熱控系統(tǒng)直流電源優(yōu)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(tǒng)直流電源一旦發(fā)生故障，很容易造成機器斷電停止運轉(zhuǎn)，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(tǒng)除了本身出現(xiàn)故障之外，還有可能是控制電源出現(xiàn)了問題。熱控系統(tǒng)電源能否穩(wěn)定持續(xù)地工作也關(guān)系到控制系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。熱控制系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)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(wù)，負責給控制系統(tǒng)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(wěn)定，一般會在供電電源和控制系統(tǒng)之間連接變壓器用來穩(wěn)定電壓[2]。

熱控系統(tǒng)的安全保障裝置在供電電源出現(xiàn)故障，電壓超過系統(tǒng)所能承受的最大數(shù)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(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

1 熱控系統(tǒng)直流電源供電現(xiàn)存問題

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

熱控系統(tǒng)的供電電源只有在發(fā)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(shè)備的習慣。在發(fā)生問題的時候，維修員工只能依靠經(jīng)驗猜測問題原因，浪費大量的時間[4-6]。

熱控系統(tǒng)供電電源在工作狀態(tài)中，要避免緊急情況的發(fā)生，但是這種理想狀態(tài)幾乎是不可能實現(xiàn)的，所以在情況發(fā)生的時候需要拿出快速解決問題的方案。而熱控系統(tǒng)的廠方對待緊急事件發(fā)生時的應(yīng)急方案幾乎都是立馬關(guān)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(jīng)濟損失。

2 熱控系統(tǒng)直流電源優(yōu)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(wěn)定，電壓輸入處于正常的數(shù)值范圍，續(xù)流二極管處于不工作的狀態(tài)[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(jié)點交叉。電路的整流模塊可以實現(xiàn)交流電和直流電的相互轉(zhuǎn)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(jù)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(shè)計供電電源變壓器

變壓器是穩(wěn)定供電電源的重要部分，其作用不僅可以在電壓不穩(wěn)定的時候?qū)㈦娫摧旊婋妷悍€(wěn)定在合理范圍內(nèi)，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(shù)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(yīng)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(xiàn)放電現(xiàn)象，所以在磁芯外包裹的絕緣體應(yīng)該選用聚乙烯硅膠。最后設(shè)計出的變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器參數(shù)

變壓器的參數(shù)可以根據(jù)磁芯的橫截面面積進行計算。供電電源要求電壓穩(wěn)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(tǒng)保護電源電路設(shè)計

當熱控系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，應(yīng)該停止供電電源繼續(xù)工作。降低電流的脈沖，此時應(yīng)該設(shè)計熱控系統(tǒng)保護電源電路來對熱控系統(tǒng)進行故障保護。電路的核心控制板采用多板結(jié)構(gòu)，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(shè)置為1.5 V[9]。

熱控系統(tǒng)電源的電路更換頻率較大，除了變壓器之外安裝功率開關(guān)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(fā)揮很小。功率開關(guān)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(tǒng)保護電路的開關(guān)應(yīng)該使用計算機可遠程控制的開關(guān)，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(qū)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(yīng)為輸出電壓的1.5倍。此外，保護電路具有事故預(yù)警功能，可以在事故發(fā)生前就顯示參數(shù)異常，提醒管理人員。

3 對比實驗

設(shè)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(tǒng)直流供電電源的供電過程。使用傳統(tǒng)供電模式與本文設(shè)計的熱控系統(tǒng)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(wěn)定情況以及電壓從超負荷狀態(tài)到正常狀態(tài)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(shè)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(jīng)過直流濾波的電壓為250 V，經(jīng)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(guān)關(guān)系。

本文設(shè)計中，系統(tǒng)輸出的電壓是利用最大占空比決定的，輸電程序設(shè)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(huán)境下進行。

3.2 測試結(jié)果與分析

在實驗電流統(tǒng)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(shù)采用模糊控制器進行選擇和確定。仿真結(jié)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(nèi)，傳統(tǒng)方式和本文設(shè)計的方式都成功地將300 V的電壓降到50 V以內(nèi)。但傳統(tǒng)方式的電壓下降曲線是平緩穩(wěn)步下降的，而本文設(shè)計的方法在0.01 s就實現(xiàn)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(wěn)定。

4 結(jié) 論

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