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技術(shù)文章

電力用直流電源自動(dòng)調(diào)壓裝置的研制
DQZHAN技術(shù)訊；電力用直流電源自動(dòng)調(diào)壓裝置的研制
1引言
電力系統(tǒng)所需的直流電源，都是由直流電源系統(tǒng)提供的，而直流電源系統(tǒng)的輸出為合閘母線(xiàn)和控制母線(xiàn)兩部分。合閘母線(xiàn)的電壓即為充電機(jī)輸出電壓值,合閘母線(xiàn)的電壓高，其作用是為合閘機(jī)構(gòu)提供操作電源?？刂颇妇€(xiàn)的電壓要比合閘母線(xiàn)的電壓低，而充電機(jī)在滿(mǎn)足給蓄電池正常充電的情況下，其輸出電壓要高于控制母線(xiàn)電壓，要滿(mǎn)足控制母線(xiàn)能正常地給電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置及信號(hào)回路等供電。必須把合閘母線(xiàn)電壓降至一定范圍，形成控制母線(xiàn)。本文介紹的自動(dòng)調(diào)壓裝置正是為實(shí)現(xiàn)這一功能而設(shè)計(jì)的。
2方案選擇
設(shè)計(jì)開(kāi)始，我們選擇方案所遵守的原則為：成本低、性能高、具有高可靠性與穩(wěn)定性、實(shí)用性。
2.1選用單片機(jī)控制方案
選用8031或8051構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)，十分簡(jiǎn)便，但是此系統(tǒng)所需外圍輔助器件比較多，造成成本過(guò)高。另外一重要原因是此種方案對(duì)干擾特別靈敏。實(shí)際運(yùn)用，可靠性較差，基于以上二種原因，此種方案沒(méi)有采用
2.2選用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷桨?br />我們選用了可編程邏輯器件GAL20V8B，進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。此種方案電路簡(jiǎn)單，造價(jià)不高，但是經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，此種方案的抗干擾能力較差。所以，也不是優(yōu)選方案，沒(méi)有被我們采用。
2.3用大規(guī)模邏輯電路方案
采用此種方案后，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓功能的電路十分簡(jiǎn)單，整個(gè)成本明顯降低，由于采用的邏輯芯片為雙向移位寄存器40194B{74194}，此種芯片是一種成熟的芯片，其工作穩(wěn)定性十分高，造價(jià)也十分低。是目前普遍采用的一種集成電路。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。因此我們采用了這種設(shè)計(jì)方案。
3移位寄存器40194B的描述
工作真值表見(jiàn)表1，管腳排列見(jiàn)圖1,HEF40194B是具有兩種控制輸入(S0—S1)的雙向移位寄存器，具有一個(gè)時(shí)鐘輸入腳(CP)，一個(gè)左移串口數(shù)據(jù)的控制輸入腳(DSL)，右移串口數(shù)據(jù)的控制輸入腳(DSR)，四位并行數(shù)據(jù)的輸入腳(P0—P3)。一個(gè)同步復(fù)位輸入腳(/MR)，四個(gè)并行輸出腳(O0—O3)。當(dāng)/MR為低電平時(shí)，對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位，迫使O0—O3輸出低電平。當(dāng)MR為高電平時(shí)，工作模式由S0和S1按表1組合方式工作，串口和并口工作方式是由CP脈沖邊沿觸發(fā)
5元器件選擇
從圖2可看出，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)壓裝置在直流電源系統(tǒng)中是一個(gè)獨(dú)立執(zhí)行部分，其自動(dòng)控制電路部分所需的+12V工作電源。是利用電阻從+KM上降壓之后。通過(guò)7812穩(wěn)壓塊直接穩(wěn)壓后而獲得，采樣回路。利用精密電阻直接降壓采樣，這樣足可以保證采樣的精度要求，從而不用采用價(jià)格高的霍耳元件，成本大大降低，另外，工作的可靠性與穩(wěn)定性都比霍耳元件高。比較判斷回路，是LM224工業(yè)常采用的芯片，其價(jià)格低，性能可靠，觸發(fā)電路采用的是NE555集成電路，移位執(zhí)行電路采用的是40194B(74194)雙向移位寄存器。其工作過(guò)程參見(jiàn)表1 驅(qū)動(dòng)電路采用的是BU406(BUX85)高壓三極管，此種器件的造價(jià)十分低，同時(shí)它也是成熟的器件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)。繼電器采用的是JQX58F。這種繼電器節(jié)點(diǎn)容量大，而且價(jià)格低，降壓回路采用的是硅二極管組。
6工作過(guò)程
如圖2圖3示 ，合閘母線(xiàn)(+HM)經(jīng)過(guò)硅降壓回路降壓后，形成正控制母線(xiàn)(+KM)，+KM經(jīng)自動(dòng)調(diào)壓回路采樣后，采樣值送到比較判斷回路，在此處進(jìn)行比較。如果+KM沒(méi)有高于預(yù)先設(shè)好的范圍，則觸發(fā)電路不動(dòng)作。移位執(zhí)行電路也不動(dòng)作，相應(yīng)的繼電器也不動(dòng)，電路保持原狀態(tài)，+KM值保持不變，如果+KM超出了預(yù)先設(shè)好的范圍，則比較判斷回路發(fā)出信號(hào)，告之觸發(fā)電路，觸發(fā)電路立即發(fā)出脈沖，觸發(fā)移位寄存器，移位寄存器開(kāi)始向左或向右執(zhí)行移位，從而使電路驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作。繼電器相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)打開(kāi)或閉和，來(lái)實(shí)現(xiàn)硅二極管是串入還是脫離+KM回路，于是實(shí)現(xiàn)+KM按電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)變化??從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)+KM電壓。

圖 3
7自動(dòng)控制電路原理和工作過(guò)程
其原理圖如圖4a 4b所示，圖中II單位與I單位是按相應(yīng)的序號(hào)對(duì)應(yīng)連接在一起的，+KM(控制母線(xiàn))經(jīng)III-1引入，通過(guò)圖4b的采樣電阻R1和R2，到達(dá)I-10，送入圖4a中N1(LM224)的2腳與5腳進(jìn)行比較。在圖4a中RP1是調(diào)母線(xiàn)欠壓值的設(shè)定電位器，RP2是調(diào)母線(xiàn)過(guò)壓值的設(shè)定電位器， +KM(控制母線(xiàn))采樣后經(jīng)LM224比較后，從1腳與7腳輸出，7腳與1腳的組合狀態(tài)只有三種可能：01、11、00。8腳與14腳的輸出相應(yīng)有10，00，01三種狀態(tài)。8腳與14腳的相應(yīng)三種狀態(tài)既為圖4b中N1與N2的S0與S1組合狀態(tài)。當(dāng)7腳與1腳輸出為01時(shí)，表明此時(shí)控制母線(xiàn)欠壓，則LED1亮，LED2滅，LM224的8腳為高電平，14腳為低電平，S0、S1為10組合狀態(tài)送到圖4b中的N1與N2，同時(shí)圖4a N2(NE555)的四腳為高電平，3腳立刻產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，通過(guò)I-4送到圖4b HEE4019B的11腳，使HEE4019B獲得觸發(fā)脈沖，于是開(kāi)始右移輸出工作。這時(shí)圖4b N1的15腳輸出高電平，從而驅(qū)動(dòng)圖4b的Q2導(dǎo)通，相對(duì)應(yīng)的繼電器動(dòng)作，把降壓二極管脫離+KM回路。如果此時(shí)仍處于欠壓狀態(tài)，則圖4b的15腳輸出保持不變，14腳馬上輸出高電平，驅(qū)動(dòng)Q3導(dǎo)通，于是Q3連接的繼電器動(dòng)作，把相應(yīng)的降壓二極管脫離+KM回路-----，如果仍處于欠壓狀態(tài)，則直至圖4b N2的13腳輸出高電平，Q8導(dǎo)通，相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，把相應(yīng)的二極管脫離+KM回路，如果調(diào)至某一處，如Q4導(dǎo)通后，母線(xiàn)電壓進(jìn)入正常狀態(tài)，則圖4a N1的7腳與1腳輸出高電平，8腳與14腳輸出為00電平，那么電路進(jìn)入保持原狀態(tài)工作方式。假設(shè)圖4b所有的三極管Q2—Q8全部導(dǎo)通，此時(shí)出現(xiàn)母線(xiàn)過(guò)壓信號(hào)，那么圖4 a中N1的1腳輸出為低電平，LED2亮，N1的7腳為高電平，14腳為高電平，8腳為低電平，圖4b中N1與N2開(kāi)始左移輸出工作，圖4 a中N2的4腳輸入為高，3腳輸出脈沖，通過(guò)I-4、II-4送到圖4b中的N1—11腳與與N2—11腳，N1與N2開(kāi)始左移工作。圖4b中，N2-13腳變?yōu)榈碗娖?，Q8斷開(kāi)，相應(yīng)的繼電器停止工作。與其對(duì)應(yīng)的降壓二極管串入+KM回路，實(shí)現(xiàn)降壓。如果+KM還過(guò)壓，那么相應(yīng)的Q8、Q7----依次斷開(kāi)，直到調(diào)到+KM進(jìn)入正常電壓范圍。圖中III單元的4至10是繼電器線(xiàn)圈連接點(diǎn)，III—2是+KM經(jīng)電阻降壓后，給7812集成塊供電的接入點(diǎn)。
8存在的問(wèn)題及解決辦法
在進(jìn)行帶電運(yùn)行試驗(yàn)階段，發(fā)現(xiàn)有時(shí)會(huì)有某一個(gè)高壓三積管(Q2---Q8)被擊穿的現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)分析和試驗(yàn)，確定是高壓三積管驅(qū)動(dòng)的繼電器線(xiàn)圈在系統(tǒng)斷電時(shí)產(chǎn)生瞬間反向電動(dòng)勢(shì)(此時(shí)電池組沒(méi)有接入充電)，擊穿了三積管，因?yàn)槔^電器是接在+KM上，繼電線(xiàn)圈瞬時(shí)產(chǎn)生了十分高的反向電動(dòng)勢(shì)。解決的辦法是在每個(gè)繼電器線(xiàn)圈上加一個(gè)泄放二積管，這個(gè)問(wèn)題就解決了。
9主要技術(shù)參數(shù)
降壓范圍：0 ～ 45V
額定電流：20～ 100A
穩(wěn)壓精度：≤2%
10結(jié)論
該自動(dòng)調(diào)壓裝置現(xiàn)已大批量投入電力系統(tǒng)運(yùn)行，用戶(hù)對(duì)該裝置運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性給予了高度評(píng)價(jià)。與此同時(shí)，該裝置的生產(chǎn)成本卻大大降低，達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的要求，使我企業(yè)的產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中更具優(yōu)勢(shì)。

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