熱控系統直流電源優化改造

張 錦

（國家能源集團吉林江南熱電有限公司，吉林 吉林 132011）

0 引 言

熱控系統直流電源一旦發生故障，很容易造成機器斷電停止運轉，情況嚴重的還有可能直接導致機器損壞，此時如果操作不當會造成人員傷亡。控制系統除了本身出現故障之外，還有可能是控制電源出現了問題。熱控系統電源能否穩定持續地工作也關系到控制系統的正常運轉。熱控制系統為了保證系統可以一直運作，一般配有1個以上的供電電源[1]。供電電源之間不可有連接電路，獨立運行的供電電源平均分配供電任務，負責給控制系統的主控制站和由主控制線分出去的幾個分控制站供電。為了防止供電電流分為好幾條路徑導致電壓不穩定，一般會在供電電源和控制系統之間連接變壓器用來穩定電壓[2]。

熱控系統的安全保障裝置在供電電源出現故障，電壓超過系統所能承受的最大數值時啟用斷電處理。在電壓變化較小的情況下啟動變壓器，不會影響系統的正常運轉。

1 熱控系統直流電源供電現存問題

熱控系統一般需要接觸不同的直流供電電源，主控制系統和分控制系統的供電電源在設計上有著細微的差別。電源柜的繼電器和主系統中都有電源監視系統，而輔助系統中并沒有啟用電源監視。供電電源失電之后，電源柜報警系統無法發出斷電報警[3]。

熱控系統的供電電源只有在發生事故需要維修的時候才會進行維修記錄，操作員在日常的使用中并沒有記錄管理方法和使用以及維護設備的習慣。在發生問題的時候，維修員工只能依靠經驗猜測問題原因，浪費大量的時間[4-6]。

熱控系統供電電源在工作狀態中，要避免緊急情況的發生，但是這種理想狀態幾乎是不可能實現的，所以在情況發生的時候需要拿出快速解決問題的方案。而熱控系統的廠方對待緊急事件發生時的應急方案幾乎都是立馬關掉電源，這種方式雖然解決效率很快，但是也會給公司造成一定的經濟損失。

2 熱控系統直流電源優化方案

2.1 擴大電源電壓頻率范圍

變壓器的作用是保證供電電源輸電的電壓穩定，電壓輸入處于正常的數值范圍，續流二極管處于不工作的狀態[7]。直流供電電源接入兩條輸電電路，在一條輸電電路不能進行工作的時候使用另一條直流電路。這要求兩條直流電路既要連接同一個供電電源，又要保持彼此獨立，沒有任何節點交叉。電路的整流模塊可以實現交流電和直流電的相互轉化，所以利用整流模塊將交流電改成直流電。如果兩條電路的負載差異很大的話，可以另加一條電路進行電壓分擔。電源相接的兩條電路依舊使用直流電，另加的電路根據需要負擔的電壓決定使用直流電還是交流電。3條電路隨時可以進行主電路切換，可以最大程度擴大電源的電壓頻率范圍[8]。

2.2 設計供電電源變壓器

變壓器是穩定供電電源的重要部分，其作用不僅可以在電壓不穩定的時候將電源輸電電壓穩定在合理范圍內，而且還能減弱高電壓帶來的能量，將電磁電路進行變壓隔離。大功率變壓器是最常用于供電主電路的變壓器。由于功率變壓器控制電壓的直接消耗，因此其使用壽命都不是很長。在供電電源輸入電壓變高的時候，變壓器的匝數越多等效電容也就越大。

變壓器的磁芯材料分為很多種，供電電源的磁芯一般選用電阻率較高的制作材料，電阻率的高低直接影響變壓器的整體性能。供電電源變壓器的磁芯需要滿足飽和磁感應強度強、損耗功率小以及居里溫度高3個特征，微晶合金材料是很好的原材料選擇。因為變壓器磁芯會在電壓較大的時候出現放電現象，所以在磁芯外包裹的絕緣體應該選用聚乙烯硅膠。最后設計出的變壓器參數如表1所示。

表1 變壓器參數

變壓器的參數可以根據磁芯的橫截面面積進行計算。供電電源要求電壓穩定，波動不可超過3%～5%。變壓器改良之后完全可以滿足該要求。

2.3 熱控系統保護電源電路設計

當熱控系統發生故障的時候，應該停止供電電源繼續工作。降低電流的脈沖，此時應該設計熱控系統保護電源電路來對熱控系統進行故障保護。電路的核心控制板采用多板結構，每層電路板都負責不同的功能。電源層和信號層之間的有效間隔可以減少電磁的互相干擾，控制板的電壓設置為1.5 V[9]。

熱控系統電源的電路更換頻率較大，除了變壓器之外安裝功率開關也是保護電路的一種手段。變壓器的左右是隔離電磁和控制電壓，但其實隔離電磁的作用發揮很小。功率開關會造成電流脈沖突然增大。以上保護電路的方式都有自己的問題，熱控系統保護電路的開關應該使用計算機可遠程控制的開關，這樣在啟動保護電路時可以減少保護電路對輸電電路的電磁干擾[10]。整流電路中用來控制電路振蕩的二極管可以采用抑制二極管，在保護電路的主電源電路和分電源電路之間安插一個濾波變壓器，濾波變壓器共有兩個輸電口，分別接在不同的地面端口上。供電電源供電的前期電流很大，保護電路電阻圈的制作要選取直徑大的金屬線，這樣在供電前期電流集中輸出的時候不會造成保護電路損壞。電容區間取值為0.3～0.5 μF，其作用是消除噪聲對電磁波的干擾，電路耐壓應為輸出電壓的1.5倍。此外，保護電路具有事故預警功能，可以在事故發生前就顯示參數異常，提醒管理人員。

3 對比實驗

設計對比實驗，利用計算機仿真供電電源軟件仿真模擬熱控系統直流供電電源的供電過程。使用傳統供電模式與本文設計的熱控系統直流電源進行對比，比較電壓突然增大時變壓器對電壓的穩定情況以及電壓從超負荷狀態到正常狀態所耗費的時間。

3.1 實驗準備

實驗電路的輸入電壓要大于居民日常用電電壓，設置為300 V，仿真電路的工作頻率為50 kHz。整段電流的電壓占空比為0.52，電流經過直流濾波的電壓為250 V，經過變壓器之后輸出電壓約為150 V，電壓占空比為0.45。供電電源在進行輸電的工作時段，仿真軟件的輸出電壓和整段電流處于正向相關關系。

本文設計中，系統輸出的電壓是利用最大占空比決定的，輸電程序設定為10 kW的初始電量，核心控制板的型號為DFTY26899940。為了模擬效果更加真實，實驗在直流電源為100 V的周邊環境下進行。

3.2 測試結果與分析

在實驗電流統一的情況下，輸出高于輸電要求的電壓，仿真實驗的隸屬度函數采用模糊控制器進行選擇和確定。仿真結果如圖1所示。

圖1 電壓控制仿真波形

如圖所示，在0.05 s內，傳統方式和本文設計的方式都成功地將300 V的電壓降到50 V以內。但傳統方式的電壓下降曲線是平緩穩步下降的，而本文設計的方法在0.01 s就實現了降低電壓的目的，并且在剩余的測試時間一直保持著電壓的穩定。

4 結 論

本文基于熱控系統直流電源的現狀重新設計了電源構造，并通過對比實驗證明了設計電源的優越性。目前研究程度不夠深，變壓器的多線路設計不夠完善，電源電壓的控制應該匹配更優質的方案，希望在日后的研究中可以設計出電阻效率更高的電源變壓器。