電力用直流電源自動調(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)的輸出為合閘母線和控制母線兩部分。合閘母線的電壓即為充電機輸出電壓值,合閘母線的電壓高，其作用是為合閘機構(gòu)提供操作電源。控制母線的電壓要比合閘母線的電壓低，而充電機在滿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電壓，要滿足控制母線能正常地給電力系統(tǒng)的繼電保護裝置及信號回路等供電。必須把合閘母線電壓降至一定范圍，形成控制母線。本文介紹的自動調(diào)壓裝置正是為實現(xiàn)這一功能而設(shè)計的。

2　方案選擇

設(shè)計開始，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、實用性。

2.1　選用單片機控制方案

選用8031或8051構(gòu)成的單片機系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)起來，十分簡便，但是此系統(tǒng)所需外圍輔助器件比較多，造成成本過高。另外一重要原因是此種方案對干擾特別靈敏。實際運用，可靠性較差，基于以上二種原因，此種方案沒有采用

2.2　選用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷桨?/strong>

我們選用了可編程邏輯器件GAL20V8B，進行編程實現(xiàn)。此種方案電路簡單，造價不高，但是經(jīng)實際試驗后發(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)實現(xiàn)自動調(diào)壓功能的電路十分簡單，整個成本明顯降低，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，造價也十分低。是目前普遍采用的一種集成電路。經(jīng)實際試驗，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。因此我們采用了這種設(shè)計方案。

3　移位寄存器40194B的描述

工作真值表見表1，管腳排列見圖1,HEF40194B是具有兩種控制輸入（S0—S1）的雙向移位寄存器，具有一個時鐘輸入腳（CP），一個左移串口數(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）。一個同步復(fù)位輸入腳（/MR），四個并行輸出腳（O0—O3）。當(dāng)/MR為低電平時，對芯片進行復(fù)位，迫使O0—O3輸出低電平。當(dāng)MR為高電平時，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)

4　自動調(diào)壓裝置的工作框圖如圖2所示

5　元器件選擇

從圖2可看出，所設(shè)計的自動調(diào)壓裝置在直流電源系統(tǒng)中是一個獨立執(zhí)行部分，其自動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。其工作過程參見表1 驅(qū)動電路采用的是BU406（BUX85）高壓三極管，此種器件的造價十分低，同時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)點容量大，而且價格低，降壓回路采用的是硅二極管組。

6　工作過程

如圖2圖3示 ，合閘母線（+HM）經(jīng)過硅降壓回路降壓后，形成正控制母線（+KM），+KM經(jīng)自動調(diào)壓回路采樣后，采樣值送到比較判斷回路，在此處進行比較。如果+KM沒有高于預(yù)先設(shè)好的范圍，則觸發(fā)電路不動作。移位執(zhí)行電路也不動作，相應(yīng)的繼電器也不動，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，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，移位寄存器開始向左或向右執(zhí)行移位，從而使電路驅(qū)動繼電器動作。繼電器相應(yīng)的節(jié)點打開或閉和，來實現(xiàn)硅二極管是串入還是脫離+KM回路，于是實現(xiàn)+KM按電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)變化，從而實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)+KM電壓。

圖 3

7　自動控制電路原理和工作過程

其原理圖如圖4a 4b所示，圖中II單位與I單位是按相應(yīng)的序號對應(yīng)連接在一起的，+KM（控制母線）經(jīng)III-1引入，通過圖4b的采樣電阻R1和R2，到達I-10，送入圖4a中N1（LM224）的2腳與5腳進行比較。在圖4a中RP1是調(diào)母線欠壓值的設(shè)定電位器，RP2是調(diào)母線過壓值的設(shè)定電位器， +KM（控制母線）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，表明此時控制母線欠壓，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I-4送到圖4b HEE4019B的11腳，使HEE4019B獲得觸發(fā)脈沖，于是開始右移輸出工作。這時圖4b N1的15腳輸出高電平，從而驅(qū)動圖4b的Q2導(dǎo)通，相對應(yīng)的繼電器動作，把降壓二極管脫離+KM回路。如果此時仍處于欠壓狀態(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Q3導(dǎo)通，于是Q3連接的繼電器動作，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，母線電壓進入正常狀態(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，此時出現(xiàn)母線過壓信號，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I-4、II-4送到圖4b中的N1—11腳與與N2—11腳，N1與N2開始左移工作。圖4b中，N2-13腳變?yōu)榈碗娖剑琎8斷開，相應(yīng)的繼電器停止工作。與其對應(yīng)的降壓二極管串入+KM回路，實現(xiàn)降壓。如果+KM還過壓，那么相應(yīng)的Q8、Q7----依次斷開，直到調(diào)到+KM進入正常電壓范圍。圖中III單元的4至10是繼電器線圈連接點，III—2是+KM經(jīng)電阻降壓后，給7812集成塊供電的接入點。

8　存在的問題及解決辦法

在進行帶電運行試驗階段，發(fā)現(xiàn)有時會有某一個高壓三積管（Q2---Q8）被擊穿的現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)分析和試驗，確定是高壓三積管驅(qū)動的繼電器線圈在系統(tǒng)斷電時產(chǎn)生瞬間反向電動勢（此時電池組沒有接入充電），擊穿了三積管，因為繼電器是接在+KM上，繼電線圈瞬時產(chǎn)生了十分高的反向電動勢。解決的辦法是在每個繼電器線圈上加一個泄放二積管，這個問題就解決了。

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

該自動調(diào)壓裝置現(xiàn)已大批量投入電力系統(tǒng)運行，用戶對該裝置運行的可靠性與穩(wěn)定性給予了高度評價。與此同時，該裝置的生產(chǎn)成本卻大大降低，達到了設(shè)計之初的要求，使我企業(yè)的產(chǎn)品在市場競爭中更具優(yōu)勢。

參考文獻：

《數(shù)字電路邏輯設(shè)計》 李大友 主編　嚴(yán)化南 顧喜隆 編著 清華大學(xué)出版社　2002年7月