DC+48V直流電源設(shè)計

邵慧彬,宋占鋒,孫志剛

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口 075051)

1引言

隨著時代的進步、科技的發(fā)展，應(yīng)用電子技術(shù)迎來了新的春天，無論是在工業(yè)還是家居領(lǐng)域中，數(shù)字化智能化產(chǎn)品不斷崛起、不斷面世，自動化產(chǎn)品使用越來越廣泛。雙母線智能監(jiān)測直流供電電源廣泛應(yīng)用于高端電子儀器、教學(xué)試驗和科學(xué)研究等領(lǐng)域。目前使用的可控直流電源大部分是點動的，采用分立元件，體積大、效率低、可靠性差，操作不方便，故障率高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備對電源性能要求提高，電源不斷朝數(shù)字化，高效率，模塊化和智能化發(fā)展[1-4,11,12]。我們以雙母線直接接入供電為基礎(chǔ)，設(shè)計新一代DC+48V直流電源來實現(xiàn)智能監(jiān)測報警和負載分配。該直流電源電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越，分別送給配電設(shè)備及蓄電池等單元，同時采集48V輸出電壓和蓄電池組的充放電電壓及電流，提供電壓、電流監(jiān)測，并會同監(jiān)控單元共同實現(xiàn)維護和管理功能。直流配電單元為后級設(shè)備提供直流電源，為用戶的管理和維護提供電流、電壓信號，也可根據(jù)用戶需要提供各支路通斷情況及聲光告警指示。

2直流配電單元的設(shè)計依據(jù)

作為一個機電一體化的小型配電設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要滿足其電氣功能性要求，即中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T939-2005《傳輸設(shè)備用電源分配列柜》的電氣性能要求，在此基礎(chǔ)上滿足使用性、經(jīng)濟性，安全可靠和外形美觀要求。電氣設(shè)計主要包括導(dǎo)電性能設(shè)計、絕緣性能設(shè)計、抗電強度設(shè)計，相關(guān)零件包括導(dǎo)電體、絕緣件等。

3直流配電單元組成及原理

3.1 功能

直流配電單元主要有蓄電池管理、輸出智能接口和電池組電流檢測功能，其組成如圖1所示：

3個整流模塊為直流配電提供+54V的直流電壓，直流配電單元為電池加熱器和系統(tǒng)接口單元及DME/P提供雙直流母線并聯(lián)供電，為A路負載1、直流供電A，B路負載1和直流供電B進行單母線供電。A路負載1和B路負載1功能相同，直流供電A和直流供電B功能相同，互為冗余備份，具體工作原理與系統(tǒng)的直流配電單元基本相同。

3.2 直流配電單元組成及控制原理

3.2.1 輸入輸出接口

圖1：直流配電單元原理圖

電源輸入接口：3個整流模塊的供電電壓通過電源輸入接口進入直流配電單元。

電源輸出接口：直流配電單元的輸出電壓通過電源輸出接口輸送給電池加熱器、系統(tǒng)接口單元、A路負載1、B路負載1、A路負載2和B路負載2。

信息接口：3個整流模塊的電壓、2個蓄電池的電壓和充放電電流通過信息接口傳遞給監(jiān)控單元，同時接收監(jiān)控單元傳出的控制信號，實現(xiàn)電池組充放電控制、輔助加熱控制、電池組放電檢測功能。[4,5，8,9]

3.2.2 面板開關(guān)

主開關(guān)：用來控制電子開關(guān)A1和A2的通斷：當(dāng)其打開時輸出負載通電，關(guān)閉時所有負載斷電；

復(fù)位開關(guān)：在沒有市電的情況下，當(dāng)需要由蓄電池啟動并供電時，打開主開關(guān)和復(fù)位開關(guān)即可提供蓄電池供電功能。

3.2.3 隔離二極管V1—V8

對相關(guān)電路起到去耦隔離作用，避免相互干擾。

3.2.4 電子開關(guān)A1～A7

其中Al、A2控制直流配電單元供電的通斷，A3控制電池加熱器的供電，A4-A7控制蓄電池的充電及放電。

3.2.5 分流器1和分流器2

用來采集蓄電池的充放電電流。

3.2.6 控制電源

控制電源電路的原理框圖如圖2所示：

電池電壓、電池溫度、充放電電流的模擬量通過CD4051轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送到單片機的AD采集端口。控制芯片選用高速單片機C8051F020，單片機通過判斷電池電壓、電池溫度、充放電電流、3個整流模塊的電壓輸出相應(yīng)的開關(guān)量；控制板設(shè)計兩路RS422通訊，一路用于電路的擴展通訊，另一路用于系統(tǒng)信息向計算機的傳送。

由高速單片機作為中央處理單元，用來控制各個電子開關(guān)的通斷。采用12位AD轉(zhuǎn)換器采集系統(tǒng)所需要的各種模擬量，其中包括3個整流模塊的電壓、2組蓄電池的電壓及蓄電池的充放電電流、電池電壓并通過RS422數(shù)字接口將信息傳送給監(jiān)控單元。通過溫度傳感器監(jiān)測蓄電池的溫度，當(dāng)溫度過低時，啟動電池加熱器使蓄電池工作在合理的溫度范圍內(nèi)。[3,5，6,9,10]

圖2：控制原理框圖

3.2.7 直流母線防雷器

直流配電單元輸出部分應(yīng)加裝標(biāo)稱工作電壓不小于70V、標(biāo)稱放電電流不小于15kA的限壓型SPD，用于直流輸出防雷。

4直流配電單元主要技術(shù)指標(biāo)

4.1 輸出接口的工作電壓和工作電流

負載A路負載1直流供電AB路負載1直流供電B電池加熱器SI工作電壓+54V+54V+54V+54V+54V+54V工作電流8A3A8A3A1A1．5A

其中A路負載1和B路負載1，直流供電A和直流供電B互為熱備份，即正常時A路發(fā)射機和A路直流供電單元工作，另一個發(fā)射機和另一個直流供電單元處于熱備份狀態(tài)中。

4.2 主要電氣指標(biāo)

系統(tǒng)的輸入和輸出電壓降≤3V(滿載)；

系統(tǒng)工作溫度：-10℃～+55℃；

各帶電回路與機殼之間的絕緣電阻不應(yīng)小于10MΩ；

直流配電單元中各帶電回路之間及帶電零部件或接地零部件之間的爬電距和電氣間隙應(yīng)符合GB/4T4943-200l的規(guī)定，即爬電距離≥3mm，電氣間隙≥2mm；

直流配電單元的接口可向監(jiān)控單元發(fā)送三路輸入電壓和兩組蓄電池充放電電壓和電流數(shù)據(jù)，接受監(jiān)控單元的控制，實現(xiàn)相應(yīng)電子開關(guān)的通斷，完成電池組充放電控制、輔助加熱控制、電池放電檢測功能。其通信接口和通信協(xié)議應(yīng)符合YDN023的有關(guān)規(guī)定：平均無故障間隔時間(MTBF)應(yīng)不小于100000h。

5直流配電單元主要技術(shù)優(yōu)點

(1)增加了對3個整流模塊的監(jiān)控精度，可以通過監(jiān)控單元調(diào)節(jié)3個整流模塊的輸出電壓和恒流特性；

(2)在2個蓄電池回路增加了分流器，用以監(jiān)視充電和放電電流；

(3)取消用于測試蓄電池的放電電阻及相應(yīng)的電子開關(guān)，降低了系統(tǒng)成本，改用系統(tǒng)軟件實現(xiàn)電池容量測試；

(4)采用數(shù)字信號傳輸，提高了信號的傳輸精度；

(5)增加直流輸出母線防雷設(shè)計，提高了抗雷能力。

6結(jié)論

本文中，我們設(shè)計實現(xiàn)了DC+48V直流雙母線直接接入智能控制監(jiān)測電源，此電源負責(zé)直流負載接入、蓄電池組接入和負載分配，將來自整流模塊的DC+48V輸入電壓經(jīng)過直流配電構(gòu)成直流雙母線系統(tǒng)，分別送給配電設(shè)備及蓄電池等單元，同時采集48V輸出電壓和蓄電池組的充放電電壓及電流，提供電壓、電流監(jiān)測，并會同監(jiān)控單元共同實現(xiàn)維護和管理功能。直流配電單元不僅為后級設(shè)備提供直流電源，也為用戶的管理和維護提供電流、電壓信號，也可根據(jù)用戶需要提供各支路通斷情況及聲光告警指示。本設(shè)計的創(chuàng)新點在于：(1)增加單個整流模塊的監(jiān)控精度，通過監(jiān)控單元調(diào)節(jié)整流模塊的輸出電壓和恒流特性；(2)增加蓄電池組回路分流器，來監(jiān)視充電和放電電流；(3)取消用于測試蓄電池的放電電阻及相應(yīng)的電子開關(guān)，降低了系統(tǒng)成本，改用系統(tǒng)軟件實現(xiàn)電池容量測試；(4)采用數(shù)字信號傳輸，提高了信號的傳輸精度。電路設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低，性能卓越，較好實現(xiàn)了簡單、科學(xué)、實用、經(jīng)濟以及更具人性化的設(shè)計目標(biāo)，具有很好的市場價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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