【導(dǎo)讀】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。
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。
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
選用大規(guī)模可編程邏輯器件方案
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。
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。
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)。
表1:工作真值表
圖1:管腳排列
自動調(diào)壓裝置的工作框圖如圖2所示。
圖2:自動調(diào)壓裝置的工作框圖
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。
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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:工作過程
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?,Q8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。
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。
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%
圖4:原理圖
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。