提效降損型調壓控制器電源設計

朱玉奇，劉 忠，韓 濤

（南京科技職業學院，南京 210048）

電壓穩定性是電能質量的重要指標之一。目前，提高電壓穩定性的有效措施包括利用電容器和用戶無功補償裝置調節無功功率，結合變壓器調節電壓。有載調壓變壓器由變壓器和調壓控制器組成。所謂變壓器有載調壓的概念是，當變壓器帶載運行時，有載調壓開關用來切換繞組之間的分接頭，通過改變高低壓繞組的匝數比，即改變變壓器高低壓側的變比，達到調壓的目的。在保證無功功率的前提下，調整有載調壓變壓器繞組是保證電力用戶獲得良好電壓質量的重要技術手段。因此，有載分接開關得到了廣泛的應用。控制器通過控制電機操作機構實現有載調壓的自動控制，實現有載開關的切換動作。目前，有載分接開關控制器容易受到外部環境和電網電路的影響，供電不可靠，工作不可控，事故率高，維護保養不便。

1 電源管理模塊設計

針對上述技術問題，設計一款基于雙輸入、雙輸出和雙后備的低功耗電源管理模塊，集成于有載調壓控制器內部，控制器與有載調壓變壓器相連，通過控制調壓來控制傳動裝置，實現對變壓器調擋開關的投切，其電源管理模塊是本篇論文的重點研究內容。

提效降損型調壓控制器箱體上表面設有太陽能光伏板，箱體內部設有主控板、鋰電池、超級電容及電源管理模塊。有載調壓控制器支持通過外部太陽能電池板獲取電力的方法，電源管理模塊的輸出功率能夠滿足步進電機運行的功率要求，降低了維護成本（如圖1所示）。

圖1 雙輸入、雙輸出、雙后備的低功耗有載調壓控制器電源模塊設計方案

電源管理模塊滿足以下功能。

（1）具備自動充放電，防過充、過放及鈍化等鋰電池管理功能。

（2）具備輸出短路保護、電池反接和短路保護功能。

（3）具備工作電源失電報警、低電壓報警和欠壓保護功能、報警信號上送功能。

（4）絕緣安全性好，隔離強度高，工頻耐壓2 500 VAC，沖擊耐壓5 kV，符合安規要求。

（5）整個模塊可采用金屬外殼模塊化封裝，也可以是裸板。

（6）支持將充電持續時間、電池最低可下降至多少伏及當前電池的真實電壓等參數上送功能。

（7）具備過流保護功能，避免因大功率瞬時輸出時輸入端功率不夠而造成的系統輸入前級模塊損壞。

（8）具備由系統輸入前級供電瞬間切換至鋰電池組供電的無縫切換功能。

太陽能光伏板與電源管理模塊電連接，作為第一系統電源輸入，太陽能光伏板僅需數小時即可將鋰電池充滿控制器箱內，充電時間短，對室外多雨環境適應性強；AC 工頻交流與電源管理模塊電連接，作為第二系統電源輸入。輸入部分接收輸入電量并對其進行檢測和處理，再向供電單元、超級電容和電池輸電；模塊檢測光伏輸入端是否反接，并根據檢測結果進行輸入保護；對輸入量進行EMC 濾波、功率控制和直流轉換等，得到濾除噪音電壓適配的電量，使其符合后續的供電要求。

電源管理模塊有2 個輸出，其中一個輸出5 V 直流電壓，為主控板提供工作電源；另一個輸出24 V 直流電壓至檔位信號輸入和電機控制模塊。

鋰電池與電源管理模塊電連接，作為第一系統備用電源；超級電容器與電源管理模塊電連接，作為第二系統備用電源，控制器之所以使用超級電容器作為備用模式，是為了應付當交流電源切斷，鋰電池電量不足時，可以快速投入使用，為控制器及時保存當前數據信息和傳輸故障信息提供了有利條件。

電源管理模塊還用于控制有載調壓控制器的電源從鋰電池、超級電容器、光伏板或交流工頻交流電源無縫切換。

2 電源硬件電路設計

電源模塊支持工頻交流和太陽能光伏雙輸入模式，輸出功率能滿足步進電機運行的功率要求，便于維護，降低成本。采用鋰電池和超級電容作為雙后備模式，與鉛酸電池相比，鋰電池在環保性、安全性和使用壽命上具有更好的性能。太陽能電池板可選用80 W/36 V 的規格，充電迅速，約7 h 即可將12 AH 的鋰電池組充滿，能克服長期陰雨天氣的干擾。在各種工況下自動無縫切換電源終端，解決終端供電穩定可靠的問題。當天氣晴朗時，選用太陽能電池板取電，同時給鋰電池充電；雨天或夜間，電源模塊會自動切換到鋰電池取電模式。

本文對鋰電池的關注點在于充電功耗和充電時間。目前的充電方式基本都采用恒流—恒壓充電方式，即先以恒定的電流給電池充電，此時電池電壓逐漸增大，到達某一電壓值（浮充電壓）時再以此電壓進行恒壓充電，此時電流值逐漸減小，當充電電流減小至接近零時可視為充滿。這種充電方法在恒流充電期間充電速度快，恒壓充電期間也保證了電池的安全充電。例如用某型號電源模塊給鋰電池（24 V/15 AH）充電，其充電電壓電流曲線如圖2所示。

圖2 鋰電池充電曲線

由圖2可知，電池初始電壓為22 V，電池浮充電壓為28 V，穩定充電電流0.5 A，整個充電過程需要約10 h，可以計算電池的最大充電功耗約為14 W。而在浮充狀態下根據實驗所測電流最終穩定于0.02 A 左右，則此時充電功耗約為0.6 W。因此必須要降低電池充電功耗，而電池充電電壓無法大幅度降低，因此只能通過減小充電電流實現。而減小充電電流后又必然會影響到充電時間。電池的充電時間也是一個關鍵因素，設計方案需在減小充電功耗的情況下盡可能縮短充電時間，而鋰電池的充電時間和充電電流的關系近似有

式中：Q 為電池容量；I 為充電電流；K 為相關系數，當充電電流小于等于電池容量的5%時系數為1.6，在電池容量的5%和10%之間系數為1.5，在電池容量的10%和15%之間系數為1.3。計算所得充電時間t 則是電池從沒電到充滿電的時間。根據式（1）可知，若減小充電電流則充電時間必然會延長。

太陽能取電是利用光伏板的光電效應將光能轉換為電能的取電方式，通常也稱為光伏發電。由于其具有環保無污染、可適用性強等優勢，目前已成為一種常用的清潔取電方式，在故障指示器、路燈、監控攝像頭等設備上得到廣泛使用，并且光伏發電作為一種分布式發電方式已經逐步接入現有配電網絡。其取電功率和表面光照面積成正比，但是需選擇適合安裝的尺寸。選取某型號太陽能板額定輸出電壓36 VDC，最大輸出功率80 W，輸出電流約2.2 A。太陽能取電通道最大充電電流可設置為2 A，則根據式（1），充電電流為2 A 時，在上述工作情況下電池充滿僅需0.6 h，充電時間大大縮短。

電源光伏部分設計思路如圖3所示。光伏充電采用三段式充電管理，MPPT 充電、恒壓均充和恒壓浮充，大幅延長鋰電池使用壽命，MPPT 跟蹤效率不小于99.9%，系統發電效率高達98%，提高系統效率和降低系統成本。充電效率驗證如圖4和圖5所示。電源工頻交流部分硬件電路如圖6至圖8所示。

圖3 電源光伏部分設計原理

圖4 充電效率典型曲線1

圖5 充電效率典型曲線2

圖6 電源硬件電路之相電壓輸入

圖8 電源硬件電路之核心板電源

電源交流部分硬件電路分3 塊來實現。第一部分（如圖6所示），電源供電方式采用低壓三相四線供電方式，可缺相運行，且滿足連續過量、短時過量和功耗等要求。輸入由交流UA、UB、UC 任取一端相電壓供電，通過保險絲F1、F2、F3 接入AC/DC 模塊HHV102 模塊。該模塊特點為176～440 VAC 超寬輸入電壓范圍；高效率、低紋波系數；高可靠電源管理芯片；打嗝式過流保護，輸出可持續短路；寬溫度適用范圍-40～70 ℃；高抗擾度設計，浪涌四級標準；直焊式引腳，可焊性引腳設計，利于波峰焊接及手工焊接工藝。經過由電容C92、C94、C95 和C96 組成的濾波電路，得到穩定的直流電源：DC5 V（1.5 A）和DC24 V（0.3 A），一路輸出5 V 為主控板供電，另一路輸出24 V驅動步進電機，兩路直流電源相互獨立，相互隔離，規避了電機運行時帶來的高頻干擾。

第二部分為DC5 V 轉DC5 V 的DC/DC 轉換電路，該部分為調壓控制器的通訊模塊RS485 提供隔離電源（如圖7所示），可規避外部設備疊加在通訊回路的干擾。鉭電容C85、電容C87 及電感L1 組成的π 型濾波電路，作為輸入+5 V 直流電的前級濾波。輸入輸出地之間跨接高壓瓷片電容，增強模塊抗EMC 能力。

圖7 電源硬件電路之RS485 隔離電源

第三部分為DC5 V 轉DC3.3 V 的線性穩壓電路，與第二部分最大的區別在于該電路不帶隔離功能，該部分（如圖8所示）選用TPS75733 線性低壓降穩壓芯片，最大輸出電流3 A，電源紋波抑制比（PSRR）為62dB@（100 Hz）。該部分為核心板及交流采集模塊提供必要的數字電源+3.3 VD 和模擬電源+3.3 VA。

3 結束語

調壓控制器電源設計采用工頻交流和太陽能光伏板雙重輸入；具有鋰電池和超級電容器雙重后備儲能；同時輸出兩路直流電壓，并可通過電源管理模塊實現不同電源之間的無縫切換，從而確保有載調壓控制器供電系統的安全、可靠、低碳和節能，配電臺區供電電壓的質量得以顯著提高。