真空斷路器直流操作電源電池充電單元設(shè)計

姜志海

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

真空斷路器直流操作電源電池充電單元設(shè)計

姜志海

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

電池充電單元是真空斷路器操作電源中的核心部件，事關(guān)整個電源系統(tǒng)的性能優(yōu)劣.該設(shè)計提出了一種新型的電池充電單元，其功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用反激式變換電路，可有效提高功率密度、減少系統(tǒng)體積和成本；控制環(huán)節(jié)基于UC3844型專用芯片，實現(xiàn)峰值電流控制模式，可有效提高系統(tǒng)運行性能.設(shè)計了專門功能電路，可實現(xiàn)電池充電三段模式轉(zhuǎn)換功能和電池保護(hù)報警功能.實驗室測試結(jié)果表明，所設(shè)計的電池充電單元輸出電壓精度較高，具有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性.

直流操作電源；充電；反激式變換；峰值電流控制

電力真空斷路器直流操作電源在35kV及以下小型開關(guān)站、開閉所、柱上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站和用戶終端等配電自動化終端設(shè)備中應(yīng)用廣泛.新型的電力直流操作電源除要求具有穩(wěn)定的直流電壓輸出、完備的通訊及報警等功能外， 還要求裝置具有較高的功率密度，以減少裝置體積與重量，使其可嵌入安裝在開關(guān)設(shè)備柜體面板上或者柜體內(nèi)部，實現(xiàn)分布式供電；同時盡可能減少電容、電感等儲能元件參數(shù)，以降低裝置制作成本.

完整的直流操作電源系統(tǒng)包括蓄電池組、充電單元、輸出調(diào)節(jié)單元以及監(jiān)控管理單元等幾部分組成[1-2].如圖1所示.蓄電池充電單元需要根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)，把220V交流市電轉(zhuǎn)換成三種不同的電流或電壓，給電池提供電量，其輸出特性將直接影響蓄電池組的工作性能和循環(huán)壽命，并且在很大程度上決定了系統(tǒng)的體積、重量和成本，因此成為真空斷路器直流操作電源設(shè)計的關(guān)鍵.為保證充電單元有良好的輸出特性、較高的功率密度和較低的制作成本，設(shè)計基于反激式變換電路和峰值電流控制策略，并輔以三段充電模式轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)報警電路.

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1 反激式變換電路工作原理和控制策略

基本的反激式變換電路如圖2所示.

圖2 基本的反激式變換電路

基本的反激式變換電路組成較為簡單，分別由一可控半導(dǎo)體開關(guān)S、不可控開關(guān)管D、濾波電容C以及反激式變壓器構(gòu)成.開關(guān)S一般由功率MOSFET實現(xiàn)；開關(guān)D一般為快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管；最為重要的元件是反激式變壓器，其具有變壓、隔離和儲能三重功能，本質(zhì)上把變壓器與電感合為一體，是功率變換環(huán)節(jié)設(shè)計的關(guān)鍵部件[2].

1.1 反激式變換電路的基本電壓關(guān)系

在可控開關(guān)關(guān)斷期間，如果變壓器副邊電流一直大于零，變換電路工作于電流連續(xù)模式(CCM)；如果變壓器副邊電流持續(xù)一段時間為零，變換電路工作于電流斷續(xù)模式(DCM).

根據(jù)變壓器安匝值不能突變的原則，在CCM下，經(jīng)推導(dǎo)可得輸出與輸入電壓關(guān)系為

(1)

其中U0和U1分別為輸出與輸入電壓，N1和N2分別為變壓器副邊和原邊匝數(shù)，D為可控開關(guān)管占空比.

在DCM下，經(jīng)推導(dǎo)可得輸出與輸入電壓關(guān)系為

(2)

其中，TS為可控開關(guān)管的開關(guān)周期，I0為等效負(fù)載電流.由此可以看出，在DCM下，輸出電壓除與占空比有關(guān)外，還與負(fù)載電流直接相關(guān).

由式(1)和式(2)可以看出，無論是哪種工作模式，通過調(diào)節(jié)占空比D都可以控制輸出電壓.

1.2 反激式變換電路的控制策略

為滿足電池組的充電需要，首先保證變換電路在不同充電模式下均可以準(zhǔn)確的動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓，故需要一電壓閉環(huán).其次為提高系統(tǒng)控制的動態(tài)特性且能自動限流，設(shè)置一峰值電流比較環(huán)節(jié).控制策略總體為電壓電流雙層控制，外層為輸出電壓閉環(huán)，內(nèi)層為峰值電流比較部分，即峰值電流控制模式，上述控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 控制結(jié)構(gòu)框圖

峰值電流控制模式有模擬和數(shù)字兩種實現(xiàn)方式，對于反激式變換電路的控制，市場有價格低廉但性能優(yōu)良的電源專用控制芯片，可實現(xiàn)峰值電流控制模式.本文選擇UC3844型專用集成芯片來實現(xiàn)上述控制策略.

2 基于反激式變換電路的直流操作電源電池充電單元設(shè)計

2.1 充電單元設(shè)計要求

電池充電單元的輸入電源為220V交流市電，交流電整流后得到直流電壓，經(jīng)反激式變換電路調(diào)節(jié)，作為電池組的充電電源.根據(jù)真空斷路器直流操作電源的工作需要，擬設(shè)計的電池充電單元主要技術(shù)要求或參數(shù)為：

1)三段式充電模式.充電過程第一階段為恒流充電(設(shè)為8A)，當(dāng)充電電壓達(dá)到平均充電壓后自動轉(zhuǎn)到充電過程第二階段，恒壓充電(設(shè)為28V)，當(dāng)充電電流小于浮充設(shè)定值后自動轉(zhuǎn)為第三階段的浮充模式充電(設(shè)為27V)[3].

2)電池保護(hù)及報警功能：(1)低壓報警功能：當(dāng)交流失電，電池電壓低于23V時，“電池低壓”指示燈亮，蜂鳴器響聲報警.(2)電池欠壓保護(hù)：當(dāng)電池電壓低于21V時，應(yīng)能自動斷開電池與主電路的連接，使電池處于斷開狀態(tài)，避免電池小電流深度放電損壞.(3)電池過壓保護(hù)：當(dāng)電池充電電壓高于29V時，需要自動斷開電池與主電路的連接，使電池處于斷開狀態(tài)，避免電池過度充電損壞.

2.2 反激式變換電路的計算

反激式變換電路是整個電池充電單元的核心部分，其中反激式變壓器又是功率電路中的設(shè)計關(guān)鍵[4-5].

按照充電單元設(shè)計的技術(shù)要求，反激式變換電路運行過程中最大電流為8A，最大電壓為28V，因此最大充電功率為PL=28×8=224W，考慮到自饋繞組需輸出一定功率，反激式變壓器功率設(shè)定為Po=230W.

2.2.1 變壓器原邊與輸出邊匝比確定

直流操作電源充電單元的輸入為220V單相交流市電，經(jīng)整流后得到直流電壓供給反激式變換電路.考慮到市電電壓波動，設(shè)交流輸入最大至250V，則整流后得到反激式電路的最高直流輸入電壓為

考慮功率管的電壓裕量，MOSFET額定電壓一般選600V.為保證MOSFET的安全性，在其關(guān)斷期間，可通過阻容電路或齊納二極管吸收尖峰電壓，使其漏極電壓不超過額定值.在本設(shè)計中留有50V裕量，設(shè)定漏極電壓不超過550V.如果把MOSFET關(guān)斷時變壓器的原邊電壓記作Vo1，則有ViMAX+Vo1=350+Vo1≤550V，由此得Vo1=200V.

由變壓器電壓變比與匝比關(guān)系可得變壓器匝比

2.2.2 占空比確定

反激式電路平均直流輸入電壓取

Vi=(1.3～1.4)×220≈300V.

易得平均輸入電流

MOSFET關(guān)斷器件副邊電流折算到原邊值為

2.2.3 峰值開關(guān)電流計算

為確定功率MOSFET，需計算峰值開關(guān)電流.

副邊電流斜波中心值

原邊電流斜波中心值

根據(jù)原邊電流斜坡中心值和峰值開關(guān)電流的關(guān)系，可得峰值開關(guān)電流為

根據(jù)此值，考慮2～3倍電流裕量，取額定電流為10A的MOSFET，本設(shè)計中選用了IR公司IRFPC60型MOSFET，其額定電壓/電流為600V/10A.

2.2.4 反激式變壓器一次電感值確定

根據(jù)反激式變換電路功率，開關(guān)頻率fs確定為64kHZ，則在一個MOSFET導(dǎo)通期間，變壓器的伏秒增量數(shù)為

根據(jù)電感的伏安關(guān)系，可求得變壓器一次電感應(yīng)為

2.2.5 反激式變壓器磁芯選擇

設(shè)計中擬選用鐵氧體磁芯，首先根據(jù)經(jīng)驗公式大致確定磁芯體積：

帶入相應(yīng)參數(shù)值，可得Ve≈54cm3.經(jīng)查鐵氧體磁芯參數(shù)表，選取EE80型鐵氧體磁芯，其實際體積Ve=Ae×le=3.81×18.3≈70cm3，略大于計算值，可滿足要求.

2.2.6 反激式變壓器匝數(shù)計算

原邊匝數(shù)可據(jù)公式(3)計算.

(3)

其中ΔB為鐵氧體磁密變化值，一般取0.3T，代入其他各參數(shù)值后，可得反激式變壓器原邊匝數(shù)N1≈49，變壓器輸出邊匝數(shù)可根據(jù)變壓器變比計算.

另外，變壓器原邊的電感值可通過調(diào)整磁芯氣隙設(shè)定.

2.3 基于UC3844的PWM控制電路的設(shè)計

采用新型脈寬調(diào)制集成電路UC3844作為PWM控制芯片，它具有功能全，工作頻率高，引腳少外圍元件簡單等特點，電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%V，非常接近線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整率.工作頻率最高可達(dá)500kHz，啟動電流低至1mA，啟動電路十分簡單.配合芯片外圍電路，可以實現(xiàn)前文所述的峰值電流控制策略[4-6].

根據(jù)UC3844應(yīng)用的典型電路及反激式變壓器的計算參數(shù)，可設(shè)計出基于UC3844的PWM控制電路.圖4為由UC3844 構(gòu)成的單端反激開關(guān)電源電路.

在圖4中，JP6是220V交流市電輸入接口，市電經(jīng)安規(guī)電容C31、共模電感L1濾除電磁干擾，再經(jīng)整流橋整流、濾波電容C32 濾波后，一路接變壓器原邊繞組，一路接電阻R7，R8 ，降壓后加到UC3844 的供電端，為UC3844 提供啟動電壓.⑥腳輸出的方波驅(qū)動信號經(jīng)限流電阻R5驅(qū)動MOSFEF功率管，變壓器原邊繞組的能量傳遞到副邊繞組，經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓供負(fù)載使用.R1為開關(guān)管開關(guān)過程中積累的電荷提供釋放回路，保護(hù)開關(guān)管.開關(guān)管旁邊的RCD緩沖電路是為了防止MOSFET功率管在關(guān)斷過程中承受大反壓.

圖4 單端反激開關(guān)電源電路

過載和短路保護(hù)：電阻RS1用于電流檢測，經(jīng)R3、C3 濾濾后送入UC3844形成電流反饋環(huán).當(dāng)流過開關(guān)管的電流過大，UC3844采樣電壓高于1V時振蕩器停振，保護(hù)功率管不至于過流而損壞.

2.4 電池三段式充電轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)所用蓄電池為24Ah鉛酸蓄電池，額定電壓24V.電池的充電采用恒流，恒壓和浮充的三段式充電模式，三個充電階段的切換通過硬件電路配合單片機(jī)來實現(xiàn)，圖5為電池充電模式轉(zhuǎn)換電路.恒流充電階段的電流設(shè)定為8A即C/3，電流經(jīng)阻值為0.06歐姆電阻采樣由U3B構(gòu)成的電流采樣電路，U3B輸出與電壓UC3844的電壓反饋電路共同決定了降壓電路輸出電壓的大小.當(dāng)電流超過8A時，Q3的電壓大于Q4，降壓電路輸出電壓受Q4的輸出決定，輸出電壓小于Q3決定的27V，電流被限制在8A.當(dāng)充電電流小于8A時，Q4不起作用，輸出輸出電壓由Q3決定.單片機(jī)檢測充電電流，當(dāng)充電電流大于1A時，將JP5.3置為高電平，Q7導(dǎo)通，充電電壓限制在28V，進(jìn)入恒壓充電模式，當(dāng)充電電流小于1A時，將JP5.3置為低電平，Q7關(guān)斷，充電電壓限制在27V，進(jìn)入浮充模式.

圖5 電池充電模式轉(zhuǎn)換電路圖6 PW脈沖波形圖7 反激式變壓器副邊電壓波形

3 實驗結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計過程，制作了真空斷路器直流操作電源電池充電單元的實驗樣機(jī).其中圖6為用于驅(qū)動MOSFET的PWM脈沖波形，圖7為反激式變壓器副邊電壓波形，圖8為MOSFET工作電流波形，圖9為反激式電路(充電單元)輸出電壓波形.

圖8 峰值電流(開并管電流)波形

圖9 反激式電路輸出電壓波形

實驗結(jié)果表明，基于反激式變換電路的電池充電單元輸出電壓精度較高，紋波率低，且有良好的動態(tài)特性，能滿足直流操作電源的運行需要.

4 結(jié)束語

為滿足新型真空斷路器直流操作電源對蓄電池充電單元的要求，設(shè)計了基于峰值電流模式控制的反激式變流電路用于蓄電池組的三段模式充電.實驗室測試結(jié)果表明，設(shè)計的蓄電池充電單元有較好的靜、動態(tài)特性，能滿足真空斷路器直流操作電源運行需求，具有較好的實用價值.

[1]王錫凡,邵成成,王秀麗,等.電動汽車充電負(fù)荷與調(diào)度控制策略綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(1):1-10.

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(編輯：劉寶江)

Design on battery charger in vacuum circuit breaker DC operating power supply

JIANG Zhi-hai

(School of Electrical and Electronic Engineering，Shandong University of Technology,Zibo 255049, China)

Battery charging unit is the core component in the operational power supply of vacuum circuit breaker, which is related to the total performance of power supply system. This design presens a new model of battery charing unit. Power conversion of the battery charging unit uses flyback converter circuit that can effectively increase power density and reduce volume of the system as well as cost; unit controlling is based on UC3844 dedicated chip to implement control mode of peakcurrent that can effectively increase system operating performance. Special function circuit is designed to implement three-stage mode shift in battery charging process and battery protection warning. Experiments in lab show that designed battery charging unit can produce high-accuracy output voltage and provide with great static/dynamic characteristics.

DC operation power supply; charging unit; flyback converter circuit; implement control mode of peak current

2016-06-19

姜志海,男,615793218@qq.com

1672-6197(2017)03-0055-05

TM

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