一種輸出脈沖寬度及幅值可調(diào)的直流電源裝置

齊向東，沈鵬，李良創(chuàng)，吳澤宇，韓震

（南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000）

0 引言

目前針對開關(guān)的低電壓動作特性試驗，廣泛采用專用的開關(guān)分合閘電源測試儀對開關(guān)進(jìn)行加量測試，目前的開關(guān)分合閘電源裝置無輸出脈沖的限制，即按鈕按壓多長時間，直流電壓輸出即多長時間，同時由于檢修試驗規(guī)程和開關(guān)防拒動專項工作的要求，需測試開關(guān)最低動作電壓值、關(guān)鍵二次元器件的最低動作電壓值，當(dāng)測試量較大時，傳統(tǒng)的開關(guān)分合閘電源測試儀需手動調(diào)整設(shè)置電壓值，準(zhǔn)確得出最低動作電壓需進(jìn)行多次操作，費時費力。本項目在傳統(tǒng)的分合閘電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，可控制直流電源的輸出脈沖的時長和輸出脈沖的幅值，同時可人為設(shè)置控制脈沖寬度、低跳起始電壓和步進(jìn)電壓，自動按步進(jìn)升壓輸出控制脈沖，完成低電壓動作試驗的功能。

1 本項技術(shù)研究概述

在工業(yè)領(lǐng)域中，會普遍的應(yīng)用到可調(diào)分合閘電源電源。工業(yè)生產(chǎn)中往往會應(yīng)用很多電壓可調(diào)的直流電源，具有一定的要求，即能夠有效的對于電壓輸出的直流供電電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。

開關(guān)電源的優(yōu)勢特征諸多，比如常見的效率較高，質(zhì)量較好，而且體重較輕，以往線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源當(dāng)前應(yīng)用逐漸的減少，符合時代發(fā)展需要的就是新型的技術(shù)，也就是直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源以脈寬調(diào)制集成電路的控制模式，將PWM脈沖輸出，同時運用模擬PID調(diào)節(jié)器，展開相應(yīng)的調(diào)制脈寬。此控制舉措，具有誤差的情況，以及具有繁雜的電路系統(tǒng)。

本項目中，進(jìn)行設(shè)計輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開關(guān)電源，其將ST公司的高性能單片機(jī)μpsd3354為控制核心，PWM波產(chǎn)生是通過單片機(jī)形成，數(shù)字化的控制開關(guān)電源的主電路執(zhí)行，電路簡單，功能強(qiáng)大。

2 可調(diào)分合閘電源工作原理

2.1 系統(tǒng)原理

本功率直流電源系統(tǒng)的構(gòu)成，涵蓋了兩部分，其一開關(guān)電源的主電路，其二控制電路。二者產(chǎn)生的作用不盡相同，前一種是對于電能展開相應(yīng)的處理，后一種發(fā)揮出的作用即為處理電信號，負(fù)反饋形成自動控制系統(tǒng)。PWM控制，屬于開關(guān)電源這種技術(shù)的控制方案，并且得到相應(yīng)的偏差，也就是經(jīng)對比給定量和反饋量的方式所獲，然后進(jìn)行PWM輸出控制，中間的渠道就是需要依靠數(shù)字PID調(diào)節(jié)器這一設(shè)備。單片機(jī)系統(tǒng)，可以進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制，同其也是進(jìn)行PWM輸出的重要途徑。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1為單片機(jī)控制功率直流電源結(jié)構(gòu)框圖。其中幾項關(guān)鍵性的構(gòu)成內(nèi)容就是電網(wǎng)濾波、整流濾波、功率轉(zhuǎn)換、整流濾液、驅(qū)動/保護(hù)、傳感器、單片機(jī)、輔助電源等。

圖1 單片機(jī)控制功率電源結(jié)構(gòu)框圖

首先，可調(diào)分合閘電源主電路設(shè)計方面。進(jìn)行轉(zhuǎn)換DCAC-DC過程中，需要依賴于一定的渠道，也就是指開關(guān)電源主電路，系統(tǒng)主電路如圖2所示，應(yīng)用的設(shè)備就是全橋型DC-DC變換器。其中應(yīng)用到了IGBT模塊，BSM 50GB120DN2系列，各模塊的結(jié)構(gòu)屬于半橋的狀態(tài)，全橋系統(tǒng)中模塊構(gòu)成均是2個。模塊內(nèi)有快速續(xù)流二極管的構(gòu)成。

圖2 功率直流電源主電路圖

其次，在控制電路結(jié)構(gòu)框圖方面。其中的重要程序內(nèi)容涉及到的環(huán)節(jié)就是電壓傳感器、矩陣鍵盤、互鎖和緩沖電路、輸入過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、數(shù)碼管驅(qū)動、數(shù)碼管顯示等等方面。ST公司的μpsd3354單片機(jī)為核心，控制電路，應(yīng)用到的就是做功率直流電源?？刂齐娐饭πФ喾N多樣，典型的就是閉環(huán)調(diào)節(jié)、電壓采集、A/D轉(zhuǎn)換等等。控制電路中單片機(jī)系統(tǒng)、電壓采集電路、顯示電路等不可缺少。結(jié)構(gòu)框架詳見圖3，PWM輸出控制功率，進(jìn)行開關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷時間的轉(zhuǎn)化，輸出電壓的狀態(tài)，達(dá)到平穩(wěn)的狀態(tài)，A/D轉(zhuǎn)換以后輸出電壓，電壓閉環(huán)。開關(guān)電源工作期間單片機(jī)PID對于PWM占空比展開相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)圖

3 儀器使用介紹及功能測試情況

技術(shù)參數(shù)：其中包括的內(nèi)容詳見以下幾方面指標(biāo)：輸入電源：AC220V±10%，50Hz±10%；固定交流輸出：AC220V±10%，50Hz±10%；試驗電源輸出：DC30～ 250V數(shù)字可調(diào)；瞬時工作：20A；步進(jìn)電壓可選：1V、3V、5V；脈沖時間可選：50ms-10000ms。

主要涵蓋的內(nèi)容包括以下幾方面：動作電壓：設(shè)置控制脈沖寬度、低跳起始電壓和步進(jìn)電壓，自動按步進(jìn)升壓輸出控制脈沖，完成低電壓動作試驗；額定電壓：設(shè)置額定動作電壓，按額定電壓百分比輸出控制脈沖，完成額定電壓試驗；輸出保持：保持輸出設(shè)定的控制脈沖，直至停止按鍵的選擇；固定交流輸出：輸出AC220V。

另外，在進(jìn)行儀器測試的方面上，主要的程序就是：依次設(shè)置“控制脈沖寬度”、“低跳起始電壓”和“步進(jìn)電壓”后，進(jìn)入動作電壓試驗界面（如上所示）；此時儀器的直流輸出電壓就是“當(dāng)前電壓”，選擇【合閘】或【分閘】按鍵，即輸出一次合閘或分閘控制脈沖，實時輸出的電壓顯示在“動作電壓”處，而“當(dāng)前電壓”自動按步進(jìn)電壓升壓并顯示；如果斷路器沒有動作，則再通過按【合閘】或【分閘】按鍵進(jìn)行一次輸出，直至斷路器動作。按【返回】按鍵，退出動作電壓試驗。

4 結(jié)語

在本項目中，進(jìn)行研發(fā)設(shè)計了高性能單片機(jī)μpsd3354為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開關(guān)電源，PWM波是通過單片機(jī)直接產(chǎn)生，實現(xiàn)了數(shù)字控制開關(guān)電源的主電路，不僅有較強(qiáng)大的功能，而且具有比較簡單化的電路構(gòu)造。本項目的研究成果可廣泛應(yīng)用于電力試驗，人為控制直流電源的輸出脈沖的時長和輸出脈沖的幅值，設(shè)置控制脈沖寬度、低跳起始電壓和步進(jìn)電壓，自動按步進(jìn)升壓輸出控制脈沖，方便快捷的測出開關(guān)或者二次元器件的最低動作電壓值，確保測試過程低風(fēng)險和高效率，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保障，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可以進(jìn)行推廣運用，未來進(jìn)行積極的創(chuàng)新發(fā)展。