電解法處理船舶壓載水大功率恒流源系統設計

孫前剛，潘李云，劉 剛

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電解法處理是獲得國際海事組織資助的一項非常有前景的去除船舶壓載水中生物和病原體的技術?，F有電解法壓載水管理系統基本由活性物質濃度檢測單元、電解電源、電解槽、控制單元組成，電解電源是整個系統的核心組成部分[1-2]。采用集中式供電的電解電源系統表現出其局限性，分布式直流供電系統克服了傳統集中式供電存在的難以實現余度供電和不間斷供電等缺點[3]，且系統模塊化程度高，容易實現擴展，且具有較高的可靠性。

電解電源具有小電壓、大電流的特點，為了得到大的輸出電流，采用并聯均流技術可提高輸出電流。常用的均流技術有：主從設置法、平均電流自動均流法、自動主從控制法等。這些方法針對恒壓源使用，對于恒流源的并聯并不適用。采用數字方法實現均流調節，具有控制策略靈活多樣、均流精度高的優點。數字方法由于不存在模擬電平的均流母線，干擾小，均流可靠性得以提高，并且很容易做到單個模塊故障時不影響與其并聯的其它模塊的正常運行[4-7]。

針對電解電源的需求，本文基于CAN通訊和分布式供電架構設計了16臺恒流源模塊并聯的大功率恒流源系統，其中每臺電源輸出60 V 82.5 A，該電源系統輸出電流0～1 000 A范圍內連續可調。

1 基于CAN總線和分布式供電的大功率恒流源系統

1.1 系統總體框架

大功率恒流源系統總體框圖如圖1所示，由監控單元、功率變換單元構成，功率變換單元由N個電源模塊并聯組成，實現對輸入交流380 V到直流電的轉換，輸出的直流電給電解槽供電。監控單元一方面通過MODBUS與電解法壓載水處理系統控制單元通訊，獲取輸出電流基準;一方面通過CAN總線與功率變換單元中的電源模塊通訊，控制電源模塊的輸出。

圖1 大功率恒流源系統總體框圖

1.2 系統控制原理

圖2 大功率恒流源系統控制框圖

1.3 系統工作原理

控制單元通過MODBUS實時更新恒流源系統總輸出電流設定值；控制單元與各個電源模塊輪詢通訊，實時監測電源模塊的狀態參數；電源模塊報故障或者通訊失去連接時，認為電源模塊故障，根據該判定，統計出目前在線正常工作的電源模塊個數，得出電源模塊輸出電流設定值；控制單元通過CAN總線廣播下發電源模塊輸出電流基準；電源模塊根據輸出電流設定值輸出相應的電流。

2 電源模塊工作原理

電源模塊主拓撲采用有源因數校正(APFC)+DC/DC兩級變換方案，前級采用有源功率因數校正實現功率因數控制和電流諧波抑制，DC/DC模塊級完成隔離和降壓變換，輸出用戶所需要的電壓等級，這種方案既能滿足功率因數要求，又具有較高的設計靈活性和通用性。

APFC在電路結構上主要包括三相電抗器、三相全控橋、輸出濾波、運算控制器、驅動器與采樣信號調理電路，三相電抗器對高頻開關信號呈高阻狀態，確保電網電流的諧波含量處于可控范圍，三相全控橋接收驅動器轉發的脈寬調制(PWM)信號，按照驅動波形進行開關變換，運算控制器處于采樣調理電路后端，根據采樣值產生合適的PWM波形，控制三相全控橋的動作行為。

DC/DC變換器采用適合中、大功率直流變換器的零電壓零電流開關(FB-PS-ZVZCS)移相控制，具有自適應死區設置，適應負載變化時不同的諧振軟開關要求。同時功率器件選用低導通電阻的MOS管，使得它的功耗更小，工作頻率更高，提高了變壓器利用率，降低了開關損耗。

圖3 電源模塊電路框圖

3 監控單元

3.1 硬件設計

監控單元是大功率恒流源系統的核心控制部分，需要具備如下功能：

(1) 總輸出電流采樣功能，獲取恒流源系統總輸出電流；

(2) 總輸出電壓采樣功能，獲取恒流源系統總輸出電壓；

(3) CAN通訊功能，完成與功率變換單元內N個電源模塊的控制和狀態查詢；

(4) RS485通訊功能，完成與壓載水系統控制單元的通訊，獲取總輸出電流的基準值和狀態上傳；

(5) RS232通訊功能，實現與觸摸串口屏通訊，實現恒流源系統狀態的本機顯示以及本機輸出電流基準值設置。

根據上述功能設計了基于STM32F103C8T6的監控單元硬件框圖，如圖4所示，包含電源電路、JTAG電路、時鐘電路、CAN接口電路、RS232接口電路、RS485接口電路、輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路等。

圖4 監控單元硬件框圖

3.1.1 控制器最小系統電路設計

本文選擇控制器型號為STM32F103C8T6，最小系統電路設計如圖5所示，包括STM32F103C8T6芯片、BOOT電路、晶振電路和復位電路，芯片供電電壓為3.3 V[8]。

圖5 控制器最小系統電路設計

3.1.2 輸出電壓采樣電路設計

本系統輸出電壓為0～60 V，本文采用ACPL-C87B對輸出電壓進行隔離采樣。應用ACPL-C87B的輸出電壓采集電路原理圖如圖6所示，調整分壓電阻R1/R2比值以按比例降低線路電壓值至ACPL-C87B的線性輸入范圍(0～2 V)。

圖6 輸出電壓采樣電路

Vin最大為60 V，R2選擇10 kΩ，計算得R1為290 kΩ，選擇294 kΩ阻值。C1選擇100 pF，R2和C1構成低通濾波器，U1為ACPL-C87B，增益為1 V/V，U2、R3、R4、R5、R6構成差分放大電路，將差分輸出轉換為單端輸出信號，并構成一個低通濾波器，運算放大器U2選擇OPA237，將輸入電壓0～60 V調理至0～2 V范圍送到STM32F103C8T6芯片的ADC_IN0進行采樣。

(1)

選擇R3=R4=10 kΩ，R5=R6=10 kΩ，則：

(2)

3.1.3 輸出電流采樣電路設計

本系統輸出電流最大值為1 000 A，本文選擇LEM公司的LT1005-S霍爾電流傳感器對輸出電流進行采樣。

輸出電流信號調理電路如圖7所示，運算放大器U4選擇NE5532，R93和C97構成1個低通濾波器，U4A為一級跟隨器，U4B、R8、R9、R10、R11構成差分放大電路把差分信號轉換為單端輸出信號，R12、C10構成一級低通濾波器，將輸出電流0～1 000 A調理至0～2.5 V范圍內連接至芯片的STM32F103C8T6的ADC_IN1進行采樣。

圖7 輸出電流采樣電路

3.2 軟件設計

系統上電或復位后，便開始執行主程序，首先執行初始化功能，其主要工作包括系統初始化(串口初始化，CAN控制器初始化，清除標志寄存器，系統時鐘初始化，定時器初始化，中斷初始化)，清除中斷懸掛寄存器，設置中斷屏蔽寄存器等。主程序主要的任務是完成與電源模塊的CAN總線通信、與觸摸屏的RS232總線通信、與壓載水控制單元的RS485總線通信及恒流源系統輸出電流、輸出電壓采樣，監控單元主程序流程圖如圖8所示。

圖8 監控單元主程序流程圖

4 實驗舉例

4.1 系統需求

大功率恒流源系統性能指標參數如表1所示。

表1 大功率恒流源系統性能指標參數

4.2 實驗結果

大功率恒流源系統輸出電流分別為320 A、600 A和1 000 A時電源模塊電流數據如表2所示。計算得輸出電流分別為320 A、600 A和1 000 A時電流均衡度為97.0%、97.1%和99.56%，均滿足系統電流均衡度大于95%的要求。

表2 輸出電流分別為320 A、600 A和1 000 A時電源模塊電流數據

5 結束語

本文以電解法處理船舶壓載水大功率恒流源系統作為研究對象，基于CAN總線和分布式供電設計了模塊并聯方式的大功率恒流源系統。實驗表明，該系統輸出恒流精度和電流均衡度好，該技術可根據實際功率容量需要靈活變更并聯模塊數量，為大功率電源系統的設計提供了一個靈活、可靠的解決方案。