基于風(fēng)力供電的可調(diào)數(shù)顯電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫培剛，張全禹，許春和

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江綏化152061）

電子設(shè)備離不開(kāi)電源，而電源的能量一般來(lái)源于電網(wǎng)，這就要求電子設(shè)備要處于具有電網(wǎng)的條件下才能工作，限制了大量電子設(shè)備的工作范圍。風(fēng)能作為一種清潔、廉價(jià)、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，如果可以利用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為沒(méi)有電網(wǎng)條件下的電子設(shè)備供電，則可以減小電子設(shè)備的地域限制，同時(shí)也減少環(huán)境污染和節(jié)省了用電成本[3]。目前，國(guó)內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已基本成熟，風(fēng)能市場(chǎng)迅速發(fā)展。但風(fēng)力供電項(xiàng)目多為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)，主要為電網(wǎng)供電，而為數(shù)不多的小型風(fēng)力供電設(shè)備的設(shè)計(jì)也多為固定直流電壓的輸出，限制了風(fēng)力供電電源的通用性。本項(xiàng)目正是基于這一形勢(shì)，將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種低成本、低功耗、實(shí)用性強(qiáng)的基于風(fēng)力發(fā)電的可調(diào)數(shù)顯電源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電源系統(tǒng)主要由風(fēng)力供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和可控開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

風(fēng)力供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力控制器及鋰電池組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過(guò)風(fēng)力控制器為鋰電池充電；風(fēng)力控制器的功能是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電進(jìn)行整流和濾波后對(duì)鋰電池充電，同時(shí)根據(jù)鋰電池的實(shí)時(shí)電壓和電流情況進(jìn)行調(diào)控，防止電池的過(guò)沖和過(guò)放，延長(zhǎng)電池的使用壽命[5]；鋰電池為儲(chǔ)能部分，為開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流電壓。

控制系統(tǒng)的功能是對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，并與輸入的電源設(shè)定值進(jìn)行PID計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證其輸出電壓的精度及穩(wěn)定性，并通過(guò)顯示系統(tǒng)顯示當(dāng)前輸出的電壓值。

開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)以DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路為主，將電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的的電壓值輸出，同時(shí)隨著設(shè)定值的變化自動(dòng)調(diào)整，具有低損耗，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力供電系統(tǒng)

為了便于移動(dòng)和安裝，設(shè)計(jì)選擇了獨(dú)立小型風(fēng)電系統(tǒng)裝置。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 獨(dú)立小型風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇的是變速恒頻（Variable speed constant frequency，VSCF）風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠?qū)︼L(fēng)能進(jìn)行有效的捕捉，提高風(fēng)能利用率。風(fēng)機(jī)型號(hào)為NE-50S，額定功率50 W，最大功率可達(dá)80 W，啟動(dòng)風(fēng)速為2 m/s，5片垂直軸葉片，可自動(dòng)調(diào)整迎風(fēng)角，工作溫度在-40℃至80℃之間，滿足野外環(huán)境要求。

風(fēng)力控制器選用的是FY-A2-01型的風(fēng)力控制器，具有最大功率點(diǎn)追蹤功能（MPPT），既可以保證在低風(fēng)速的條件下對(duì)鋰電池充電，又可提高風(fēng)機(jī)發(fā)電利用率10%～15%。接入的風(fēng)機(jī)功率小于100 W，輸出直流電壓24 V，具有防止負(fù)載過(guò)載、電池過(guò)充和過(guò)放以及風(fēng)機(jī)自動(dòng)剎車(chē)等保護(hù)方式，工作溫度在-20℃至60℃之間。

鋰電池選用的是動(dòng)力電芯鋰電池，輸出電壓為24 V，容量為10 AH，充電電流小于5 A，穩(wěn)定工作電流最大可達(dá)10 A，最大輸出功率為350 W，工作溫度在-20～60℃之間，基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2.2 控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)中的主控制器采用的是新華龍公司生產(chǎn)的C8051F410單片機(jī)，工作溫度在-40～85℃之間，由于其具有內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換模塊及PCA陣列、低電壓供電、高速微控制器內(nèi)核（最高可達(dá)50MIPS）以及休眠和喚醒功能等特點(diǎn)，可以達(dá)到系統(tǒng)要求[1]。

單片機(jī)的供電電源由鋰電池提供，鋰電池輸出的24 V電壓經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源芯片LM2596-3.3轉(zhuǎn)化為3.3 V電壓后為單片機(jī)供電。LM2596-3.3內(nèi)部主要包括產(chǎn)生固定頻率150 kHz的振蕩電路、1.235 V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、放大器、電壓比較器和內(nèi)部穩(wěn)壓電路熱關(guān)斷及電流限制保護(hù)電路等。輸出電壓經(jīng)過(guò)LM2596內(nèi)部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓后，與基準(zhǔn)電壓1.235 V送至電壓比較器進(jìn)行電壓比較，電壓偏差用來(lái)控制150 kHz振蕩信號(hào)的占空比，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管去調(diào)整輸出電壓值，保證輸出電壓的穩(wěn)定性[3]。

單片機(jī)電源供電電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)電源供電電路

圖中C1為濾波電容，D1為肖特基二極管，與電感L1、電容C2及LM2596-3.3內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管構(gòu)成直流降壓斬波電路，鋰電池輸出的24 V電壓經(jīng)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片LM2596-3.3轉(zhuǎn)換為固定的3.3 V電壓輸出，為單片機(jī)供電[2]。

2.3 可調(diào)數(shù)顯電源系統(tǒng)

可調(diào)數(shù)顯電源系統(tǒng)以開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片LM2596-ADJ為控制核心。LM2596-ADJ輸入電壓最大可達(dá)40V，輸出驅(qū)動(dòng)電流最大為3A，工作溫度范圍為-40℃至125℃[2]，與數(shù)字電位器、單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)控制電路形成PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓數(shù)字調(diào)節(jié)的功能。

可調(diào)數(shù)顯電源電路如圖4所示。

圖4 可調(diào)數(shù)顯電源電路

圖4中，IN5825肖特基二極管與電感L2、電容C5和LM2596-ADJ內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管組成直流降壓斬波電路；L3與C6組成電源濾波電路，用以減小輸出電壓的紋波；X9C103為高精度數(shù)字電位器，具有100個(gè)滑動(dòng)抽頭點(diǎn)，阻值變化范圍0-10 kΩ；X9C103與R1組成分壓電路，將R1的電壓通過(guò)LM2596-ADJ的反饋腳4腳輸入至LM2596-ADJ內(nèi)部，調(diào)控其內(nèi)部的PWM信號(hào)的占空比，保證輸出電壓的穩(wěn)定性；輸出電壓通過(guò)AD轉(zhuǎn)換的調(diào)理電路，由單片機(jī)P1.4端口送至單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD處理，并通過(guò)顯示系統(tǒng)顯示當(dāng)前輸出的電壓值。

當(dāng)通過(guò)按鍵改變輸出電壓設(shè)定值時(shí)，由單片機(jī)端口P1.6輸出脈沖信號(hào)至數(shù)字電位器的1腳，改變其阻值，P1.7用以控制數(shù)字電位器滑動(dòng)端的方向；同時(shí)，R1的電壓會(huì)隨之變化，通過(guò)反饋腳4腳調(diào)整LM2596-ADJ內(nèi)部PWM信號(hào)的占空比來(lái)改變輸出電壓，并將輸出電壓通過(guò)P1.4腳送入單片機(jī)C8051F410內(nèi)部進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)與電壓設(shè)定值數(shù)據(jù)進(jìn)行PID處理，控制P1.7腳輸出的脈沖信號(hào)，形成PID閉環(huán)控制。當(dāng)檢測(cè)鋰電池電壓小于21.5 V時(shí)，則單片機(jī)P1.5輸出高電平，關(guān)閉負(fù)載電源，同時(shí)單片機(jī)進(jìn)入休眠模式，使系統(tǒng)耗能降為最低。

設(shè)數(shù)字電位器電阻為R2，輸出電壓為Vout，LM2596-ADJ內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為VREF，VREF=1.235 V，根據(jù)流過(guò)數(shù)字電位器與R1的回路電流近似相等，可得：

當(dāng)數(shù)字電位器取最大值10 K時(shí)，輸出電壓為：

3 測(cè)試結(jié)果分析

電源系統(tǒng)的測(cè)試主要包括對(duì)電源的負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率和紋波系數(shù)等參數(shù)的測(cè)試和分析。

其中，負(fù)載調(diào)整率指電源負(fù)載在規(guī)定的的變化范圍內(nèi)引起的輸出電壓變化率。負(fù)載調(diào)整率的計(jì)算公式為：

其中U為負(fù)載變化范圍內(nèi)測(cè)得的輸出電壓，U0為空載條件下的輸出電壓[4]；

電壓調(diào)整率指在電源輸入電壓在規(guī)定的變化范圍內(nèi)輸出電壓的變化率。計(jì)算公式為：

其中U為電源規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)測(cè)得的輸出電壓，U0為額定的輸出電壓；紋波一般指疊加在直流電壓上的交成分，紋波系數(shù)表示為：

其中Urms為疊加在直流電壓上的交流電壓有效值，U0為輸出的直流電壓[4]。

測(cè)試中的負(fù)載變化范圍為8～100kΩ，電源輸入電壓范圍在額定值上下10%變化，電壓分別設(shè)定在典型值3 V，5 V和12 V，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 輸出電壓測(cè)試參數(shù)表

為了保證輸出電壓的精度，受到數(shù)字電位器阻值的限制，設(shè)計(jì)的可調(diào)數(shù)顯電源輸出電壓最大為13 V。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)電壓設(shè)定值再5～13 V之間變化時(shí)，精度可達(dá)到2%左右，波紋較?。划?dāng)設(shè)定電壓與輸出電壓最大值13.5 V的壓差增大時(shí)，精度會(huì)降低，并且有明顯的紋波。輸出電壓測(cè)試圖及波形圖如圖5所示。

圖5 輸出電壓實(shí)測(cè)圖與波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于風(fēng)力供電的可調(diào)數(shù)顯電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)力供電電源的輸出電壓精度可以達(dá)到90%以上，負(fù)載調(diào)整率在0.8%以下，電壓調(diào)整率小于0.07%，紋波最大為50 mV，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力供電電源在3～12 V輸出電壓范圍內(nèi)的數(shù)字調(diào)節(jié)，可以為在野外獨(dú)立工作的小功率電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)風(fēng)力供電的需求。但本設(shè)計(jì)也有諸多不足之處，如在無(wú)風(fēng)的狀態(tài)下，鋰電池電量過(guò)低時(shí)，則需要關(guān)斷負(fù)載電源以防止鋰電池過(guò)度放電，會(huì)出現(xiàn)供電的間斷區(qū)；輸出電壓壓差過(guò)大時(shí)的精度問(wèn)題和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍較小等問(wèn)題還有待于改進(jìn)。

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