电力用智能高频开关整流式充电电源

电力用智能高频开关整流式充电电源

摘要：智能高频开关整流式充电电源，由微机监控模块和充电模块组成。本文从这两方面出发，对其进行介绍。一方面对充电模块的功率转换部分及保护部分进行简要介绍，另一方面阐述微机监控模块软硬件的设计框架。

关键词：高频开关电源调制解调器IGBT模块绿色电源

Design of Intelligent High－ frequency Switching Power Supply in Power System Abstract:Intelligent high－ frequency charging power unit is of switching/rectifying type,consisting of microprocessor based supervising and control module.This article mainly introduces the power conversion part and protection part of the charging module and on the other hand.It introduces the design concept of the software and hardware for the microprocessor based supervising and control module.

Keywords: High－ frequency switching power supply Modem IGBT module Green power unit

1引言

　　微机产品在电力系统的推广应用，导致对供电电源提出了更高的要求。美国、德国等西方发达国家电力系统中的直流电源早已采用模块高频开关整流式电源。在我国这种更新换代也已经开始。本文介绍的电力用智能高频开关整流式充电电源正是为适应这种趋势而开发研制的。

2微机监控模块硬件设计

　　微机监控模块的硬件框图如图1所示

图1 微机监控模块硬件框图

　　监控模块不仅对各电源模块的电压、电流以及输入三相交流电进行采样，而且还对直流馈电屏的电池电压和控制以及合闸母线的电流进行采样，所有采集到的模拟量，经多路转换选择开关进入80C196KC芯片的A/D转换口，由程序控制多路选择转换开关，通过整定来获得当前各模拟量的数值。本系统没有采用外加D/A转换器，而是利用芯片本身的资源，通过芯片的P2.5和HSO脚输出PWM脉冲，经放大后送到各电源模块控制口，对各电源模块参数进行设定。为了提高系统的抗干扰能力，各电源模块的输入、输出控制信号和各种异常信号以及馈电屏的所有信号，都进行了光电隔离。系统采用清华蓬远科贸公司的MGLS240128T液晶模块显示。显示一律为汉字，使操作简单明了。由于此液晶模块自身有驱动电路，就大大简化了系统硬件设计。监控模块通过80C196KC单片机的TXD和RXD口，由调制解调器（MODEM）接入电话网，进行网上微机通讯。

3微机监控模块的软件设计

　　监控模块主程序框图如图2所示。

　　由于监控模块的参数比较多，一液晶屏无法全部显示，因此程序框架采用树枝状分枝结构。开机后，首先对各电源模块进行初始化，同时，显示公司名称及产品名称画面。按回车键进入主菜单画面，各项显示一律菜单化。对各电源模块和A/D参数以及密码进行设定时，必须先输入密码，这是为防止参数被随意修改。然后才能进入相应画面进行设定，同时程序对参数可修改范围进行自动限幅，以保证系统

图2微机监控模块主程序框图

注：I1为浮充电流转换点，I2为主充电流转换点，U2为主充稳压点，IW为稳流点。

运行安全。对A/D参数进行设置，是为了调试方便，使显示的电压、电流值与实际相符。若当前系统存在故障，则微机监控模块立即发出声光报警，液晶屏显示当前故障和发生时刻，同时微型汉字打印机也把所显示的内容打印出来。当故障消失后，回到主菜单显示。另外在正常工作情况下，按下打印键，可以打印出除时间参数以外的任何当前液晶显示画面。所设定的各参数保存于外部DS12887时钟芯片内，在监控模块掉电的情况下，各参数值也不会丢失。程序设计中，利用定时器0来进行A/D采样和各开关量采集，利用定时器1进行键盘处理，利用定时器2进行读DS12887时钟。在时间参数菜单内，可以对时间和日期进行设定。为了使程序明朗直观，程序采用模块化设计方法，各模块相互独立，对于模块间不可缺少的联系，在RAM中开辟了若干标志单元，各模块可根据当前的工作状态在标志单元中设定标志位做相应处理。液晶汉字显示的字库，是利用汉字提取软件，直接从UCDOS内提取，特殊字符利用软件自编点阵。液晶进行汉字显示时，首先将汉字点阵内容送至液晶的CGRAM单元内，显示时读取该单元的内容就可以了。通信协议采用电力系统“循环远动规约”，监控系统具有“四遥”功能。上下微机传送数据采用CRC校验，以保证数据传送的正确性。

图3电源模块原理图

4强电磁干扰问题的解决办法

　　本微机监控模块是专门为电力系统的直流电源系统而设计的，由于发电厂或变电站高压电力线密集，空间电磁干扰和电源窜入干扰特别严重，为了保证微机监控模块正常工作，提高其抗干扰能力，解决措施如下：

（1）微机监控模块的各工作电源，首先经电磁兼容滤波器滤波，再由直流变换器隔离，最后由共膜滤波器再滤波，然后供给微机监控模块，所有电源线应尽量短且做成双绞线。

（2）采样电路和开关量采集电路采用光电隔离且采用多次电容滤波。

（3）模拟与数字电路间进行光电隔离。

（4）测量的电压与电流信号，采用中值和均值混合滤波方式。

（5）软件采用模块结构设计，在每个模块之后和程序存储器空白区加软件陷井，并且在一些重要跳转指令之后加了软件冗余指令。

实践证明，经过以上处理，微机监控模块的抗干扰能力大大提高了。

5电源模块功率电路的设计

　　总体框图如图3所示。主电路采用德国西门子公司的BSM1200GB1200DN2KIGBT模块，组成半桥电路。此部分是电源模块的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。驱动电路采用三菱公司的混合集成电路M57959L，此混合驱动电路在输入和输出之间利用光耦实现电气上的隔离，从而提高了抗干扰能力。另外，此集成电路在大电感负载情况下，能限制di/dt所形成的尖峰电压，这就更进一步保证了IGBT的安全。

　　控制芯片采用TL494集成芯片，TL494是一个固定频率的PWM控制电路，适用于设计所有的单端或双路开关电源的典型电路。本电源模块采用N＋1热备份，完全实现无主从均流方式，从而可组成超大功率直流系统，实现了动态冗余结构，获得了极高的可靠性。

6充电程序及原理

　　通过微机监控模块，可以设定电源模块的充电方式。

6.1手动充电方式

在电源模块参数设定菜单内选手动充电方式，即进入设定恒定电流值选项。这种充电方式采用恒流限压两阶段充电。电池亏容的情况下，首先进入恒流充电，经微机监控模块的检测与判断，当达到转换电压时，便进入恒压充电方式。这种充电方式一般是适用于对新电池进行活化处理或对电池进行快速充电。

6.2自动充电方式

　　在参数设定菜单内，选自动充电方式，即进入自动充电状态。这时候各电源模块工作于恒压限流运行方式。它为经常负载提供电流的同时，也向电池组浮充电，来补充电池组本身的能量自损耗。当电池组亏容后，电源模块经微机监控模块的判断后，便进入主充电状态，先以恒流充电，当达到转换电压时，就以恒压充电。补充到电池额定容量后，这时候电源模块对电池组的充电电流也达到主充与浮充的临界转换点，经微机监控模块检测与判断，便自动转入恒压浮充工作状态。见图2所示流程图。各充电电源模块既采样输出电压，还要采样通过电池本身的电流，把采样信号送到微机监控模块。由于在电池组中串联了精度极高的电流霍耳元件对电池充电电流进行采样，可以精确地补充放电量，不需人为计算和控制，这样就保证了电池组既不亏容，也不过充，从而大大延长了电池的使用寿命。

7保护电路

　　本电源模块设有独立的故障检测系统，检测输入过压、欠压和过流、短路、过热等故障。出现故障时，由继电器引出提供给微机监控模块。所有这些均为恢复性保护，当发生保护后，待故障消失时，模块能自动恢复工作。其中一个或几个电源模块因故障停止工作，并不影响其他模块的正常工作。下面简单介绍一下过流保护电路，其原理框图如图4所示。过流保护能否在主电路发生过流时准确及时动作，不但决定功率IGBT器件能否正常工作，而且将决定整个电源模块的可靠性及其是否具有实用价值。为了解决这一问题，经大量的研究与试验，研制出过流保护专用电路。此电路由主检测动作电路和缓冲加速电路组成。工作原理如下，在主电路中串联一个采样用的锰铜片Ro，如图3所示。在Ro上所采到的电压信号U是由公式U=IR确定，此信号通过屏蔽线送到X5∶1与X5∶2之间。当U达到某一确定值URO时，检测电路立即动作，使高速光耦迅速导通，电压信号送到保护信号入口，从而使脉宽调制器封锁脉冲，电源模块停止工作。待过流信号消失后，此时U为了进一步提高整个系统的可靠性，本电源模块设计了备用电路，此电路能够在微机监控模块发生故障时，继续保持各电源模块正常工作。

图4过流保护电路框图

8主要技术参数

　　输入电压AC380V±15％不分相序

　　电网频率50Hz±10％

　　每个电源模块输出电流20A

　　稳压稳流精度≤±0.5％

　　纹波系数≤0.1％

　　效率≥90％

　　均流不平衡度≤±3％

　　功率因数≥0.90

　　输出电压200～300V

9结论

　　我国微机保护装置在二十世纪80年代末成功地投入电网运行之后，根据国内继电保护事故调查分析统计资料表明，来自电源自身对继电保护的干扰和自身可靠性差是造成继电保护误动和拒动的一个重要因素，为此，迫切需要具有高可靠性、高指标的各种电源与之配套。在这种情况下，开发研制出这种新型无人值守的“绿色电源”。它结合了计算机技术和高频开关技术，采用模块化设计，选配灵活。该智能电源不仅体积小、重量轻、高效节能、无污染，而且它还具有“遥测、遥信、遥控、遥调”功能，易于实现电力系统综合自动化，完全可以替代传统的相控电源。该电源已用在全国一些省份的电力系统中，运行正常，受到用户的好评。