電力操作電源系統的設計

楊 帆，黃 露，陳向詩瑤

1.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205；2.智能機器人湖北省重點實驗室(武漢工程大學), 湖北 武漢 430205

電力行業中為二次設備供電的電源，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、配電監控單元、監控模塊單元、絕緣監測單元等[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，筆者設計的UPS-220 V/3A電力操作電源，是一種以單片機為控制核心，具有智能化、精度高和控制方便等特點，適用于電力系統小型終端變電站、廂式變電站中的直流操作機構正常分合閘及事故跳閘、保護和控制用的直流電源.在一定程度上有效地改善了傳統操作電源的缺點，具有較高的使用價值.

1 系統結構及硬件模塊設計

當操作電源系統檢測到存在市電輸入時，220 V交流市電首先需要經過低通濾波器(Electromagnetic Interference ,以下簡稱：EMI)有效地濾除電網上各種高頻雜波的影響，再通過整流電路及濾波環節得到較為平直的直流電，經過高頻逆變器將直流電變為高頻交流電，通過高頻變壓器隔離、整流器整流和濾波將其轉化為穩恒的直流輸出，并為蓄電池充電.當系統檢測到市電中斷時，電池處于放電狀態，通過逆變模塊能繼續為負載提供220 V交流電，以保證負載正常運行，防止負載的軟、硬件損壞.筆者設計的系統整體結構框圖如圖1所示.

設計系統滿足如下性能指標：

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：≤±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 操作電源系統整體結構框圖Fig.1 The overall structure of operation power system

1.1 系統各模塊設計

系統主要由AT89S51控制模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、保護電路及報警電路等多個模塊構成.其中最為核心的是以AT89S51單片機作為系統中樞的控制模塊，不僅能完成單片機中各子程序的運行，還能結合外接鍵盤進行多個不同程序的調用，并且通過控制各個電路模塊的功能，實現整個系統安全穩定的運行.其中系統的鍵盤接口電路設計如圖2所示.

圖2鍵盤接口電路

Fig.2 Keyboard interface circuit

通過“EC/FC”、“?”、“?”“+”、“-”5個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個按鍵分別與單片機的P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口相連.

為保證輸入側的功率因數較高，整流模塊電路選用升壓型有源功率因數校正器(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外部電壓控制環和內部電流控制環以及一個乘法器，通過三者的相互作用，保證了升壓型APFC電路的輸入側電流電壓連續且為同頻率同相位的正弦波，故其功率因數幾乎為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，故系統的后級逆變及整流模塊選用單相全橋型DC/AC-AC/DC電路以保證對紋波系數設計的需要，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，為了保證滿足設計參數并能使系統安全穩定的運行，選用了IRF730A(400 V，5.5 A)TO-220型MOS管作為導通器件.

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

1.2 電池管理

本系統不僅具備電池欠壓自動均充功能，同時還能通過按鍵選擇0.7 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A、2.5 A五種不同電流等級的均充電模式和充電電壓為245±5 V的浮充電模式.當存在市電輸入時，電池處于充電狀態，且分為均充、浮充兩種不同的充電方式.開機啟動時，系統自動以均充方式進行充電，若系統檢測到充電電流小于0.15 A，經過30 min后，通過智能控制模塊，能自動將充電模式切換為浮充電狀態，同時會伴有蜂鳴器報警提示音.在長期運行中，若系統檢測到電池電壓不足189 V時，該模塊能將浮充轉為均充狀態，同時也伴有報警提示.

在有市電輸入時，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，當市電斷開時，VDd導通，電池端電壓經過逆變向負載供電.放電過程如圖5所示.

圖5 放電過程圖Fig.5 Discharge process map

2 系統的軟件設計

電力操作電源的軟件設計由6大模塊組成，如圖6所示.

圖6 系統軟件結構框圖Fig.6 Block diagram of system software

整個軟件以AT89S51單片機為核心的控制器件，能具體實現如下功能：

(1)實現電池的智能均浮轉換充電，能通過按鍵改變兩種充電方式的充電電壓大小；

(2)當輸入、輸出電壓異常時，能進行相應的保護措施來進行電壓、電流的限制，并報警；

(3)能通過相應按鍵開關，人工調節電壓輸出大小，并顯示.

其中電源充電模塊程序流程圖如圖7所示.

3 試驗結果及分析

為了檢驗系統輸出電壓的紋波系數及穩壓精度是否滿足設計需要，分別進行了輸出電壓紋波系數實驗和穩壓精度實驗.在給定直流輸出時，分別在不同交流輸入下使用TDS1012B示波器測量不同輸出電流時的直流紋波電壓和直流輸出電壓，通過計算分別將相應數據記錄于表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Tabel1 DC output voltage ripple coefficient

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

該實驗不僅驗證了系統直流輸出電壓的紋波系數能保證在0.1%以內，當給定輸入或者輸入側電壓波動幅度不超過系統的承受范圍時，系統能實現電壓偏差在0.5%以內的穩定輸出，同時通過相應按鍵開關，能實現電壓的連續可調輸出；當輸入側電壓存在異常時，系統能快速反應并報警.

4 結 語

筆者以整流模塊、直流變換模塊和單片機控制模塊為核心設計的直流操作電源，不僅繼承了傳統操作電源的優點，還有效的提高了工作效率，并且獲得了更高的穩壓精度.當設定該操作電源輸出為215 V直流電壓時，能檢測到輸出端口紋波電壓為0.148～0.157 V，紋波系數控制在0.1%以內，保證了輸出電壓的穩定，能有效的保護負載.同時只需要外加輸入、輸出開關，蓄電池裝入機柜或直接安裝于高壓開關柜便可組成一套功能完備的直流系統，此外輸入電壓通過鍵盤控制，輸出電壓采用數字顯示，操作簡便，顯示直觀，能廣泛應用在小型終端變電站、廂式變電站等多種場所.

致 謝

湖北省科學技術廳和武漢工程大學為本研究提供了經費資助，武漢工程大學電氣信息學院李國平教授給予了技術支持，在此一并致于衷心的感謝！

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