小型高壓預充電及配電裝置

王燕玲

摘要：小型化高壓預充及配電裝置可解決容性負載上電時的沖擊電流問題，同時可實現(xiàn)電容放電，提高系統(tǒng)安全性。該裝置可實現(xiàn)用電設備的配電控制，并通過總線實現(xiàn)遠程控制。

關鍵詞：充電、配電、放電、短路

0 序言

直流高壓供電體制系統(tǒng)中，為維持直流電壓穩(wěn)定，通常在母線上或負載兩端并聯(lián)一個或一組大容量電容，起到濾波和蓄能的作用。由于電容在冷態(tài)啟動時，相當于短路，會出現(xiàn)瞬間沖擊電流，對電源、設備造成沖擊?，F(xiàn)階段，針對該類電容，通常在回路串聯(lián)電阻，限制瞬間的沖擊電流，待電容充滿后，切換至高壓繼電器進行配電。

系統(tǒng)中采用串聯(lián)電阻進行限流，無保護、體積大、可靠性低等現(xiàn)狀。存在以下缺陷：

a）電容充電瞬間電流較大，限流電阻可限制電流沖擊，則電阻功耗較大，需選擇功率較大的電阻，功率大意味著體積大，導致裝置體積大，浪費空間。

b）電容充電過程中，無保護功能，安全性低。

c）系統(tǒng)斷電后，電容上存在電壓，無放電回路，存在安全隱患。

d）電容的充電時間受限流電阻的影響，時間固定不可調。

1 總方案

研究具有充電、配電、放電功能，適用于高壓系統(tǒng)控制器配電的高壓智能配電控制裝置，同時具備過壓保護、過流保護、過溫保護、負載異常判斷、短路保護功能。該裝置主要由充電單元、配電單元、放電單元、微處理器構成，功能框圖如圖1所示，放電單元、充電單元原理框圖如圖2、圖3。充電單元所示為1個充電支路，也可采用多個充電支路并聯(lián)，每個支路有各自的驅動和電流反饋電路，多個支路并聯(lián)可增大充電電流，從而縮短充電時間，同時更適用于更大容量的電容，但多個支路并聯(lián)會增加整體的尺寸和重量，因此根據(jù)負載電容的實際需要確定支路的路數(shù)。

對于容性設備進行配電，配電過程主要是：

a）通過總線發(fā)送控制接通指令，微處理器接收到接通命令后，打開充電單元進行設備充電，待設備電壓與輸入電壓相等時，關閉充電;

b）關閉充電的同時，微處理器打開配電單元，設備可正常供電;

c）關閉配電后，微處理器打開放電單元，對設備電容進行放電，放電到電壓低于或等于設置值時，關閉放電;

d）放電單元與充電單元或配電單元不能同時打開，軟件中設置間隔時間，可防止同步打開造成功率開關管損壞。

2 詳細原理方案

a）充電單元

充電電路原理是利用恒流源電路充電，具體是采用功率開關管放大區(qū)工作特性實現(xiàn)。充電電路主要由充電主回路、PI調節(jié)電路、基準電路、電流檢測回路等構成。微處理器接收到總線充電指令后，控制PI調節(jié)電路驅動功率開關管導通，充電回路產生充電電流，通過電阻采集充電電流，將電流信號轉換為電壓信號，該電壓經放大后到PI調節(jié)電路，直到電壓無限接近基準電壓，再經過PI調節(jié)電路，輸出控制功率開關管工作在放大區(qū)，實現(xiàn)電容恒流充電。微處理器接收到總線調整基準電壓時，PI調節(jié)電路工作，充電回路電流改變，直到電流轉換后的電壓信號無限接近調整后的基準電壓，實現(xiàn)充電電流的可調。

充電過程中，通過軟件判斷固定時間內輸出電壓的變化，從而判斷輸出是否異常。若固定時間內輸出電壓變化低于設置值，且輸出電壓未達到設置值，則判定為短路;若固定時間內輸出電壓變化低于設置值，而輸出電壓達到設置值，判定為輸出異常（阻性負載或容量過大電容）。

b）配電單元

配電單元主要由驅動電路、配電回路、電流采集、電壓采集、短路保護等構成。

配電功能實現(xiàn)過程及工作原理：

1）配電電路打開后，控制驅動電路使功率開關管飽和導通，實現(xiàn)配電;

2）通過隔離采樣電路采集輸入、輸出電壓，實時監(jiān)測設備工作電壓狀態(tài);采用電流互感器采集輸出電流，實時監(jiān)測設備工作電流狀態(tài);采用鉑電阻進行溫度采集，實時監(jiān)測自身溫度;將各采樣值與設置故障值比較，作為過壓、過流、過溫故障的診斷條件;

3）采用去飽和短路檢測方法實現(xiàn)短路保護，功率開關管S極對電源負極短路后，ID電流增大則DS兩端電壓逐漸直到觸發(fā)短路保護，關閉驅動電路輸出，控制功率開關管關斷，改變短路檢測回路中電阻阻值可調整短路電流值;

4）工作過程中出現(xiàn)過壓、過流、過溫、短路任一故障，模塊關斷配電輸出，實現(xiàn)對模塊自身和用電設備保護功能;

5）總線接收到關斷指令后，控制驅動電路切斷驅動電壓，從而關斷配電輸出。

過壓保護：容性設備兩端采樣電壓大于微處理器設置的過壓值，關閉配電，實現(xiàn)過壓保護。

過流保護：配電輸出過程中，采樣電流大于微處理器設置的過流值，關閉配電，實現(xiàn)過流保護。

過溫保護：配電過程中，采樣溫度大于微處理器設置的過溫值，關閉配電，實現(xiàn)過溫保護。

短路保護：采用集成了驅動、短路保護的高壓驅動芯片，當輸出短路時，功率開關管的DS端電壓增大到觸發(fā)短路保護點時，驅動芯片自動切斷驅動電壓，同時輸出保護信號到微處理器，微處理器通過識別該信號，確認是否短路故障。

c）放電單元

放電電路與充電電路原理相同，采用恒流進行放電。放電電路主要由放電主回路、PID調節(jié)電路、基準電路、電流檢測回路等構成。微處理器接收到總線放電指令后，打開PID調節(jié)電路，驅動放電主回路工作，電流檢測回路檢測放電回路電流，將電流轉換為電壓信號，直到電壓無限接近基準電壓，放電回路電流保持不變，該電流即為放電電流。微處理器接收到總線調整基準電壓時，放電回路電流改變，直到電流轉換后的電壓信號無限接近調整后的基準電壓，實現(xiàn)放電電流的可調。放電過程中，在規(guī)定的時間內，輸出未降低至設置的電壓值，則判定為放電異常。

充電電路與放電電路禁止同時打開，軟件控制時需進行延時處理。

3 特點

該裝置的主要優(yōu)點有以下：

a）采用恒流充電方式，有效限制電容瞬間沖擊電流，減小啟動時對電源和電容的沖擊。

b）具備充電、配電、放電功能，保護功能齊全，安全性高。

c）裝置可采用一體化結構，集成度高，體積小，相較傳統(tǒng)的電阻限流的方式，該裝置體積大大縮小，適用度高。

d）充電電流及放電電流均可調節(jié)，使電容充電和放電的時間可控，適應不同容量電容的要求。

4 結論

該裝置適用范圍廣，可應用于高壓電氣系統(tǒng)中各類容性設備的配電控制，同時可用于阻性負載的配電控制。與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明提出的電容充電電路可有效限制容性設備啟動時的瞬間沖擊電流，減小啟動時對電源和設備的沖擊，提高電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。該裝置體積小，可適用于市場小型化產品需求的趨勢。充放電時間可靈活變換，適應不同容量負載的需求。同時該發(fā)明中的充電電路的原理可并聯(lián)使用，應用于高壓直流母線中大容量電容或容性負載設備的充電需求。

參考文獻

1、韓靜霖，李國峰，張勇? 一種電壓控制電流源的設計與應用[J]. 電子應用技術，2008.34（8）：64-65.

2、賀國權 一種壓控恒流源的研究[J]，儀表技術，2004（1）：53-54.