用新型中输入输出口隔离处理电路图，其中，图4(a)为DSP 模块前端隔离电路，图4(b)为ARM模块输出光耦隔离电路；

图5为本实用新型中单键开关电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型提出了一种船舶变频器电能质量检测装置，如图1-2所示，本实用新型的硬件结构和功能结构图，具体的，本检测装置包括电源处理模块3、采样模块1、DSP模块2、ARM模块4、显示模块5和通讯模块，如图1所示，所述 DSP模块2分别连接采样模块1、ARM模块4和电源处理模块3，专门负责数据运算，具体涉及多路数据采样和大量浮点数计算等；所述ARM模块4分别连接电源处理模块3、显示模块5和通讯模块，采用uC/OS-II系统，专门负责APP操作，用于接收DSP模块处理后数据，实现现场用户屏幕操作，包括报警消音等功能；所述ARM模块4通过所述通讯模块与上位机的CAN交互连接，同时实现DSP模块和ARM模块的SPI交互，DSP芯片为主ARM芯片为从。本实用新型实现了船舶变频器电能质量从显示到分析的突破以及变频系统和检测系统一体化。

检测装置上设置有输入输出接口61-65，为检测装置提供通讯接口。

电源处理模块包括交流220V转直流24V，24V转±15V，24V转模拟5V(即5VA)，24V转数字5V(即5VD)，24V转12V，+15V转REF5V基准电压，5VA转REF2.5V 基准电压，5VD转3.3V_1(单独给DSP供电)，5VD转3.3V_2(单独给LPC1768供电)。其中24V转5VD用12V继电器隔离，由12V电源供电，通过开关控制两路 MCU的3.3V供电，实现上电保护。此外，每一路电源都配有对应的绿色LED显示，上电后观察LED即可判断供电状况。最后交流220V转直流24V在CLC滤波前端加上熔断器，防止电路过流，保护电路。

所述采样模块主要是待测交流信号经互感器再到AD芯片的处理过程，其中包括互感器前端电路、互感器副端1级处理电路、互感器副端2级信号处理电路和A/D转换电路，互感器副端1级处理电路主要作用是减小相位差和非线性度 (BingZi互感器典型外围电路)互感器副端2级信号处理电路主要作用是信号放大、电平转换、提高带载、过零采样；A/D转换电路采样AD7490外围电路(包括 ADuM1401隔离)。设计时考虑2级信号处理电路固定且重复，将其设计成采样小板(20mmx20mm)以插接的形式固定在主板上以节省板子空间。采样小板的输入接口为，AGND，±15VA，REF5V，INPUT(待处理信号-4V～4V)；输出接口为，OUT_AD， OUT_PHASE(其中OUT_AD为AD输入信号0.5V～4.5V，OUT_PHASE为过零采样信号)。

所述互感器前端电路的输入端连接电量采集信号，所述A/D转换电路的输出端连接所述DSP模块2的输入端。具体的，电压采样硬件电路和电流采样硬件电路将变频器上的电压和电流信号传送至采样模块1中，所述ARM模块4包括 LPC1768最小系统板、输入光耦采样电路和输出光耦隔离电路。

所述DSP模块2为插接式DSP28335最小系统板。所述输入光耦采样电路设置在所述LPC1768最小系统板的输入端，所述输出光耦隔离电路设置在所述 LPC1768最小系统板的输出端。

所述ARM模块4还包括分别与所述LPC1768最小系统板连接的片外存储电路和十六进制拨码电路，所述ARM模块4上的输入按钮采用插针外接PVC的形式，用户操作比较方便，装置整体也比较美观。

所述显示模块5为LCD12864显示屏，并配合ARM模块4中的输入按钮组成可操作显示屏，操作功能有上一页、下一页、确定、返回、光标控制(行选择) 等。

所述通讯模块由周立功CAN接口、SPI接口和周立功232/485接口组成，其中所述ARM模块4上设置有一个所述CAN接口和一个485接口，所述DSP模块2 上设置有一个备用的所述CAN接口，所述ARM模块4和DSP模块2通过所述SPI 接口交互连接。

如图3所示，本实用新型采样的电压采样硬件电路图，选定电压互感器型号 TV1005-F3M，前端和副端电流比2mA:2mA。本设计采样电压量程0-600VAC，考虑温升对电阻阻值的影响，选取300K/5W的电阻和120K/5W的电阻串联，图中R5 和R6所示，若量程变化，可以根据需要改变电阻阻值。互感器副端处理电路，为了增加互感器线性度减小相位偏差；中间部分为一个差分放大电路，放大系数由图2中R88决定，G＝49.4K/R+1，经放大后的信号最后做运放处理，该部分电路需要按要求对电阻进行配置，配合钳位二极管，输出电压：U_out＝0.2·U_in+2.5。同时可以发现互感器前端有常开继电器触点，在测某一相电压时，如果不采用硬件隔离，其它两相会有耦合电压，若只通单相电会至使其它两相数据不准，因此在电路中串继电器隔离，通过外部LPC1768由使用者开通或者关断继电器以防止耦合电压产生的影响。

如图4所示，本实用新型的输入输出口隔离处理图，为了防止MCU中因输入输出信号灌入电流引起芯片发热或者过流，对所有的输入输出按钮或信号做隔离处理，特别是继电器、蜂鸣器等控制信号或者使用者操作按钮信号(LED12864显示除外)。图4(a)为DSP28335输入过零信号前端隔离，采用芯片SN74LVC4245。图4(b)为LPC1768输入输出光耦隔离，光耦前端电阻可根据使用光耦选型进行配置，本设计选取TLP121，取R32和R36分压和限流。当回路中有大电流流过时，确保电流经过隔离芯片流入地端，防止MCU短路，大大地降低了硬件开发风险，降低了开发成本。

如图5所示，所述检测装置上设置有单键开关电路，所述电源处理模块3通过所述单键开关电路连接电源，目的是为了使线路板供电(220VAC)时后端不能立刻上电，通过不自锁按钮控制后端电路实现单键开关机。图5中的40106两个非门电路起滤波效果，按钮触发74HC175通过8050触发继电器实现单键开关。

由上所述，本实用新型采用高性能数字信号处理器(DSP)和嵌入式计算机系统(ARM)双处理器架构设计船舶变频器电能质量检测装置能满足实际需求，DSP 系统实现电压、电流信号等参数的实时采集处理，通过傅里叶变换和小波算法得到电能质量参数；ARM嵌入式平台运行uC/OS-II操作系统完成人机交互、数据存储、实时显示等功能；同时，本实用新型为仪器的可扩展性和智能化建立了良好的软硬件平台，实现了从显示到分析的突破，实现变频系统和检测系统一体化，促使我国船舶电能利用率的进一步提高，保证和促进我国现代化大容量船舶电力系统的安全高效运行。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。