電力操作電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 帆，黃 露，陳向詩瑤

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢工程大學(xué)), 湖北 武漢 430205

電力行業(yè)中為二次設(shè)備供電的電源，稱為操作電源[1].操作電源供電十分可靠，能保證正常和故障情況下都不斷電[2].操作電源的組成單元一般包括交配電單元、充電模塊單元、降壓硅鏈單元、直流饋電單元、配電監(jiān)控單元、監(jiān)控模塊單元、絕緣監(jiān)測(cè)單元等[3-5].以往的直流操作電源功能簡單，控制、精度、可靠性、體積等諸多方面均存在不足，筆者設(shè)計(jì)的UPS-220 V/3A電力操作電源，是一種以單片機(jī)為控制核心，具有智能化、精度高和控制方便等特點(diǎn)，適用于電力系統(tǒng)小型終端變電站、廂式變電站中的直流操作機(jī)構(gòu)正常分合閘及事故跳閘、保護(hù)和控制用的直流電源.在一定程度上有效地改善了傳統(tǒng)操作電源的缺點(diǎn)，具有較高的使用價(jià)值.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)操作電源系統(tǒng)檢測(cè)到存在市電輸入時(shí)，220 V交流市電首先需要經(jīng)過低通濾波器(Electromagnetic Interference ,以下簡稱：EMI)有效地濾除電網(wǎng)上各種高頻雜波的影響，再通過整流電路及濾波環(huán)節(jié)得到較為平直的直流電，經(jīng)過高頻逆變器將直流電變?yōu)楦哳l交流電，通過高頻變壓器隔離、整流器整流和濾波將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)恒的直流輸出，并為蓄電池充電.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到市電中斷時(shí)，電池處于放電狀態(tài)，通過逆變模塊能繼續(xù)為負(fù)載提供220 V交流電，以保證負(fù)載正常運(yùn)行，防止負(fù)載的軟、硬件損壞.筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足如下性能指標(biāo)：

交流輸入：220 V±20%, 50±10 Hz;

直流輸出：0～220 V±0.5%,

最大輸出電流：3 A±0.5%,

紋波系數(shù)：≤±0.1%;

浮充直流電壓：243 V;

均充直流電壓：254 V;

電池最大充電電流：2.5 A;

報(bào)警條件：

輸入異常：交流輸出電壓≤175 V或≥265 V;

輸出異常：直流輸出電壓≥222 V.

圖1 操作電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure of operation power system

1.1 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由AT89S51控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、保護(hù)電路及報(bào)警電路等多個(gè)模塊構(gòu)成.其中最為核心的是以AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)中樞的控制模塊，不僅能完成單片機(jī)中各子程序的運(yùn)行，還能結(jié)合外接鍵盤進(jìn)行多個(gè)不同程序的調(diào)用，并且通過控制各個(gè)電路模塊的功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行.其中系統(tǒng)的鍵盤接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2鍵盤接口電路

Fig.2 Keyboard interface circuit

通過“EC/FC”、“?”、“?”“+”、“-”5個(gè)按鍵分別控制充電模式、消音，增大充電電流，減小充電電流，增加輸出電壓，減小輸出電壓，并通過顯示器顯示.5個(gè)按鍵分別與單片機(jī)的P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口相連.

為保證輸入側(cè)的功率因數(shù)較高，整流模塊電路選用升壓型有源功率因數(shù)校正器(Active Power Factor Correction，以下簡稱：APFC)高頻整流電路，該整流電路的不同之處在于電路中存在一個(gè)外部電壓控制環(huán)和內(nèi)部電流控制環(huán)以及一個(gè)乘法器，通過三者的相互作用，保證了升壓型APFC電路的輸入側(cè)電流電壓連續(xù)且為同頻率同相位的正弦波，故其功率因數(shù)幾乎為1.雖然該電路存在較高的諧波頻率，但通過簡單的濾波電路便能濾除[6]，升壓型APFC電路如圖3所示.

圖3 升壓型APFC高頻整流電路圖Fig.3 Boost type APFC rectifier circuit

由于上述的整流模塊的輸出有較大的紋波分量，故系統(tǒng)的后級(jí)逆變及整流模塊選用單相全橋型DC/AC-AC/DC電路以保證對(duì)紋波系數(shù)設(shè)計(jì)的需要，其DC/DC模塊電路圖如圖4所示.

圖4 DC/DC模塊電路圖Fig.4 DC/DC module circuit

圖4中C1為隔直電容，T1為隔離變壓器.在器件的選擇上，為了保證滿足設(shè)計(jì)參數(shù)并能使系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，選用了IRF730A(400 V，5.5 A)TO-220型MOS管作為導(dǎo)通器件.

通過上述前級(jí)高頻逆變后得到的方波信號(hào)存在較多的高次諧波影響，所以經(jīng)過后級(jí)整流需要再次通過EMI濾波得到穩(wěn)定輸出，同時(shí)經(jīng)過逆變出來的高頻方波信號(hào)通過高頻隔離變壓器將輸入側(cè)與輸出側(cè)隔離，提高了模塊的安全可靠性.

1.2 電池管理

本系統(tǒng)不僅具備電池欠壓自動(dòng)均充功能，同時(shí)還能通過按鍵選擇0.7 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A、2.5 A五種不同電流等級(jí)的均充電模式和充電電壓為245±5 V的浮充電模式.當(dāng)存在市電輸入時(shí)，電池處于充電狀態(tài)，且分為均充、浮充兩種不同的充電方式.開機(jī)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)以均充方式進(jìn)行充電，若系統(tǒng)檢測(cè)到充電電流小于0.15 A，經(jīng)過30 min后，通過智能控制模塊，能自動(dòng)將充電模式切換為浮充電狀態(tài)，同時(shí)會(huì)伴有蜂鳴器報(bào)警提示音.在長期運(yùn)行中，若系統(tǒng)檢測(cè)到電池電壓不足189 V時(shí)，該模塊能將浮充轉(zhuǎn)為均充狀態(tài)，同時(shí)也伴有報(bào)警提示.

在有市電輸入時(shí)，由于輸入端電壓Ui大于電池端電壓Ud，使得輸入端與電池之間的二極管VDd受到反向截止電壓，當(dāng)市電斷開時(shí)，VDd導(dǎo)通，電池端電壓經(jīng)過逆變向負(fù)載供電.放電過程如圖5所示.

圖5 放電過程圖Fig.5 Discharge process map

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電力操作電源的軟件設(shè)計(jì)由6大模塊組成，如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of system software

整個(gè)軟件以AT89S51單片機(jī)為核心的控制器件，能具體實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)實(shí)現(xiàn)電池的智能均浮轉(zhuǎn)換充電，能通過按鍵改變兩種充電方式的充電電壓大??；

(2)當(dāng)輸入、輸出電壓異常時(shí)，能進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)措施來進(jìn)行電壓、電流的限制，并報(bào)警；

(3)能通過相應(yīng)按鍵開關(guān)，人工調(diào)節(jié)電壓輸出大小，并顯示.

其中電源充電模塊程序流程圖如圖7所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)輸出電壓的紋波系數(shù)及穩(wěn)壓精度是否滿足設(shè)計(jì)需要，分別進(jìn)行了輸出電壓紋波系數(shù)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn).在給定直流輸出時(shí)，分別在不同交流輸入下使用TDS1012B示波器測(cè)量不同輸出電流時(shí)的直流紋波電壓和直流輸出電壓，通過計(jì)算分別將相應(yīng)數(shù)據(jù)記錄于表1、表2中.

圖7 電源充電模塊程序流程圖Fig.7 The power charging module program flow chart

表1 直流輸出電壓的紋波系數(shù)Tabel1 DC output voltage ripple coefficient

表2 直流輸出電壓的穩(wěn)壓精度Tabel2 DC output voltage of the voltage regulation accuracy

該實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了系統(tǒng)直流輸出電壓的紋波系數(shù)能保證在0.1%以內(nèi)，當(dāng)給定輸入或者輸入側(cè)電壓波動(dòng)幅度不超過系統(tǒng)的承受范圍時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電壓偏差在0.5%以內(nèi)的穩(wěn)定輸出，同時(shí)通過相應(yīng)按鍵開關(guān)，能實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)可調(diào)輸出；當(dāng)輸入側(cè)電壓存在異常時(shí)，系統(tǒng)能快速反應(yīng)并報(bào)警.

4 結(jié) 語

筆者以整流模塊、直流變換模塊和單片機(jī)控制模塊為核心設(shè)計(jì)的直流操作電源，不僅繼承了傳統(tǒng)操作電源的優(yōu)點(diǎn)，還有效的提高了工作效率，并且獲得了更高的穩(wěn)壓精度.當(dāng)設(shè)定該操作電源輸出為215 V直流電壓時(shí)，能檢測(cè)到輸出端口紋波電壓為0.148～0.157 V，紋波系數(shù)控制在0.1%以內(nèi)，保證了輸出電壓的穩(wěn)定，能有效的保護(hù)負(fù)載.同時(shí)只需要外加輸入、輸出開關(guān)，蓄電池裝入機(jī)柜或直接安裝于高壓開關(guān)柜便可組成一套功能完備的直流系統(tǒng)，此外輸入電壓通過鍵盤控制，輸出電壓采用數(shù)字顯示，操作簡便，顯示直觀，能廣泛應(yīng)用在小型終端變電站、廂式變電站等多種場(chǎng)所.

致 謝

湖北省科學(xué)技術(shù)廳和武漢工程大學(xué)為本研究提供了經(jīng)費(fèi)資助，武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院李國平教授給予了技術(shù)支持，在此一并致于衷心的感謝！

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