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具有較好EMC性能的直流不間斷電源系統(tǒng)

發(fā)布時間:2013-01-09 責任編輯:Lynnjiao

【導讀】本文所介紹的直流不間斷電源系統(tǒng)可靠性高,具有較好的EMC性能,電池檢測方案簡易,控制操作方便,剩余時間的預(yù)測方法簡單實用,軟硬件的設(shè)計簡單而靈活。通過在變電站現(xiàn)場使用的情況看來,效果很好。

在變電站中,直流電源對變電站的二次設(shè)備以及變電站的實時通信非常重要。如果直流電源不可靠,會導致繼電保護失靈,造成停電面積擴大,也使得通信出錯,以致發(fā)生更大的事故,為此,要求其有較高的可靠性。通常,采用儲能電容或蓄電池作后備電源,并且直接作為直流輸出,但輸出電能質(zhì)量不高,而且電池管理復雜。因此,本文采用帶蓄電池的開關(guān)電源提高電源的可靠性,同時輸出電能質(zhì)量高,滿足通信的要求。一般情況下,蓄電池的管理是一件非常復雜的工作,該系統(tǒng)采用PIC16C73單片機來實現(xiàn)電池管理,管理方案簡單可靠。

24V直流不間斷電源系統(tǒng)
   
24V配電網(wǎng)專用不間斷電源系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

變電站配電網(wǎng)專用24V直流電源系統(tǒng)示意圖
圖1:變電站配電網(wǎng)專用24V直流電源系統(tǒng)示意圖

電源系統(tǒng)的性能指標
   
兩路交流輸入    90~130V;
可以用于變電站小型直流電機啟動;
輸出直流24±0.03V;
實時檢測電池工作參數(shù),遠程監(jiān)控;
負載電流3A時備用時間≥10h;
可以遠程,現(xiàn)場實現(xiàn)電池管理操作;
工作溫度范圍-40℃~+80℃。

電源系統(tǒng)的各個???br />    
1)前一級是半橋DC/DC電路,用作充電器。為提高可靠性,輸入為兩路交流110V,可以工作在交流90~130V,輸出為直流28V(蓄電池在充電狀態(tài)下),既用于對蓄電池充電,又可以通過蓄電池啟動小型的直流電機。開關(guān)管采用晶體管2SC2625,控制芯片采用TL494。電路自激啟動過程:直流母線上的分壓電阻使得2SC2625的VBE≥0.6V,晶體管導通,電路開始自激,輔組繞組上建立瞬時電壓,使得TL494工作,電路進入正常工作狀態(tài)。
   
2)后一級DC/DC電路采用推挽電路結(jié)構(gòu),變壓器雙向磁化,有效防止磁飽和。由于電池端電壓可以在21V~27V之間變化,該電路可以實現(xiàn)升降壓調(diào)節(jié),使輸出電壓穩(wěn)定在24V,滿足負載要求。
   
3)電池管理模塊采用PIC16C73,其框圖如圖2所示。PIC16C73是Microchip公司推出的PIC8位中檔單片機,僅35條單字節(jié)指令,自帶5個A/D轉(zhuǎn)換模塊,穩(wěn)定性好,可以工作在惡劣的環(huán)境。

電池管理框圖
圖2:電池管理框圖

通過采樣電路,實時將電池的端電壓,放電電流,充電電流,電池溫度,交流停電,充電器故障信號等送給PIC16C73處理。處理后的數(shù)據(jù)可以送給現(xiàn)場的LCD顯示,以便現(xiàn)場巡檢;數(shù)據(jù)送給上位機,可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
   
4)開關(guān)電源集成控制器TL494可以輸出兩路互補的脈沖控制信號,也可以實現(xiàn)單端輸出。最小死區(qū)為3%而且可調(diào),內(nèi)有穩(wěn)壓和過流保護運放。

電池管理方案及功能實現(xiàn)
   
電池管理部分硬件圖如圖3所示。

電池管理部分硬件圖
圖3:電池管理部分硬件圖

電池容量的選擇
   
按滿足交流停電狀態(tài)下持續(xù)放電的要求。在廠家提供蓄電池容量變換系數(shù)Kc的條件下,采用式(1)計算容量C
C=IG/(KcδTδK)    (1)
式中:I為按配電網(wǎng)最大負荷電流設(shè)計;
G為蓄電池獨立供電時間,由配電網(wǎng)可靠性等級決定;
δT為蓄電池放電容量溫度系數(shù),在15~25℃環(huán)境溫度下,溫度每增高或降低1℃時,容量隨溫度變化增加或減小0.006至0.007的額定容量,δT=1+0.006(T-25℃);
δK為蓄電池衰老系數(shù),一般取0.8。
根據(jù)以上原則,并結(jié)合實際應(yīng)用場合,本系統(tǒng)選擇了2個12A•h/12V的鉛酸蓄電池串聯(lián)。

電池管理的硬件實現(xiàn)
  
交流上電后,一方面通過R4和D3對蓄電池充電,同時為后一級提供輸入,此時繼電器K1吸合,但由于D4反偏,蓄電池不對負載放電;在交流停電或蓄電池放電狀態(tài)時,D1反偏截止,此時蓄電池通過繼電器觸點及D4對負載供電。當檢測到電池電壓≤21V時,停止供電,系統(tǒng)處于完全停電狀態(tài),應(yīng)當避免這種情況的發(fā)生。R7和R8用來檢測電池的充放電電流。在充電狀態(tài)下,28V直流輸出恒定,當處于放電狀況下,該輸出會有變化的。
   
1)直流啟動    在交流失電的情況下,可以直接按一下S1,蓄電池為負載供電,同時,R5端為高電平,繼電器K1吸合,即使S1斷開,也不會中斷供電,對S1形成自鎖。
   
2)放電控制    由于在大多數(shù)情況下,電池處于充電狀態(tài),這對于電池的使用壽命有很大的影響。因此,在一定的時間里應(yīng)使電池放電。在該系統(tǒng)中,放電分手動放電和自動定時放電。定時的長短根據(jù)用戶的要求而定,一般定為60天,單片機內(nèi)部計時器計時到達后,給出放電信號。放電信號通過硬件電路,在R3端并上一電阻R1,使得TL494腳1的電位上升,控制脈沖變窄,輸出電壓變低,使D1處于反偏截止,此時,蓄電池單獨對負載供電,前一級DC/DC相當于空載狀態(tài)。根據(jù)電池廠家的建議,將電池的放電終了電壓設(shè)為10.5V×2=21V,當檢測到蓄電池電壓≤21V時,撤銷放電信號,充電器對蓄電池充電,同時為負載提供能量。
   
3)電機啟動    由于電機啟動所需的電流較大,在此系統(tǒng)中通過蓄電池放電來達到這個目的。在啟動前,人為發(fā)出一個信號,使充電器的電壓下跌,此時蓄電池投入工作。
   
4)充電電壓可控    改變蓄電池的充電電壓即是改變充電器的輸出,而在R3端并接不同的電阻R1,R2即可改變輸出電壓,用戶可以根據(jù)需要自行設(shè)定電壓。

電池的參數(shù)檢測
   
1)充電電流Ic和放電電流Id    當蓄電池處于充電狀態(tài)時,由于D4的箝位作用,負載電流Io完全由充電器提供,此時R7的端電壓UR7=IoR7,Id=0,IR8=Io+Ic,取R7=R8則
Ic=(UR8-UR7)/R7;
   
當由蓄電池單獨供電時,D4的箝位作用消失,此時UR8=0,Ic=0,因此,Id=Io=UR7/R7,所以,只要將UR7和UR8通過差分放大器得到0~5V的電流信號,送至PIC16C73的兩個A/D轉(zhuǎn)換通道,通過微處理器的處理,可以檢測任一時刻的Ic和Id。
   
2)電池電壓    由于采用兩個12V電池串聯(lián),所以,應(yīng)分別檢測蓄電池端壓,電壓輸出通過電阻分壓獲得電壓采樣值。當檢測到電池電壓UB1(UB2)出現(xiàn)|(UB1-12)|/12≥δ0(δ0是均衡率,此處取4%)時,表示該電池電壓充電不均衡,應(yīng)采取相應(yīng)的措施。
   
3)電池溫度    采用AD590溫度傳感器,將溫度采樣值送到單片機,當檢測到電池溫度超過80℃的時間大于10min時,立即撤銷放電控制信號,并將R5的高電平變?yōu)榈碗娖?,使繼電器斷開。
   
4)電池容量    電池容量檢測問題一直是蓄電池管理中的難點,通常的做法有:基于電動勢的容量預(yù)測、基于電池內(nèi)阻的容量預(yù)測、同時基于電池內(nèi)阻與電動勢的容量預(yù)測、基于電流放電率的容量預(yù)測、基于電流時間積分的容量預(yù)測等。在本系統(tǒng)中,由于負載的變化遵從Io=0.2n(n為并聯(lián)負載的個數(shù)),因此,容量檢測采用電流時間積分的容量預(yù)測,會使檢測簡單可行。電池放電容量CΔ= Iddt,由于負載的投切,電流發(fā)生變化遵從固定的規(guī)律,所以CΔ=0.2n1t1+0.2n2t2(n1t1,n2t2為不同負載作用的時間)。如果知道電池放電前的初始容量Co的話,則變化后的電池容量Cx=Co-CΔ。這種方法相對比較簡單,容易實現(xiàn),而且可以采用系統(tǒng)本身所具有的電流采樣電路,無需外加特殊設(shè)備。

剩余時間的預(yù)測
   
電池容量預(yù)測的目的是為了獲得電池系統(tǒng)能夠提供的工作時間的相關(guān)信息,因此,實際上我們只須知道在當前條件下(電壓、電流、溫度)電池系統(tǒng)還能夠提供的工作時間。在某一時刻,電壓、電流、溫度值可以測量得到,那么,我們就能預(yù)測該電池在此電流下恒流放電的可持續(xù)時間,即系統(tǒng)中有這樣一張表,將電壓分成幾檔,電流也分成幾檔,如表1所列。

表1:電池容量預(yù)測表
電池容量預(yù)測表

表中的t(n,m)為以Im放電,電壓達到Vn時所剩的時間
   
系統(tǒng)所要做的工作就是將該表填滿,并且根據(jù)某一時刻的端電壓和電流,從該表中計算出該電池在該電流下還能夠運行的時間。電壓電流的分檔區(qū)間的大小決定了電池剩余容量預(yù)測的精度。下面以12A•h/12V的鉛酸電池為例來說明該系統(tǒng)的工作過程。
   
1)表格的初始化    初始化可以由兩種方法,其一,通過電池廠商提供的電池放電曲線獲得數(shù)據(jù);其二,就是從運行中獲得數(shù)據(jù)。初始化數(shù)據(jù)并不需要將表格填滿,但是初始化數(shù)據(jù)的多寡決定了系統(tǒng)運行初期剩余容量預(yù)測的準確度。我們將電流分為4檔:0.05C/0.1C/0.15C/0.2C,而電壓以0.1V分為一檔。
   
2)修正電壓    在不同的放電電流時,電池內(nèi)阻以及極化電壓是不同的,因此,首先必須獲得不同放電電流下的修正電壓。以0.05C為基準,對電池進行放電實驗,得出不同電壓點的修正電壓。
   
3)預(yù)測剩余時間    根據(jù)初始化的結(jié)果,獲得預(yù)測表中的一部分數(shù)據(jù),如果從預(yù)測表中已知t(V1,I2)時,預(yù)測以I1放電達到V1時剩余的時間,采用換算公式(2)預(yù)測。
 t(V1,I1)=t(V1-Vx2+Vx1,I2)×I2/I1(2)
式中:t(V1,I1)是以I1放電,當電池電壓達到V1時剩余的時間;
 Vxn是各電流相應(yīng)的修正電壓。
  
 I2的選擇考慮就近的原則以保證預(yù)測的準確度。選擇最近一次放電結(jié)果進行預(yù)測,例如:上次用0.1C放電,這次要預(yù)測0.2C,則I2取0.1C。這是因為電池的物理化學狀態(tài)隨時在變,時間越靠近,結(jié)果應(yīng)該越準確。該方法預(yù)測剩余時間的誤差在15min以下,在實際應(yīng)用中可以提高時間和電壓的測量精度從而提高預(yù)測的準確度。
   
4)預(yù)測表的修正    預(yù)測表的修正在電池放電至截至電壓時進行分為幾種情況:
   
(1)放電結(jié)束前,電池恒流放電,對該恒流值下的放電預(yù)測表進行修正;
(2)放電完畢前,電池經(jīng)過幾種電流放電,通過時間折算公式(2)修正這幾種電流相應(yīng)電壓預(yù)測表;
(3)在不同溫度下,按-4mV/℃進行修正。
   
圖4為剩余時間預(yù)測程序流程圖。

剩余時間預(yù)測程序流程圖
圖4:剩余時間預(yù)測程序流程圖

這種預(yù)測方法的優(yōu)點在于:

——不需要大量的預(yù)設(shè)曲線;
——不需要增加多余的測量設(shè)備,充分利用原有系統(tǒng)的電壓電流測量系統(tǒng);
——隨著運行時間的增加,預(yù)測準確度增加;
——這種預(yù)測方法可以根據(jù)需要調(diào)整存儲器的容量,以提高精度。

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