電力用智能高頻開關(guān)整流式充電電源

摘要：智能高頻開關(guān)整流式充電電源，由微機(jī)監(jiān)控模塊和充電模塊組成。本文從這兩方面出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行介紹。一方面對(duì)充電模塊的功率轉(zhuǎn)換部分及保護(hù)部分進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，另一方面闡述微機(jī)監(jiān)控模塊軟硬件的設(shè)計(jì)框架。

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源調(diào)制解調(diào)器IGBT模塊綠色電源

Design of Intelligent High－ frequency Switching Power Supply in Power System Abstract:Intelligent high－ frequency charging power unit is of switching/rectifying type,consisting of microprocessor based supervising and control module.This article mainly introduces the power conversion part and protection part of the charging module and on the other hand.It introduces the design concept of the software and hardware for the microprocessor based supervising and control module.

Keywords: High－ frequency switching power supply Modem IGBT module Green power unit

1引言

　　微機(jī)產(chǎn)品在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，導(dǎo)致對(duì)供電電源提出了更高的要求。美國(guó)、德國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家電力系統(tǒng)中的直流電源早已采用模塊高頻開關(guān)整流式電源。在我國(guó)這種更新?lián)Q代也已經(jīng)開始。本文介紹的電力用智能高頻開關(guān)整流式充電電源正是為適應(yīng)這種趨勢(shì)而開發(fā)研制的。

2微機(jī)監(jiān)控模塊硬件設(shè)計(jì)

　　微機(jī)監(jiān)控模塊的硬件框圖如圖1所示

圖1 微機(jī)監(jiān)控模塊硬件框圖

　　監(jiān)控模塊不僅對(duì)各電源模塊的電壓、電流以及輸入三相交流電進(jìn)行采樣，而且還對(duì)直流饋電屏的電池電壓和控制以及合閘母線的電流進(jìn)行采樣，所有采集到的模擬量，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)進(jìn)入80C196KC芯片的A/D轉(zhuǎn)換口，由程序控制多路選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過(guò)整定來(lái)獲得當(dāng)前各模擬量的數(shù)值。本系統(tǒng)沒(méi)有采用外加D/A轉(zhuǎn)換器，而是利用芯片本身的資源，通過(guò)芯片的P2.5和HSO腳輸出PWM脈沖，經(jīng)放大后送到各電源模塊控制口，對(duì)各電源模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，各電源模塊的輸入、輸出控制信號(hào)和各種異常信號(hào)以及饋電屏的所有信號(hào)，都進(jìn)行了光電隔離。系統(tǒng)采用清華蓬遠(yuǎn)科貿(mào)公司的MGLS240128T液晶模塊顯示。顯示一律為漢字，使操作簡(jiǎn)單明了。由于此液晶模塊自身有驅(qū)動(dòng)電路，就大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。監(jiān)控模塊通過(guò)80C196KC單片機(jī)的TXD和RXD口，由調(diào)制解調(diào)器（MODEM）接入電話網(wǎng)，進(jìn)行網(wǎng)上微機(jī)通訊。

3微機(jī)監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控模塊主程序框圖如圖2所示。

　　由于監(jiān)控模塊的參數(shù)比較多，一液晶屏無(wú)法全部顯示，因此程序框架采用樹枝狀分枝結(jié)構(gòu)。開機(jī)后，首先對(duì)各電源模塊進(jìn)行初始化，同時(shí)，顯示公司名稱及產(chǎn)品名稱畫面。按回車鍵進(jìn)入主菜單畫面，各項(xiàng)顯示一律菜單化。對(duì)各電源模塊和A/D參數(shù)以及密碼進(jìn)行設(shè)定時(shí)，必須先輸入密碼，這是為防止參數(shù)被隨意修改。然后才能進(jìn)入相應(yīng)畫面進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)程序?qū)?shù)可修改范圍進(jìn)行自動(dòng)限幅，以保證系統(tǒng)

圖2微機(jī)監(jiān)控模塊主程序框圖

注：I1為浮充電流轉(zhuǎn)換點(diǎn)，I2為主充電流轉(zhuǎn)換點(diǎn)，U2為主充穩(wěn)壓點(diǎn)，IW為穩(wěn)流點(diǎn)。

運(yùn)行安全。對(duì)A/D參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，是為了調(diào)試方便，使顯示的電壓、電流值與實(shí)際相符。若當(dāng)前系統(tǒng)存在故障，則微機(jī)監(jiān)控模塊立即發(fā)出聲光報(bào)警，液晶屏顯示當(dāng)前故障和發(fā)生時(shí)刻，同時(shí)微型漢字打印機(jī)也把所顯示的內(nèi)容打印出來(lái)。當(dāng)故障消失后，回到主菜單顯示。另外在正常工作情況下，按下打印鍵，可以打印出除時(shí)間參數(shù)以外的任何當(dāng)前液晶顯示畫面。所設(shè)定的各參數(shù)保存于外部DS12887時(shí)鐘芯片內(nèi)，在監(jiān)控模塊掉電的情況下，各參數(shù)值也不會(huì)丟失。程序設(shè)計(jì)中，利用定時(shí)器0來(lái)進(jìn)行A/D采樣和各開關(guān)量采集，利用定時(shí)器1進(jìn)行鍵盤處理，利用定時(shí)器2進(jìn)行讀DS12887時(shí)鐘。在時(shí)間參數(shù)菜單內(nèi)，可以對(duì)時(shí)間和日期進(jìn)行設(shè)定。為了使程序明朗直觀，程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊相互獨(dú)立，對(duì)于模塊間不可缺少的聯(lián)系，在RAM中開辟了若干標(biāo)志單元，各模塊可根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)在標(biāo)志單元中設(shè)定標(biāo)志位做相應(yīng)處理。液晶漢字顯示的字庫(kù)，是利用漢字提取軟件，直接從UCDOS內(nèi)提取，特殊字符利用軟件自編點(diǎn)陣。液晶進(jìn)行漢字顯示時(shí)，首先將漢字點(diǎn)陣內(nèi)容送至液晶的CGRAM單元內(nèi)，顯示時(shí)讀取該單元的內(nèi)容就可以了。通信協(xié)議采用電力系統(tǒng)“循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約”，監(jiān)控系統(tǒng)具有“四遙”功能。上下微機(jī)傳送數(shù)據(jù)采用CRC校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)傳送的正確性。

圖3電源模塊原理圖

4強(qiáng)電磁干擾問(wèn)題的解決辦法

　　本微機(jī)監(jiān)控模塊是專門為電力系統(tǒng)的直流電源系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，由于發(fā)電廠或變電站高壓電力線密集，空間電磁干擾和電源竄入干擾特別嚴(yán)重，為了保證微機(jī)監(jiān)控模塊正常工作，提高其抗干擾能力，解決措施如下：

（1）微機(jī)監(jiān)控模塊的各工作電源，首先經(jīng)電磁兼容濾波器濾波，再由直流變換器隔離，最后由共膜濾波器再濾波，然后供給微機(jī)監(jiān)控模塊，所有電源線應(yīng)盡量短且做成雙絞線。

（2）采樣電路和開關(guān)量采集電路采用光電隔離且采用多次電容濾波。

（3）模擬與數(shù)字電路間進(jìn)行光電隔離。

（4）測(cè)量的電壓與電流信號(hào)，采用中值和均值混合濾波方式。

（5）軟件采用模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在每個(gè)模塊之后和程序存儲(chǔ)器空白區(qū)加軟件陷井，并且在一些重要跳轉(zhuǎn)指令之后加了軟件冗余指令。

實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)以上處理，微機(jī)監(jiān)控模塊的抗干擾能力大大提高了。

5電源模塊功率電路的設(shè)計(jì)

　　總體框圖如圖3所示。主電路采用德國(guó)西門子公司的BSM1200GB1200DN2KIGBT模塊，組成半橋電路。此部分是電源模塊的核心，其性能的好壞直接影響整個(gè)電源的性能與可靠性。驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司的混合集成電路M57959L，此混合驅(qū)動(dòng)電路在輸入和輸出之間利用光耦實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，從而提高了抗干擾能力。另外，此集成電路在大電感負(fù)載情況下，能限制di/dt所形成的尖峰電壓，這就更進(jìn)一步保證了IGBT的安全。

　　控制芯片采用TL494集成芯片，TL494是一個(gè)固定頻率的PWM控制電路，適用于設(shè)計(jì)所有的單端或雙路開關(guān)電源的典型電路。本電源模塊采用N＋1熱備份，完全實(shí)現(xiàn)無(wú)主從均流方式，從而可組成超大功率直流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)冗余結(jié)構(gòu)，獲得了極高的可靠性。

6充電程序及原理

　　通過(guò)微機(jī)監(jiān)控模塊，可以設(shè)定電源模塊的充電方式。

6.1手動(dòng)充電方式

在電源模塊參數(shù)設(shè)定菜單內(nèi)選手動(dòng)充電方式，即進(jìn)入設(shè)定恒定電流值選項(xiàng)。這種充電方式采用恒流限壓兩階段充電。電池虧容的情況下，首先進(jìn)入恒流充電，經(jīng)微機(jī)監(jiān)控模塊的檢測(cè)與判斷，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，便進(jìn)入恒壓充電方式。這種充電方式一般是適用于對(duì)新電池進(jìn)行活化處理或?qū)﹄姵剡M(jìn)行快速充電。

6.2自動(dòng)充電方式

　　在參數(shù)設(shè)定菜單內(nèi)，選自動(dòng)充電方式，即進(jìn)入自動(dòng)充電狀態(tài)。這時(shí)候各電源模塊工作于恒壓限流運(yùn)行方式。它為經(jīng)常負(fù)載提供電流的同時(shí)，也向電池組浮充電，來(lái)補(bǔ)充電池組本身的能量自損耗。當(dāng)電池組虧容后，電源模塊經(jīng)微機(jī)監(jiān)控模塊的判斷后，便進(jìn)入主充電狀態(tài)，先以恒流充電，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，就以恒壓充電。補(bǔ)充到電池額定容量后，這時(shí)候電源模塊對(duì)電池組的充電電流也達(dá)到主充與浮充的臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)，經(jīng)微機(jī)監(jiān)控模塊檢測(cè)與判斷，便自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓浮充工作狀態(tài)。見圖2所示流程圖。各充電電源模塊既采樣輸出電壓，還要采樣通過(guò)電池本身的電流，把采樣信號(hào)送到微機(jī)監(jiān)控模塊。由于在電池組中串聯(lián)了精度極高的電流霍耳元件對(duì)電池充電電流進(jìn)行采樣，可以精確地補(bǔ)充放電量，不需人為計(jì)算和控制，這樣就保證了電池組既不虧容，也不過(guò)充，從而大大延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

7保護(hù)電路

　　本電源模塊設(shè)有獨(dú)立的故障檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)輸入過(guò)壓、欠壓和過(guò)流、短路、過(guò)熱等故障。出現(xiàn)故障時(shí)，由繼電器引出提供給微機(jī)監(jiān)控模塊。所有這些均為恢復(fù)性保護(hù)，當(dāng)發(fā)生保護(hù)后，待故障消失時(shí)，模塊能自動(dòng)恢復(fù)工作。其中一個(gè)或幾個(gè)電源模塊因故障停止工作，并不影響其他模塊的正常工作。下面簡(jiǎn)單介紹一下過(guò)流保護(hù)電路，其原理框圖如圖4所示。過(guò)流保護(hù)能否在主電路發(fā)生過(guò)流時(shí)準(zhǔn)確及時(shí)動(dòng)作，不但決定功率IGBT器件能否正常工作，而且將決定整個(gè)電源模塊的可靠性及其是否具有實(shí)用價(jià)值。為了解決這一問(wèn)題，經(jīng)大量的研究與試驗(yàn)，研制出過(guò)流保護(hù)專用電路。此電路由主檢測(cè)動(dòng)作電路和緩沖加速電路組成。工作原理如下，在主電路中串聯(lián)一個(gè)采樣用的錳銅片Ro，如圖3所示。在Ro上所采到的電壓信號(hào)U是由公式U=IR確定，此信號(hào)通過(guò)屏蔽線送到X5∶1與X5∶2之間。當(dāng)U達(dá)到某一確定值URO時(shí)，檢測(cè)電路立即動(dòng)作，使高速光耦迅速導(dǎo)通，電壓信號(hào)送到保護(hù)信號(hào)入口，從而使脈寬調(diào)制器封鎖脈沖，電源模塊停止工作。待過(guò)流信號(hào)消失后，此時(shí)U為了進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，本電源模塊設(shè)計(jì)了備用電路，此電路能夠在微機(jī)監(jiān)控模塊發(fā)生故障時(shí)，繼續(xù)保持各電源模塊正常工作。

圖4過(guò)流保護(hù)電路框圖

8主要技術(shù)參數(shù)

　　輸入電壓AC380V±15％不分相序

　　電網(wǎng)頻率50Hz±10％

　　每個(gè)電源模塊輸出電流20A

　　穩(wěn)壓穩(wěn)流精度≤±0.5％

　　紋波系數(shù)≤0.1％

　　效率≥90％

　　均流不平衡度≤±3％

　　功率因數(shù)≥0.90

　　輸出電壓200～300V

9結(jié)論

　　我國(guó)微機(jī)保護(hù)裝置在二十世紀(jì)80年代末成功地投入電網(wǎng)運(yùn)行之后，根據(jù)國(guó)內(nèi)繼電保護(hù)事故調(diào)查分析統(tǒng)計(jì)資料表明，來(lái)自電源自身對(duì)繼電保護(hù)的干擾和自身可靠性差是造成繼電保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的一個(gè)重要因素，為此，迫切需要具有高可靠性、高指標(biāo)的各種電源與之配套。在這種情況下，開發(fā)研制出這種新型無(wú)人值守的“綠色電源”。它結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和高頻開關(guān)技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，選配靈活。該智能電源不僅體積小、重量輕、高效節(jié)能、無(wú)污染，而且它還具有“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”功能，易于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化，完全可以替代傳統(tǒng)的相控電源。該電源已用在全國(guó)一些省份的電力系統(tǒng)中，運(yùn)行正常，受到用戶的好評(píng)。