基于熱插拔不間斷增容技術的便攜式現場施工電源設計

杭劍文，王 璟，錢均飛

（國網江蘇省電力有限公司 無錫供電分公司，江蘇 無錫 214171）

0 引 言

現場施工過程中需要涉及到多種電氣設備和機械設備，機械設備的使用需要消耗一定的電源，主要依靠電源啟動施工現場的機械設備，從而完成現場施工[1]。而施工現場供電設施還并不完善，因此目前主要依靠便攜式電源為現場施工提供充足的電源。現場施工電源需要具備結構簡單、容量充足以及移動方便等需求，根據各項施工項目能夠隨意搬移電源，對電源的安全可靠性、工作高效性以及環保節能性具有較高的要求[2]。一個完整的電源主要由逆變單元、儲能單元、照明單元、升壓變換單元以及便攜式箱體5部分組成，能夠為現場施工提供獨立的直流應急電源，同時還需要易于維護和檢修[3]。

1 便攜式現場施工電源設計

1.1 便攜式現場施工電源元器件設計

根據便攜式現場施工電源的實際應用需要，結合便攜式現場施工電源工作原理，對其相關元器件參數進行設定，并根據具體參數范圍選擇對應的元器件型號。此次采用四路變換裝置電源的設計思路，設定便攜式現場施工電源中的電壓反饋電阻和電流采樣電阻等相關元器件的參數，具體設計如下。

首先，針對便攜式現場施工電源中的電壓反饋電阻進行設定，結合平均電流經過反饋電阻時的實際需要，在便攜式現場施工電源的FB端需要形成壓降形式的電壓變化[4]。電路應當由輕載狀態轉變為滿載狀態，并完成對電壓的下沖。在降壓過程中，反饋電阻補償會使誤差放大器仍然處于工作狀態，不會進入到飽和區域當中，使電路可以在更大的狀態下工作[5]。通常情況下，便攜式現場施工電源的輸出下沖電壓為100 mV，則電源反饋電阻的阻值計算公式應為：

式中，Rf表示便攜式現場施工電源反饋電阻的阻值大小；V表示便攜式現場施工電源應當完成的輸出下沖電壓大小；Y表示便攜式現場施工電源滿載時的輸出電流[6]。根據上述公式計算得出，便攜式現場施工電源反饋電阻的阻值應為2.5 kΩ，并且當便攜式現場施工電源電路工作處于滿載的狀態時，其最大采樣電流應為100 μA。根據上述要求，此次選擇DUSDSF5SF型號的反饋電阻作為便攜式現場施工電源中的反饋電阻元器件，該型號反饋電阻的溫度系數為2.65，額定功率為2.45 W，外觀為平面片狀結構，整體比較小，易于安裝和攜帶。

針對便攜式現場施工電源中電流采樣電阻的參數進行設定，由本文上述可知，在進行滿載狀態的運行過程中，其最大采樣電流為100 μA，因此對采樣電阻參數設定的計算公式為：

式中，Rc表示便攜式現場施工電源的電流采樣電阻的阻值大小；I表示便攜式現場施工電源當中每路輸出電感電流的平均值大小；r表示整流管的導通電阻大小[7]。根據便攜式現場施工電源的運行需要，便攜式現場施工電源當中每路輸出電感電流的平均值大小應為45 A，整流管的導通電阻大小應為15 mΩ。根據上述要求選擇便攜式現場施工電源電流采樣電阻的型號，選擇KADF-1S2F型號電阻作為便攜式現場施工電源的電流采樣電阻，其溫度系數為±35 ppm/℃，工作溫度為-60～95 ℃，功率大小為0.25～9.25 W，整體結構尺寸偏小，符合便攜式現場施工電源的設計需求。

1.2 基于熱插拔不間斷增容技術的電源電路設計

在上文設計基礎上，對便攜式現場施工電源電路進行設計。從上述分析可知，便攜式現場施工電源當中包含DUSD-SF5SF型號反饋電阻和KADF-1S2F型號電流采樣電阻。除此之外，為實現便攜式現場施工電源的廣泛應用，此次采用熱插拔不間斷增容技術，對便攜式現場施工電源電路進行設計。將便攜式現場施工電源的核心元件設計了熱插拔不間斷增容功能，具體如圖1所示。

圖1 基于熱插拔不間斷增容技術的電源電路示意圖

如圖所示，該便攜式現場施工電源電路整體結構中利用熱插拔不間斷增容技術產生多路相位，彼此之前的PWM脈沖超過90°，在PWM脈沖的兩段與驅動裝置進行相互連接，并且每個驅動裝置之間都會產生兩組不同形式的互補波形，以此實現PWM脈沖與電源電路主控芯片相互連接的四路同步整流電路[8]。在整個電路結構當中，便攜式現場施工電源電路中每組變換裝置的下端均連接著DKSDFS管，并且均是通過反向并聯的方式連接。其中兩組電路變換裝置下端DKSDFS管又構成了便攜式現場施工電源的供電電路，為其日常運行提供5 V的電源電壓，以此實現便攜式現場施工電源的熱插拔不間斷增容功能[9]。此外為了實現對傳統便攜式現場施工電源的簡化，采用5個模擬開關與一個分壓電阻組成的電路作為主要的供電電路，向四路電路傳輸工作電壓，以此完成基于熱插拔不間斷增容技術的電源電路設計。

1.3 便攜式現場施工電源容量配置設計

在便攜式現場施工電源儲能過程中需要準確把控儲能功率和儲能容量兩個技術參數，為了進一步提高便攜式現場施工電源的儲能功能，將攜式現場施工電源的儲能單元結構設計為鋰電池結合超級電容器的混合儲能結構。在儲能過程中超級電容器具備大電流充放能力，而鋰電池的功率輸出反應速度比較慢，針對兩種儲能裝置的特性，利用高通濾波器原理合理分配兩個儲能裝置的儲能功率，分別計算出便攜式現場施工電源儲能裝置吞吐功率的參考值，計算公式為：

式中，Ped表示便攜式現場施工電源儲能裝置中超級電容器吞吐功率；τed表示便攜式現場施工電源高通濾波器的時間常數；Phe表示便攜式現場施工電源儲能功率；Pli表示便攜式現場施工電源儲能裝置中鋰電池吞吐功率[10]。對式（3）進行計算，得到便攜式現場施工電源電量的變化，根據該變化值對便攜式現場施工電源儲能功率進行分配。當計算到便攜式現場施工電源電量的變化波動在0.1 Hz以上的高頻波動電能，利用超級電容器對其進行吸收，當計算到便攜式現場施工電源電量的變化波動在0.01～0.1 Hz，則由鋰電池對其進行吸收。

配置完便攜式現場施工電源儲能功率后，根據濾波后的功率確定便攜式現場施工電源儲能電容量，波動后的功率計算公式為：

式中，Xk為k時刻便攜式現場施工電源原始功率；Yk和Yk-1分別為某時刻便攜式現場施工電源濾波后的功率；T為便攜式現場施工電源功率。根據式（4）的計算結果，確定在某時刻便攜式現場施工電源儲能容量，其計算公式為：

式中，Ek表示k時刻便攜式現場施工電源儲能容量；E0為便攜式現場施工電源初始電量值。利用上述公式計算出便攜式現場施工電源儲能容量，按照計算結果對便攜式現場施工電源儲能裝置的容量參數進行實時配置，為便攜式現場施工電源提供充足的容量資源，以此完成基于熱插拔不間斷增容技術的便攜式現場施工電源設計。

2 實驗論證分析

以某現場施工為實驗環境，該現場施工涉及到的機械設備共56個，對電能需求量較大，實驗利用此次設計的便攜式現場施工電源與傳統電源為該現場施工提供電能。實驗中按照上述設計方案對現場施工電源進行組裝，實驗時間設定為24 h，實驗過程中令現場施工中所有機械設備處于運行狀態，利用KID測量儀器對便攜式現場施工電源的運行情況進行實時監測，測量到兩種便攜式現場施工電源在實驗中的停電時間，《便攜式現場施工電源設計規范》GB5642-2010中規定，現場施工電源停電時間不得超過電源供電時間的0.1%，因此實驗將便攜式現場施工電源停電時間作為實驗結果，對兩種電源進行對比分析，實驗結果如表1所示。

表1 兩種便攜式現場施工電源停電時間對比

從表中可以看出，此次設計的便攜式現場施工電源停電時間比較短，停電時間可以控制在總運行時間的1%以內，而傳統便攜式現場施工電源停電時間較長，可以達到總運行時間的5%。因此實驗證明了基于熱插拔不間斷增容技術的便攜式現場施工電源可有效保證施工現場電源的續航能力，具有較好的可行性和可靠性。

3 結 論

本文在原有便攜式現場施工電源基礎上對其進行了優化與改良，提出了一套基于熱插拔不間斷增容技術的便攜式現場施工電源設計理論。此次研究對提供便攜式現場施工電源電容量以及供電能力具有重要的作用，同時對提高現場施工效率、降低現場施工用電成本以及充分發揮出便攜式現場施工電源供電功能具有重要的現實研究價值。