直流双电源

直流双电源（精选九篇）

直流双电源 篇1

提高参数测量精确度的重要方法是降低各类误差,其中直流电源纹波是产生误差的主要根源之一。二极管工频整流后直流电源有较大的工频纹波,需要较大容量滤波器件;开关电源采用高频工作,滤波器件体积和容量降低[1],但存在高频纹波,虽然通过增加电路滤波器件可降低纹波,有时可达几毫伏,但仍达不到高精度测量的要求[2]。

本身没有纹波的直流电池供电是一种较好的选择,可以得到高质量的直流电源供应,但单一电池的容量有限,需要充电。有些电源采用交流供电、电池备用的方式,可保证交流失电后一段时间内的供电,交流供电时的纹波仍然存在。

为了克服了现有工频整流稳压电源和开关电源纹波控制技术的不足,以及电池容量有限不能持续低纹波输出的问题,本文设计了一种基于STC89C54的低纹波双电池直流稳压电源。

1 硬件电路原理

系统的硬件主要包括控制主电路、电压采集电路、充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池以及电源适配器,电路结构如图1所示。

控制主电路包括单片机STC89C54、A/D转换器PCF8591和LCD12864。PCF8591把模拟型的电压信号转换成数字信号,供单片机进行信号处理;单片机根据当前电池的充、供、欠、满4种状态和继电器通断原则,实现对双电池充电和供电的最优控制;液晶显示器显示各个电池的充、供、欠、满4种状态,并且实时显示各个电池当前电压以及充电电池的充电电流,为使用者提供便捷。

电压采集电路由分压电阻、运算放大器和充电电流采样电阻组成,电池端电压首先通过分压电阻分压,再由运算放大器调整到可采集的电压范围,最后传输到PCF8591进行A/D转换,而充电电流采样电阻的作用是把充电电流信号转换成电压信号。

充电选择电路和供电选择电路分别是由两个继电器开关和两个二极管组成[3],控制主电路遵循通断原则控制继电器闭合与断开,在保障持续供电的前提下,尽可能使稳压电源低纹波输出。线性电压调整电路采用线性稳压模块、滤波电路和缓冲电路来稳定输出和降低开关调整产生的谐波,以此实现稳定的低纹波输出。可充电电池选择12 V电池,并配备相应的电源适配器。双电池低纹波直流稳压电源供电原理图如图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 控制主电路设计

控制主电路是以自带看门狗的单片机STC89C54为控制核心,A/D转换器PCF8591输出的数字信号和充供继电器开关的通断情况作为单片机的输入信号,LCD12864为显示输出,单片机遵循以下几个通断原则控制双电池的充供电:

(1)该电池充电开关需要闭合时,必须同时满足:

该电池处于未充满状态;②

②该电池的供电开关处于断开状态(即该电池不供电);

③另一电池的充电开关处于断开状态(即两个电池不同时充电)。

(2)该电池充电开关需要断开时,只需满足其一即可:

①该电池处于充满状态;

②该电池的供电开关即将闭合(即需要该电池供电);

③另一电池的充电开关即将闭合(即两个电池不同时充电)。

(3)该电池供电开关需要闭合时,必须同时满足:

①该电池处于不欠电状态;

②该电池的充电开关处于断开状态(即该电池不充电);

③另一电池的供电开关即将断开(即两个电池不同时供电,但为了保证后级供电,需要该电池供电开关闭合后,另一电池供电开关才能断开)。

(4)该电池供电开关需要断开时,只需满足其一即可:

①该电池处于欠电状态;

②该电池的充电开关即将闭合(即该电池需要充电);

③另一电池的供电开关已经闭合(为保证后级供电,另一电池供电开关闭合后,该电池供电开关才能断开)。

如图2所示,以上四条通断原则逻辑关系可总结为:

式中:B1Q,B1M分别代表B1电池欠电和B1电池满电。

以通断原则为根本控制思想,完成软件程序的编写和调试,是实现低纹波、稳定、持续供电的核心思路。

2.2 电压采集电路设计

由于电池充电时,采集到的电池端电压是充电器的端电压,不能只用电池端电压值来判断电池是否满电,所以需要电池端电压信号采集电路和充电电流信号采集电路配合使用[4,5]。

电池端电压信号采集电路又可分为正极性电池电压信号采集和负性电池电压信号采集,由于所选择的串行A/D转换芯片PCF8591可识别0~5 V电压信号[6];故正极性电池电压信号需通过一组分压电阻分压为0~5 V,再接电压跟随器即可采集成功;而负极性电池电压信号由于负电压的特殊性,需先通过分压电阻分压为反相运算放大器可识别的电压范围内,然后选择合适的放大倍数,反向放大到合适的电压区间[7]。负极性电池端电压信号采集电路如图3所示。

充电电流信号采集电路也可分为正极性充电电流信号采集和负性充电电流信号采集。采集到信号实际上是电压信号,但是考虑到功耗问题,所选用的采样电阻十分小,故采集到的电压信号十分微弱,所以分别需要通过同相比例放大器和反向比例放大器来放大采集到的微弱电压信号,并且在放大器输入端加入了RC滤波电路来抑制干扰。

这样就使得所有电压信号满足PCF8591芯片的采集范围,为后级控制主电路的信号输出提供参考。正极性充电电流信号采集电路如图3所示。

2.3 其他电路设计

除了控制主电路和电压采集电路,该系统还包括充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池和电源适配器。

这几部分电路中,充电选择电路和供点选择电路分别是由两个5 V继电器和两个二极管组成,由单片机根据通断原则依次输出高低电平来控制各个继电器的导通和断开,二极管的单向导通性,保证了充电电流或者供电电流的单向性;线性电压调整电路通过三块线性稳压模块分别可实现一路5 V和两路可调电压输出,稳压模块前级输入和后级输出分别并联0.1μF普通电容和100μF电解电容来对输入/输出电流滤波和缓冲,达到稳定输出和降低开关调整谐波的目的,以此实现稳定的低纹波输出。

线性稳压模块的性能要求输入电压比输出电压高2~3 V,所以本设计选择无纹波的12 V可充电电池为后级电路提供低纹波直流电压,前级交流充电选择与之匹配的电源适配器提供充电电流。

3 软件系统设计

低纹波双电池稳压电源开始上电,程序初始化完成,接着将采集到的电压信号A/D转换并显示于LCD12864,然后控制主电路判断双电池是否均欠电,若均欠电,则充满一个电池,再依次执行A/D转换子程序、电池状态扫描子程序、供电子程序、充电子程序以及液晶显示子程序;若至少一个电池不欠电,则直接执行后级子程序。设计流程图如图4所示。

4 电源纹波测试分析

电源制作并调试完毕后,采用同轴电缆测试装置来对电源进行纹波测试,在被测电源的输出端接RC电路后经输入同轴电缆后接示波器的AC输入端,具体连接方法如图5所示[8]。

示波器选用RIGOL公司的DS1204B,在示波器的设置方面,应注意尽量使用示波器最灵敏的量程档,打开AC耦合和带宽限制功能,表笔选用同轴电缆,并设置衰减比为1倍[9,10]。

根据以上方法,分别对普通直流电源(兴隆NS⁃3)、可编程直流电源(RIGOL DP832)和本设计的低纹波直流电源进行纹波对比,三种电源输出电压均为5 V,测量结果如图6所示。

由图6可知,普通直流电源输出纹波为5.36 m V,可编程直流电源输出纹波为2.88 m V,低纹波直流电源输出纹波为400μV。

纹波对比试验结果可知,同环境、同电流以及同负载情况下,本文设计的低纹波直流电源输出纹波电压低于500μV,在输出纹波方面优于其他直流电源。

5 结语

设计的低纹波直流电源可以准确识别电池电压和充电电流,并能遵循开关通断原则实时控制继电器,控制状况良好。输出纹波对比试验表明:本设计在纹波控制方面具有较大优势,是实现高精度参数测量的有效途径。

目前,该低纹波双电池直流稳压电源已成功应用到旋转导向钻井测斜仪中,电源工作稳定可靠,参数测量精确度明显提高。

参考文献

[1]贾洪成.一种新型的直流稳压[J].电气时代,2000(4):22-23.

[2]刘金涛,田书林,付在明.一种高精度低纹波的DC-DC电源设计[J].中国测试,2010,36(6):62-64.

[3]陈霖,王丽文,钱渭,等.继电器的选择和使用[J].机电元件,2011,31(6):43-49.

[4]乔波强,侯振义,王佑民.蓄电池剩余容量预测技术现状及发展[J].电源世界,2012(2):21-26.

[5]JIANG Jiuchun,WEN Feng,WEN Jiapeng,et al.Battery management system used in electric vehicles[J].Power electronics,2011,45(12):2-10.

[6]周剑利,郭建波,崔涛.具有I2C总线接口的A/D芯片PCF8591及其应用[J].微计算机信息,2005,21(7):150-151.

[7]崔张坤,梁英,龙泽,等.锂电池组单体电压采集电路的设计[J].沈阳理工大学学报,2011,30(3):29-33.

[8]程惠,任勇峰,王强.电源纹波的测量及抑制[J].电源技术,2012,36(12):1899-1900.

[9]高增鑫.基于RIGOL数字示波器的电源纹波自动测量系统[J].世界产品与技术,2008(10):87-88.

[10]王旭东,张方华,肖旭,等.带双Buck逆变器的DC/DC变换器低频电流纹波抑制[J].电力电子技术,2013,47(5):35-37.

《直流稳压电源》教案 篇2

教学重点

1．掌握直流稳压电源的组成及各部分作用。2．识读各种三端集成稳压器型号和引脚排列。

3．理解三端集成稳压器电路稳压原理及主要元器件作用。4．会搭建、检测集成稳压器电路。教学难点

1．各种稳压电路稳压原理。

2．识读三端集成稳压器的典型应用电路。

一、直流稳压电源的组成

1．整流——将交流电转换成直流电

2．滤波——减小交流分量使输出电压平滑 3．稳压——稳定直流电压

二、串联型直流稳压电路

（一）稳压电源的技术指标

1、稳压系数

2、输出电阻ro

3、温度系数ST

4、纹波电压Uoγ及纹波系数SV

（二）电路组成

1、取样电路

2、比较电路

3、调整管

4、基准电压

（三）串联型直流稳压电路

1、原理电路图:

2、稳压工作原理

设Ui↑（或RL↑）→Uo↑→VB2↑→UBE2（=VB2－UZ）↑→IB2↑→ IC2↑

Uo（=Ui－UCE1）↓←UCE1↑←IC1↓←IB1↓←UBE1↓←VB1↓←UCE2↓←

（四）三端固定式集成稳压器 三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端式稳压器有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。

1、外型及管脚排列:

三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列(正电源)和CW7900系列(负电源)。

2、基本应用电路

CW78XX集成稳压器的基本应用电路

3、输出正,负电压电路

采用CW7815和CW7915三端稳压器各一块组成具有同时输出+15V～-15V电压的稳压电路。

（五）三端输出可调式集成稳压器

1、三端输出可调式集成稳压器系列

2、三端可调输出集成稳压器的应用电路

小结：

1、串联直流稳压电路的组成框图及各组成部分的作用。

2、串联形稳压电路的稳压原理分析。

3、三端集成稳压电源的管脚排列方式。

简易数控直流稳压电源的设计 篇3

关键词：单片机；数控直流电源；设计

中图分类号：TP342+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）14-0010-02

1 概 述

随着技术的进步与科技的发展，数控直流稳压电源设备也成为诸多电子设备不可或缺的部分。国内市场上，数控直流稳压的种类也较多，但这些电源普遍存在如输出精度不高、输出不稳定、抗干扰能力差、驱动能力弱等问题。

针对以上问题，笔者设计了一款数控直流稳压电源。该电源采用单片机作为控制单元，可通过键盘输入设置波形输出种类、电压的输出范围和步进系数等。该电源设计满足以下设计要求：输出电压范围0～+9.9 V，步进0.1 V，纹波不大于 10 mV；输出电流：500 mA；由按键分别控制输出电压的增减；输出电压可预置在0～9.9 V之间的任意值；数字显示输出 0～9.9 V的值。

2 总体方案设计

根据简易数控直流稳压电源的设计要求 ，简易数控直流稳压电源的设计框图，如图1所示。其中，数控部分以单片机AT89C51作为系统主控CPU，采用软件编程的方式设置波形产生的方式，通过DAC0832芯片，将其转化为模拟信号，再经功率放大电路对信号进行有效地放大输出。

3 主要电路的设计

3.1 电源电路

电源电路主要由整流二极管构成的全波桥式整流，电容滤波电路和三端集成稳压芯片构成的稳压电路构成。电路使用 7 805、7 815和7915制成了两组±15 V和+5 V的稳压直流电源。滤波电容C=2 200 μF/30 V。在选择滤波电容时，主要考虑了以下因素：

①整流二极管的压降；

②三端集成稳压芯片的最小允许压降Ud；

③电网电压波动范围值10%。

3.2 数控电路

在设计数控电路时，主要考虑以下功能：可预置输出电压值，且具备“步进”和“扫描”两种改变方式；数控部分的输出应直接控制数码电阻网络开关。

根据设计要求，数控电路由微控制处理器MCU作为系统核心，输出电压预置值分别由两位拨盘开关提供。系统上电后，MCU先读入预置电压值，再由MCU串口将输出电压值送LED显示。同时将预置电压值输出至数模转换芯片DAC0832，由DAC转换转换成相应的模拟输出电压。电路在工作中，系统不断检测电压预置键是否被按下。如果检测到有按键动作，将使显示值和输出电压增减0.1 V。如果检测到按键时间超过0.5 s，则认为按键处于 “扫描”方式，预置值需要连续增减。

3.3 功率放大电路

功率放大电路采用由集成运放构成的闭环推挽输出电路。该功率放大电路的电压增益AVf=2。

①电阻的选择为了保证电路放大倍数AVf=2，要求R2及反馈电阻有足够高的精度，因此，在电阻的选择中，选取R1= 5.1 kΩ±5%，R3=9.1 kΩ±5%，VR1=5 k 。同时引入微调器 VRl，使得放大倍数能在2±10%内可调。

②为满足输出500 mA的设计要求，推挽输出级采用达林顿管TIP122与TIPl27，其参数为：

TIP122：Ic=5 A，Vce=100 V，Pc=65 W；TIP127：Ic=5 A，Vce=-100 V，Pc=65 W。

4 系统主程序设计

电路的主程序设计流程，如图2所示。按下“复位”按键，置入预置值。电路上电程序启动，系统完成初始化工作后，从BCD拨盘开关读取预置输出电压值，经数制转换处理后存入寄存器。再将预置值送LED显示单元显示。同时将输出电压预置值送DAC进行数模转换，得到对应的模拟输出电压。

系统完成这一系列动作后，程序将开展键盘扫描，检测按键状态，直到检测到有按键动作为止。

检测到有按键动作后，将按键信号作延时去抖处理后，再判断具体按键是“+”还是“-”键。若按键为“+”键，则调用电压增加0.1V的子程序，完成增加预置值的动作。若按键为“-”键，则调用电压减少0.1V的子程序，完成减小预置值的动作。然后再返回到按键状态检测，继续重复上述按键检测动作。只要检测到“+”、“-”键的单次按键时间小于0.5 s，则采用步进的方式对电压源进行电压值的增减。若检测到单次按键时间超过 0.5 s，则采用 “扫描”工作方式完成电压源预置电压的增减。

5 系统测试与功能小结

5.1 系统关键点电压测试

系统关键点电压测试，见表1。

由关键点电压测试结果分析可知，本次设计的基于单片机控制的数控直流稳压电源的输出电压可在0～9.9 V范围内根据预置值而变化，电路输出电压精度高，误差较小，数显结果显示清晰、正确。

5.2 系统功能总结

本电压源的功能是通过单片机AT89C51控制有效实现电压的数字控制。电压源的各项参数均满足设计要求。

信号由键盘“+”或“-”按键将模拟信号通过AT89C51单片机处理控制输出2进制量由P0.0到P0.7口送给DAC0832完成A/D转换。由于所设计的电路输出为电压信号，而经DAC0832转换后的输出是电流分量，所以还需将其输出经运算放大电路处理才能得到设计所需的0～9.9 V变化的电压，在本设计中选用了双电源低噪声高速优质运放NE5534，将输出的电流分量有效地转换为模拟电压分量。

6 结 语

本设计以单片机为主控核心，设计的一种智能稳压电源。可由面板上的功能按键，结合单片机控制，可实现设计要求范围内的任意输出电压，电路简单，结构紧凑，控制方便，电路稳压精度高，性能稳定，可广泛用作科研实验电源或对直流电压要求较高的设备上。

参考文献：

[1] 李华.MCS—51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学 出版社，2002.

[2] 吴金戍.8051单片机实际与应用[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 杨振江.A/D、D/A转换器接口技术与实用线路[M].西安：西安电子科技 大学出版社，1998.

[4] 何希才.稳压电源的设计和应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[5] 何社成.电源开关控制保护应用电路[M].济南：山东科学技术出版社，2007.

[6] 王云肖.直流可调稳压电源的设计与Proteus仿真应用[J].仪器仪表用 户，2011，（2）.

超级电容直流操作电源 篇4

1 超级电容代替蓄电池的可行性

超级电容器[2,3,4,5]包括双电层电容器EDLC (Electric Double-Layer Capacitor)和电化学电容器2大类。EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件,其多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维,电解液采用有机电解质。工作时在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成了双电层中聚集的电容量。其多孔化电极是使用多孔性的活性碳,有极大的表面积在电解液中吸附着电荷,因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量,超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。超级电容与铅酸蓄电池特性比较如表1所示。

超级电容与蓄电池相比,具有环保、寿命长、对环境要求低、可提供大电流充放等特点,近年来已成为电动汽车研究与应用的重点,电动汽车的开发又促进了超级电容的发展[6,7,8,9,10]。在直流操作电源事故负荷较大的变电站中,可用超级电容与铅酸蓄电池并联的方式[11,12]:在直流操作电源事故负荷较小或要求不高的中小变电站中,可用超级电容代替铅酸蓄电池[13,14,15]来提高电源系统可靠性,减少系统维护工作量。

2 超级电容直流操作电源系统设计

超级电容直流操作电源的最大特点是免去了铅酸蓄电池的日常维护工作量,设备环保,成本低。超级电容寿命长(大于10年),这样可以使直流操作电源系统的寿命达到10年以上。缺点是超级电容的储能密度不如铅酸蓄电池高,如果事故负荷较大,会增加设备的体积和成本。对此设计了双充冗余热备份的高可靠直流操作电源系统。通过冗余备份解决了电源系统的可靠性。超级电容直流操作电源如图1所示(图中,Z1、Z2为自动切换装置)。

超级电容直流操作电源采用2套完全相同的整流器,输出通过单母线分段向负荷供电。具有下面3个特点。

a.整流器采用冗余热备份设计,其交流输入均采用双路自动切换,只要2路交流进线有一路正常,一路整流器正常,整流器就可提供正常电源输出。

b.超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能,可根据负荷大小确定超级电容的容量,一般选择1F/300 V,一只或多只并联。

c.2路整流器输出通过单母钱分段方式向负荷供电,根据用户不同可以选择2段母线分段运行,故障时母联开关自动投入或人工投入;或选择2段母线一并运行,2路整流器一主一备,一路故障另一路自动投入或人工投入;或选择2段母线、2套整流器直接并联的运行方式,任何一路整流器故障,将会自动退出。

3 超级电容直流操作电源可靠性分析

超级电容直流操作电源与铅酸蓄电池直流操作电源相比,系统可靠性、可用性和可维护性得到提高。

整流器采用2套并联冗余结构,其可靠性高于单套整流器的可靠性,系统具有容错能力。由于2套整流器的可靠度相等,根据并联系统可靠性计算公式,当单套子系统可靠度为Ri(t)=e-λ0t(i=1,2,…,n)时,N套并联后的可靠度为Rs(t)=1-(1-e-λ0t)n,并联后系统的平均故障间隔时间MTBF (Mean Time Between Failure)记为ts:

即可写为,t0为,为套子系统的,MTBF，可见并联结构系统的MTBF比单套子系统提高倍。本系统采用2套相同的整流器,故系统的平均故障间隔时间将提高1.5倍[16,17]。

本系统通过超级电容代替铅酸蓄电池,提高了直流操作电源系统对中小变电站的环境适应范围,特别是在环境温度相对较高的变电站,将解决铅酸蓄电池的寿命急剧变短的问题,从而提高直流操作电源系统的可用性。

通过超级电容代替铅酸蓄电池,不存在铅酸蓄电池的定期活化问题,由于蓄电池活化可能影响生产的正常进行,有些重要用户实现很不方便。这样直流操作电源系统的维护工作将大为减少;另外,2路整流器和输出母线系统的任何维护都不影响电源系统的正常运行,系统结构简单、运行灵活,具有较高的可维护性。

4 结语

用超级电容代替铅酸蓄电池,通过采用冗余的方式提高系统的可靠性,设计的直流操作电源系统,解决了由于蓄电池自身为电源系统带来的环保、维护、寿命等问题,提高了电源系统的可靠性、可维护性和可用性。该电源系统已经在矿井变电所等工矿企业成功应用,实践表明用超级电容代替铅酸蓄电池是直流操作电源系统的一个发展方向,并将随着超级电容发展不断扩大应用范围。

摘要：提出采用超级电容，即双电层电容器EDLC(Electric Double-Laver Capacitor)代替铅酸蓄电池设计的直流操作电源系统。超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能，可根据负荷大小确定超级电容的容量，一般选择1 F/300 V，一只或多只并联。对于超级电容的储能密度不如铅酸蓄电池高的缺点，电源系统采用了双充冗余热备份结构。通过对超级电容系统的可靠性分析，表明冗余备份使电源系统的平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)提高了1．5倍。应用结果表明用超级电容代替铅酸蓄电池是直流操作电源系统的一个改进方向。

数控直流稳压电源设计 篇5

1 几种数控直流稳压电源设计方案比较

1.1 几种设计方案电路原理

方案1:采用模拟的分立元件, 利用纯硬件来实现功能, 通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路, 实现稳压电源稳定输出±5 V、±12 V、±15 V并能可调输出0～30 V电压, 见图1所示。但由于模拟分立元件的分散性较大, 各电阻电容之间的影响较大, 因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大, 同时焊点和线路较多, 使成品的稳定性和精度受到影响[4]。

方案2:此方案采用传统的调整管方案, 主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能, 其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压, 以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值, 为了使系统工作正常, 必须保证双计数器同步工作[5]。

方案3:此方案不同于方案1之处在于使用一套十进制计数器, 一方面完成电压的译码显示, 另一方面其输出作为EPROM的地址输入, 而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大同步的问题, 但由于控制数据烧录在EPROM中, 使系统设计灵活性降低[6,7]。

方案4: 此方案采用51系列单片机作为整机的控制单元, 通过改变输入数字量来改变输出电压值, 从而使开关控制电源输出电压发生变化, 间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小, 经过ADC0809进行模数转换, 间接用单片机实时对电压进行采样, 然后进行数据处理。利用单片机程控输出数字信号, 经过D/A转换器 (DA0830) 输出模拟量, 再经开关电源控制电路, 使得输出电压达到稳压的目的。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控, 输出电压经过电流/电压转变后, 通过A/D转换芯片, 实时把模拟量转化为数据量, 经单片机分析处理, 经过数据形式的反馈环节, 使电压更加稳定, 构成稳定的压控电压源。而且采用PWM控制的开关电源, 该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当, 而电源效率显著提高, 体积和重量则大为减小[8,9]。

2 方案的比较与论证

(1) 输出模块

方案1采用线性调压电源, 以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少, 这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出地影响, 此输出只能是用万用表量出。而方案2、方案3中使用运算放大器做前级的运算放大器, 由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比, 可以减少输出端的纹波电压。在方案1中, 为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度, 这样输出的电压难以跟踪快变的输入, 方案4中的输出电压波形与D/A变换输出波形相同, 不仅可以输出直流电平, 而且只要预先生成波形的量化数据, 就可以产生多种波形输出, 使系统有一定驱动能力的信号源。

(2) 数控模块

方案1利用纯硬件来控制电压的输出, 其中最基本的电路原理分析, 需要计算负载的大小, 稳压管的选择有关, 方案2、方案3中采用中、小规模器件实现系统的数控部分, 使用的芯片很多, 造成电路内部接口信号繁琐, 中间相互关联多, 抗干扰能力差, 如方案1中的双计数器一旦出现计数不同步时, 会导致显示电压与输出电压不一致。在方案4中采用AT89C51单片机完成整个数控部分的功能, 同时, AT89C51作为一个智能化的可编程器件, 便于系统功能的扩展[10]。

(3) 控制模块

在该系统中, 采用具有D/A转换功能的PWM调节电路、斩波电路、阔流器和可调稳压管 (LM317) 去控制输出参考电压, 在利用A/D转换采样, 使输出更准确, 且纹波小, 电流亦可扩展, 容易保护电路。

(4) 显示模块

方案2、方案3中的显示输出地对电压的量化值直接进行译码显示输出, 显示值为D/A变换的输入量, 由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差, 显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案4中采用A/D转换电路, 通过对输出电压的采样, 经过单片机的分析处理, 通过数据的反馈环节, 使电压更加稳定, 这样使得显示值与实际输出之间的偏差减为最小。方案4采用4位数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值, 一旦系统工作异常, 出现预制值与输出值偏差过大, 用户可以根据该信息予以处理, 还采用了键盘/显示器的查询时间, 提高了CPU的利用率。

3 结束语

如前所述, 虽然方案3比前两者有许多优点, 但方案1、方案2对于完成设计要求并非不可行, 而且在某些方面还具有优势, 之所以采用方案4, 一个很重要的考虑是系统使用了单片机, 使得进一步的功能扩展较为方便。

摘要：设计了“数控步进直流稳压电源”提出了人性化、高标准、低成本的要求, 以微控制器为核心, 设计一数字式直流电压控制系统, 系统由单片机、A/D转换器、D/A转换器组成。该系统提高了CPU的利用率, 方便了功能的扩展。

关键词：单片机,D/A转换器,稳压电源,A/D转换器

参考文献

[1]赵新民.智能仪器设计基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1999.

[2]刘选忠, 杨拴科.实用电源技术手册—模块式电源分册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社, 1999.

[3]刘和平, 严利平, 张学锋.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

[4]王顺棋.稳压电源设计[M].北京:国防工业出版社, 1983.

[5]赵学泉, 张国华.电源电路[M].北京:电子工业出版社, 1995.

[6]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选 (1994-1999) [M].北京:北京理工大学出版社, 2003.

[7]何希才, 姜余祥.新型稳压电源及其应用[M].北京:国防工业出版社, 2002.

[8]杨振江.A/D, D/A转换器接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 1996.

[9]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1998.

直流屏逆变电源直流偏磁的抑制研究 篇6

在SPWM全桥逆变器中,为了实现输入输出之间前的电气隔离和得到合适的输出电压幅值,一般在输出端皆有工频变压器。逆变桥输出为SPWM脉冲波,理论上不存在直流分量。但是,在实际运行中,很多因素会造成变压器直流偏磁,容易引起铁芯饱和,甚至出现一些故障导致逆变器无法正常工作。而且用于电力系统的直流屏逆变电源,对于输出电压的质量要求更高,因此,直流偏磁情况必须解决。

有关文献对直流偏磁从不同方面做出了研究:文献1采用重复控制策略,但此控制策略动态性能不佳;文献2提出了双环控制,算法比较复杂;文献3在逆变桥周围进行电路改进[3],对于使用IPM模块的逆变器并不适合。

本文通过对单相桥式逆变电源偏磁产生原因深入分析,采用对输出变压器初级电流采样检测,通过PI控制最大限度抑制偏磁。并且通过理论分析,充分考虑变压器对偏磁的承受能力,合理地设计逆变电源输出工频变压器。因此从硬件和软件算法两个方面同时保证逆变系统的正常工作。

1 直流偏磁现象的分析

SPWM全桥逆变器如图1所示。直流偏磁现象是电力变压器的一种非正常工作状态,由于输出变压器原边电压正负波形不对称,引起变压器铁芯工作磁滞回线中心点偏离零点,从而造成磁工作状态不对称的现象[5][8]。在SPWM全桥逆变器中,若输出变压器一次侧电压正负半周波形对称,铁芯磁工作点将以原点为中心沿着磁滞回线对称地往复运动。反之,正负波形不对称,则正负半波磁感应强度幅值不同,磁工作区将偏向第一或第三象限,形成直流偏磁。造成一次侧电压正负波形不对称的原因主要有如下几个因素:正弦调制波或三角载波存在直流分量;功率开关关关断时的存储时间不一致;调制脉冲中死区时间的加入等。

由上述分析可知,在SPWM全桥逆变器中必然存在直流偏磁,变压器的这种状态导致一系列影响变压器正常工作的严重后果:增加了变压器的无功损耗;引起保护继电器的误动作;铁心的高度饱和使漏磁增加,如果偏磁继续积累,铁芯进入深度饱和,磁工作点进入非线性区,变压器铁芯相对导磁率μr将迅速减小,由公式磁导率可以看出,此时励磁电流Iμ迅速增大,甚至会引起逆变颠覆。所以采取合适的方法抑制偏磁至关重要。

2 抗偏磁策略

如图2所示,由安培环路定律可知:Hl=i1N1+i2N2(1)

式中1为变压器铁芯的平均磁路长度。原边电压u1是周期函数,则原边电流i1,主磁通Φ都是周期函数,用傅立叶级数表示如下:

式中u1-,i1-,Φ-分别为u1,i1,Φ的直流分量。而原边电压又可表示为:

式中H-,i2-分别为H,i2的直流分量。由(5)可见变压器初级电压中存在直流分量是偏磁的主要原因,如果能将原边电压中的直流分量迅速检测出来,并加以控制使之减小,就可以很好地抑制偏磁[4][9]。

2.1 原边电流直流分量的检测

原边电流检测调理电路原理图如图3所示。电流信号的处理与电压信号的处理有所不同,本系统采用将电流信号转换成电压信号再对其进行处理,即电流互感器将电流信号转成和其成比例的电压信号,然后经过调理电路,去A/D采样,该采样值就是变压器直流偏磁量的数字表现形式[10]。

检测到直流分量后,需要对他进行调节,达到无偏磁,SPWM逆变器采用全数字化控制,采用数字PI调节最适用,如图4所示。定义原边电流直流分量的误差量Ie(k)=0-i1-(k)。数字PI控制器根据i1-(k)来产生所要求的控制量。

u(z)=KpIe(z)+KIIe(z)/(1-z-1),采用增量式PI控制算法,其增量表达式为:Δu(k)=KP(Ie(k)-Ie(k-1)+KIIe(k),式中u(k)为抗偏磁控制器输出偏磁补偿量;Kp,KI分别为数字PI控制器的比例及积分系数。

通过检测原边电流,并将它作为反馈引入控制电路,通过数字PI控制器得出的控制量可用于对SPWM驱动脉宽进行修正,以减小原方电流中的直流分量,把变压器的直流偏磁限制在较小范围内。这种方法实现了直流偏磁的自动调节[11],实现起来简单直观、效果好。

2.2 变压器的设计

目前,直流偏磁所引起一系列电磁效应和变压器承受直流偏磁的能力,未被系统地研究和完全考虑在变压器的设计过程中,所以研究直流偏磁对变压器运行特性的影响,对于变压器制造厂家和电力系统都是十分重要的。

在逆变电源变压器设计中,应注意变压器对偏磁有一定的承受能力[6]。按B=U/(4.44fN1S)确定变压器的参数时,B的取值不应太接近变压器铁心的饱和磁感应强度,应比铁心的饱和磁感应强度低一些;在B确定后,如果条件允许,应尽量减小绕组的匝数,增大变压器铁心的截面积,增大变压器铁心的磁路长度,初级绕组的导线应尽可能细一些。本文中变压器的设计则是按照以上要求定做,实验结果表明,运行稳定可靠。

3 实验结果

采用上述主电路结构、控制策略、变压器的设计,在一台输出功率为1KVA,频率为50HZ电压有效值为的逆变电源上进行实验,不运用抗偏磁电路和运用抗偏磁电路时的逆变器输出电压波形分别如下图所示:

通过对比可以看出,在没有任何抗偏磁措施的情况下,隔离变压器出现了偏磁,产生了一定程度的畸变,如图(a)所示。采用抗偏磁措施后,变压器输出电压保持为很好的正弦波,偏磁现象得到了很好的抑制,如图(b)所示。

4 结论

本文详细分析了电源逆变器偏磁饱和的机理,在此基础上进行了实验,实验结果证明了本文提出的PI控制的抗偏磁方法可以很好地解决逆变电源输出隔离变压器偏磁饱和的问题,改善了系统的波形控制精度,提高了系统的可靠性,对于逆变器系统的设计和制造具有重要的理论意义和实际价值。

摘要：全桥逆变电源输出变压器存在直流偏磁，会对逆变电源和交流负载产生不利影响，必须消除偏磁来保障逆变电源可靠运行。针对偏磁问题，深入分析了偏磁产生的原因，在此基础上提出了解决方案。从算法改进角度考虑对偏磁的抑制，通过检测变压器原边电流的直流分量，反馈给控制器进行PI调节以减少偏磁。并且在设计变压器时加强对抗偏磁能力的设计。该方案已经成功应用于一台1KVA的电力逆变器中。最后通过实验验证了该方法的可行性与有效性，实验结果表明，该方案产生的正弦波质量高，直流分量消除效果明显。

关键词：直流屏逆变电源,变压器设计,偏磁抑制策略

参考文献

[1]Kai Zhang.A simple DC Imbalance Rejection Technique for UPS Inverters.IEEE PEDS,2005

[2]Lu Jailing.Study on Transformer Magnetic Biasing control method for AC power supplies.Journal of Systems Engineering and Electronics,Vol.12,No.4,2001:17-22

[3]权建洲．单、三相正弦波逆变器偏磁抑制的有效方法，移动电源与车辆，2003．2：11-14

[4]涂方明．UPS电源输出变压器变压器的偏磁分析，船电技术，2004．3：34-38

[5]段善旭．全数字化逆变电源输出变压器偏磁问题与抑制，高电压技术，2003．10：1-3

[6]卢家林．逆变电源变压器的特殊问题分析及其设计，电力电子技术，2000．2：17-20

[7]罗建武．偏磁的起因和消除方法，1999．12：73-77

[8]刘刚．单相桥式逆变电路变压器直流偏磁研究与抑制，2006．6：77-79

[9]金鑫．高性能逆变电源的研究，西南交通大学，2004：72

精密数控直流电源设计 篇7

关键词：开关电源,数控电源,直流稳压电源,电流保护,矩阵键盘,dsPIC30F4013

0 引言

在市面上,电源产品各式各样,有可调节的和固定式的。但是这些电源普遍存在一些问题,如转换效率低、功耗大、输出精度不高、可调节范围过小、不能满足特定电压的要求、输出不够稳定、纹波电流过大,并且普遍采用可调电阻器调节,操作难度大,易磨损老化[1]。

针对以上问题,笔者设计了一种精密数控直流电源,在传统电源的基础上增加了以单片机为基础的数字控制部分,克服了普通电源只能输出恒定电压值的缺点,即它能在其它硬件设备的支持下通过单片机编程来改变电压的输出范围和步进系数。

1 总体方案设计

精密数控直流电源总体方案设计框图如图1所示。

工作原理:采用AC-DC主电路输出直流电压,通过DC-DC斩波电路输出电压,并采用过流保护电路实现输出电流的保护。通过矩阵键盘给定输出电压值,通过I2C接口的数字电位器MAX5478控制DC-DC斩波电路的反馈端电压,达到调节输出电压的目的。输出电压经过采样,与矩阵键盘给定电压进行比较,实时改变数字电位器的阻值,构成闭环调节电路,该部分主要通过软件实现。闭环调节可提高稳压电源的带负载能力。

2 主要电路的设计

2.1 DC-DC斩波电路

DC-DC斩波电路采用LM2596开关稳压芯片设计。LM2596为降压型电源管理芯片,能够输出3 A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性[2,3],LM2596可用在高效率降压调节器、单片开关电压调节器、正负电压转换器等电源设备中。本文采用2片LM2596,一片用于单片机等数字控制系统的+5 V供电,另一片用于0～24 V可调输出。DC-DC斩波电路如图2所示。

2.2 过电流保护电路

过电流保护电路采用美信公司的电流检测放大器MAX4374。MAX4374是一种微功耗电流检测集成电路,内部除了电流检测放大器外,还集成了电压比较器及基准电压源,提高了电流检测精度,工作电流典型值为50 μA,工作电压范围宽(2.7～28 V),输入失调电压低,最大值为1 mV,电流检测精度为2%。可用于组成电流检测器、过流保护器等设备中,用于控制精密电源设备。过电流保护电路如图3所示。

2.3 数字控制和显示电路

数字控制电路如图4所示,采用高性能16位数字信号控制器dsPIC30F4013为主控芯片,通过矩阵键盘检测输入电压设定值,经数字电位器MAX5478反馈调节LM2596的FB端(见图2),达到数字控制输出电压的目的。LCD1602用来实时显示电压电流值。

采用数字电位器MAX5478[4]可实现输出电压的微步进调节。MAX5478为非易失、双路、线性变化的数字电位器,能实现机械电位器的功能,采用简单的2线数字接口取代机械调节[5],其标称阻值为50 kΩ。

3 软件设计

在单片机dsPIC30F4013中实现电源各模块的功能,并最终实现总体功能。主程序流程如图5所示。

(1) 检测矩阵键盘的输入,确定输出电压值。

(2) 单片机周期性地对电源输出取样的信号进行转换,得到实时电压/电流数值,处理后经LCD1602显示。

(3) 循环方式对输出电压电流进行监控,如果超过限定值,自动断开主电路。

注意:主程序中应该加上看门狗复位程序,防止程序长时间运行发生错乱。

4 测试

为了验证该电路的可靠性及测试电源的稳定性能, 进行了最大输出电流和负载调试测试。

4.1 最大输出电流测试

最大输出电流的测试结果如表1所示。

从表1可看出,低压段的电流输出值很大,可以达到3.3 A以上;高压输出时,电源大电流的性能有所下降, 总体性能比较稳定,符合设计的要求。

4.2 负载调整率测试

输出电压负载率测试结果如表2所示。

ΔU=max[|U10 Ω-U20 Ω|,|U40 Ω-U20 Ω];α=(ΔU/U20 Ω)×100%。

从表2可看出,该电源的线性调整率较为平稳,在低压和高压输出段都保持着不错的带负载能力,高电压输出时负载调整率略有下降,总体性能比较稳定。

5 结语

高精度数控直流电源采用开关稳压芯片LM2596和16位数字信号控制器dsPIC30F4013,将开关直流稳压电源的高效率性和嵌入式系统的高精度数据采集处理能力相结合,实现了数字控制在精密智能电源模块中的应用。该电源利用数字电位器MAX5478实现输出电压的微步进调节,具有输出电流保护功能、实时显示电压电流、矩阵键盘人机交互等功能。由测试数据可以看出,该直流电源具有输出性能稳定、带负载能力强等优点,具有一定的实用价值。

参考文献

[1]张立祥.一种基于单片机的数控开关电源设计[J].电源世界,2007(4):36-39.

[2]李逾晖.交直交开关电源数控系统设计及关键问题研究[D].杭州:浙江大学,2004.

[3]胡进.一种低纹波输出仪用数控恒压/恒流直流电源的研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[4]唐金元,王翠珍.0~24 V可调直流稳压电源电路的设计方法[J].现代电子技术,2008(4):12-14.

直流双电源 篇8

轻型高压直流输电技术以电压源换流器VSC(Voltage Source Converter)为基础,具有有功功率和无功功率独立控制、可向无源网络供电、换向可靠性高等优点,在高压直流输电和可再生能源发电系统中得到广泛应用[1,2,3]。

可再生能源发电单元一般包括直流网络[4],因此,含可再生能源电源的电力系统潮流分析应采用交直流潮流算法[5]。传统交直流潮流计算方法主要针对相控换流器[6,7],而VSC采用脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)控制技术,其工作原理与基于相控换流器的交直流系统存在显著差异,因此,对于采用VSC技术的交直流电力系统,其潮流分析无法沿用传统的交直流潮流算法。文献[8-10]对轻型直流输电的交直流潮流计算方法进行了研究,给出了交替求解潮流算法;文献[11]最早提出了可嵌入牛顿法潮流计算的VSC数学模型,实现了对含VSC的交直流系统的潮流计算;文献[12]推导不同控制方式下交直流系统的潮流修正方程式,提出了VSC交直流系统潮流的统一迭代求解算法。这些算法中均没有直接处理可再生能源发电系统中的直流电源和直流负荷,收敛性也有待进一步改进。

本文在分析轻型直流输电技术特点的基础上,将VSC和直流网络嵌入牛顿-拉夫逊潮流迭代算法中,从交流网络、VSC和直流网络三部分推导了其相应的修正方程式,实现了包含直流电源和直流负荷的交直流电力系统潮流计算。

1 可再生能源发电与直流网络

近年来,太阳能和风力发电等可再生能源发电技术得到越来越广泛的应用。太阳能发电和蓄电池均为直流输出,在接入电网运行时需要通过逆变器转换成交流电。

风力发电机虽然为交流输出,但考虑到风速的随机性特点,目前,许多风电场使用VSC技术先将交流整流,再经逆变后接入大电网中[13,14]。

小型可再生能源发电系统,如农村户用风、水、光互补发电系统[15],需将各发电单元经过转换器和直流母线汇流,并接入统一的储能单元后再逆变成交流电,向用户供电或接入电网。此外,直流母线上有时还直接向直流负载供电。

2 基于VSC的交直流分界面模型

在基于VSC的交直流输电系统中,与VSC相连的交流母线称为交流特殊母线,采用变量i编号;其余交流母线称为交流普通母线,采用变量j编号。选取一个与母线i连接的VSC,编号为l,其稳态物理模型如图1所示,其中Psil、Qsil分别为从交流母线流向VSC的有功功率和无功功率;Rcil、Xcil分别为VSC等效电阻和换流电抗;Uti、Ucl分别为交流母线电压和VSC输出基频电压;δti、δcl分别为Uti和Ucl的相位角;Pti、Qti分别为注入母线i的有功功率和无功功率;Pcl、Qcl分别为流入VSC的有功功率和无功功率;Udl、Idl分别为VSC的直流侧电压、电流;Ml、δl为PWM控制系统的控制变量。

设PWM的直流电压利用率为μl(0<μl≤1),调制度为Ml(0

根据图1所示的电压关系,可以得到VSC从交流母线吸收的有功功率和无功功率:

其中,,αil=arctan(Rcil/Xcil),δil=δti-δcl。

3 含直流电源和直流负荷的交直流潮流计算方法

在研究交直流系统的潮流计算方法时,可以将该系统划分为交流网络、VSC和直流网络三部分,其中VSC作为交流网络和直流网络之间的中间联络环节,通过VSC的换流器方程形成交、直流网络的耦合关系。下面分别建立各部分的功率、电流不平衡方程,从而形成牛顿-拉夫逊法统一迭代的修正方程组。

a.交流网络方程。

对于交流普通母线,其功率不平衡方程可直接采用相应的牛顿-拉夫逊法潮流计算公式[6]。

对于图1中的交流特殊母线i,考虑到它与VSC存在功率交换关系,可以列出其功率不平衡方程:

其中,Ui和Uj分别为交流母线i、j的电压;Gij、Bij和θij分别为母线i与j之间的电导、电纳和电压相位差。

b.VSC方程。

由式(2)、(3)可得VSC的功率不平衡方程:

因换流桥的损耗已由电阻Rcil等效,故直流功率Pdl与注入换流桥的有功功率Pcl相等,有:

因此,换流桥的功率不平衡方程为:

VSC的直流侧与直流网络只有一对交互变量,即直流电压与直流电流,如图2所示。因此,VSC输出电流与直流网络有如下不平衡方程:

其中,Rdl为VSC连接直流支路的电阻;Udn为该支路连接的直流节点电压;n为直流母线编号。

c.直流网络方程。

对于直流网络中的直流节点,有:

其中,Pdn为节点注入功率;鄱Id为该节点所有支路及直流电源和直流负荷电流之和,流出方向为正;VSC输出端看成一条直流母线参与编号和计算。

对各支路有直流电流不平衡方程:

其中,Udn1、Udn2为该支路首、末端节点电压。

将各部分的功率及电流不平衡方程组合成基于VSC的交直流系统潮流计算修正方程式:

其中,ΔPa、ΔQa、ΔPt、ΔQt分别为交流系统普通母线和特殊母线的有功、无功不平衡量;Δδa、Δδt、ΔUa、ΔUt分别为交流电压相位角和幅值修正量;ΔDc=[ΔPsil,ΔQsil,ΔPcl,Δdl]T,ΔDd=[ΔPdn,Δdn]T,ΔXc=[ΔUdl,ΔIdl,Δδl,ΔMl]T,ΔXd=[ΔUdn,ΔIdn]T。矩阵中以实线为界,左上角部分为交流网络的雅可比矩阵。

式(13)仅是含直流电源和直流负荷的交直流潮流计算时修正方程组的总体结构形式,而实际计算时需要根据VSC的不同控制方式[10,12]灵活地加以变化。基于VSC的交直流系统中VSC可以选择的控制方式有以下4种:定有功功率Pd及定无功功率Qd控制;定有功功率Pd及定交流母线电压Ut控制;定直流电压Ud及定无功功率Qd控制;定直流电压Ud及定交流母线电压Ut控制。例如,对应定直流电压控制的VSC,则修正方程组中不需包括ΔPsil和ΔUdl项;对应定交流母线电压控制时,则无ΔUt的修正方程。

另外还需注意,在ΔDd、ΔXd中必须忽略与ΔDc、ΔXc中重复的直流电流不平衡方程。

4 算例与分析

如图3所示,对WSCC-9节点系统[16]配以VSC、直流电源和直流负荷,其中VSC1和VSC2分别连接于交流母线7和母线5上,VSC1采用定直流电压(Ud1ref=1.8 p.u.)、定无功功率(Qs71ref=0.1 p.u.)控制;VSC2采用定有功功率(Ps2ref=-0.8 p.u.)、定交流母线电压(Ut5ref=1.02 p.u.)控制。VSC部分的主要电路参数为Rc71=Rc52=0.005 p.u.,Xc71=Xc52=0.12 p.u.;直流网络的电阻RL1=RL3=0.02 p.u.,RL2=0.03 p.u.。光伏电池按Ppv=0.4 p.u.定功率输出,直流负荷Pdc=0.2 p.u.。设直流电压利用率为1。

潮流计算结果如表1—5所示,表中Ud、Id、δ、M、Ps、Qs、Us分别为VSC直流侧电压、VSC的直流侧电流、PWM调制波相角、PWM调制度、交流母线流向VSC的有功功率、交流母线流向VSC的无功功率、交流母线电压,所有电压、电流、功率均为标幺值。从表1中可见,该潮流算法可收敛于各VSC的控制目标。为验证计算结果的正确性,还使用了交替迭代法进行求解,得到了接近的计算结果。本实例中VSC1从交流电网吸收有功功率和无功功率;VSC2向交流电网注入有功功率,由于VSC2中输出电压高于相应的交流母线电压,使得VSC2能向交流电网提供无功功率。

5 结论

可再生能源发电单元的特殊性及轻型交直流输电的优越性,使得直流网络越来越多地融入现代电力系统,成为潮流计算中必须考虑的一部分。本文将VSC和直流网络的相关数学模型嵌入牛顿-拉夫逊潮流迭代算法中,提出了含直流电源和直流负荷的交直流系统潮流的统一迭代求解算法。潮流计算迭代收敛后,可求得交流母线的电压与相位、VSC的控制变量、直流节点电压和支路电流。以修改的WSCC-9节点交直流系统为例验证了本文潮流迭代算法的正确性和有效性。

摘要：考虑轻型高压直流输电技术的特点,提出了基于电压源换流器(VSC)的交直流电力系统统一迭代潮流求解算法,分别从交流网络、电压源换流器和直流网络三部分推导了其相应的牛顿-拉夫逊法潮流计算修正方程式。该算法可以进行包含直流电源和直流负荷的交直流系统潮流计算。修改的WSCC-9节点系统仿真结果验证了所提算法的正确性和有效性。

直流电源监测系统的设计 篇9

通信电源供电柜输入两路直流电源, 一路为主路, 另一路为备路, 主路供电失效后, 备路自动投入供电。电源在柜内通过熔断器给负载进行分配, 分支达120路。介绍一种基于高性能AVR单片机设计的直流电源监控系统, 实现对整个供电柜供电状态的监控。该方案采用集中结构方式, 占用空间小、易于组屏, 电器性能及抗电磁干扰性能优越。该系统对于实现供电系统自动化有重要作用, 在节省人力资源的同时, 还可以提高安全可靠性。

1 系统方案

1.1 系统组成

系统主要由单片机、电源单元、RS-485通信单元、支路开关量检测单元、电压电流传感器检测电路和液晶显示告警电路组成。

1.2 系统功能

监测系统可以对主备电源电压、各支路供电状态等系统参数进行采集;可根据系统的各种设置数据进行报警处理、主备路协调、各支路电压自动调整、历史数据管理等;能对这些处理结果加以判断, 根据不同情况实现供电柜的智能管理、输出控制和故障回叫等。

1.3 系统结构

直流电源输出电流监测系统原理如图1所示。监测系统的关键技术是电流的提取, 应用电流传感器实现传感检测、传感采样、传感保护等功能, 实现对直流电源的智能监控。

直流电源输出电流监测系统可以和电源控制系统协调运行, 通过对软件功能的升级, 可以检测出故障电源的地址和编号, 系统自动将故障电源的输出电流控制到一个安全值, 同时发出故障报警。

2 系统硬件

采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制系统的核心。其主要性能:兼容MCS-51指令系统、32个双向I/O口、3个16位可编程定时/计数器、全双工UART串行中断口线、2个外部中断源、中断唤醒省电模式、看门狗 (WDT) 电路、灵活的ISP字节和分页编程、8k可反复擦写 (>1000次) ISP Flash ROM、4.5~5.5V工作电压、时钟频率0~33MHz、256×8bit内部RAM、低功耗空闲和省电模式、3级加密位、软件设置空闲和省电功能、双数据寄存器指针。

2.1 A/D转换器

为了保证系统的安全运行和了解系统运行的状况, 需要对系统的各种运行参数 (电压、电流、故障信号、供电情况等) 进行实时检测和分析。ADS7864可以使测量电路变得简单, 而且能够保证测量的精度和准确性。ADS7864与单片机的连线如图2所示。三相的保持信号及控制信号接在一起, 保证几个信号的同时采样。AT89S52的数据总线是8位, ADS7864的高8位与低8位分别接到数据总线上, 当BYTE引脚接高电平, 第一个RD信号有效时, 单片机读进低8位数据;第二个RD信号有效时, 读进高8位。

2.2 LCD

LCD显示不会出现任何的几何失真、线性失真, 辐射指标低、功耗较低。

2.3 其他外围接口电路

2.3.1 通信接口模块RS-485

PC机默认的只有RS-232接口, 有两种方法可以得到PC上位机的RS-485电路:

(1) 通过RS-232/485转换电路将PC机串口RS-232信号转换成RS-485信号, 对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。

(2) 利用PCI多串口卡, 可以直接选用输出信号为RS-485的扩展卡。

2.3.2 按键电路

按键电路用来进行一些简单的系统设置, 以及翻查系统的电源状态及各支路的供电状态。其电路设计如图3所示。

2.3.3 告警模块

告警模块主要是在电源或支路供电发生故障时, 接受单片机送来的信号, 发出蜂鸣报警, 同时在液晶屏显示故障信息。告警电路如图4所示。单片机从PA4送出相关信号, 低电平触发, 经场效应管2SK3019调整电压后, 送到蜂鸣器触发报警声。

2.3.4 电源模块

系统采用DC-DC电源模块, 将输入电源进行变换达到系统要求, 电源电路如图5所示。用WRXS5/1000电源模块将±48V的输入电压转换为+5V的电压, 供给单片机工作;用WRXD15/100电源模块将±48V的输入电压转换为±15V两路电压, 然后接入电源故障切换电路。

3 测量电路及部分软件设计

3.1 电流测量电路

直流电源的监测包括直流电源的电压监测和供电柜各支路电压电流监测。这两种电量信号均被送往单片机进行实时处理。电压信号的获取和检测相对简单, 而难点在于对微弱的接地直流电流的检测。为此, 研制了基于直流传感器的监测装置, 原理如图6所示。

从电源正端流出的支路负载电流I+, 流经支路设备后返回电源负端的支路电流为I-, 当支路没有漏电流时 (即支路无接地情况) , I+=I-, 穿过传感器的电流大小相等、方向相反, 产生的磁场相互抵消, 传感器不反映电流变化。而当该支路接地或产生漏电流时, 穿过传感器的电流差Ir=I+-I-, 产生相应磁场, 传感器输出一个反映Ir大小和方向的信号。将信号送给微机处理后即可显示故障支路号与漏电流大小。

3.2 电压测量电路

系统要求能根据不同信号幅值, 自动选择相适应的增益倍数。采用单片机判断输入电平的量级, 通过通道选择开关, 控制前级放大器的增益系数, 使其输出符合后级ADC的输入电平要求。MCU对采样结果计算分析, 将得到的结果显示在液晶显示器上。可以通过按键控制测量的起始状态, 默认为一直处于测量状态。为消除信道在不同温度、湿度等状态下对测量的影响, 增加了基准电压自校准功能。

3.3 LCD汉字显示程序

在单片机上显示汉字存在的问题:单片机资源有限, 不能为了显示汉字占用太多的资源;汉字存储读取比较繁琐, 使用不方便;汉字是通过点阵显示, 往往与LCD写入方式不一样, 需进行转换和调整。基于单片机的汉字显示不能在字符LCD上实现。而采用图形LCD不仅能显示汉字, 而且可以实现汉字动态移动和上下滚屏, 以及汉字与图形的混合显示, 同时功耗低。

3.4 软件设计

考虑到系统的可移植性及今后的维护和扩充, 系统软件采用C语言编写, 并采用模块化的设计方法。系统软件主要由主程序以及其他一些中断子程序构成。主程序主要由模拟量计算模块、故障检测及处理模块以及供电柜管理模块等子模块构成。

4 结语

设计的供电柜监测装置操作简便、自动化水平高、可靠性强, 大大减轻了工作人员的工作强度。

参考文献

[1]王旭阳, 王文哲.基于AT89S52单片机的温度控制系统[J].国外电子测量技术, 2011, (3)

[2]陈维山, 赵杰机.机电系统计算机控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1999