關(guān)于雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)

山東省諸城繁華中學(xué) 邴 松

昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 杜炎城

關(guān)于雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)

山東省諸城繁華中學(xué) 邴 松

昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 杜炎城

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供電連續(xù)性、可靠性的要求越來(lái)越高。本文提出一種新型雙電源供電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方案，該控制器采用宏晶公司單片機(jī)STC15F2K60S2作為主控芯片，通過(guò)信號(hào)采集和處理電路對(duì)常用和備用電源的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的穩(wěn)定、連續(xù)供電。

雙電源；自動(dòng)轉(zhuǎn)換；自投自復(fù)

1. 引言

隨著電力事業(yè)的發(fā)展，電力質(zhì)量日益受到人們的重視。而供電的連續(xù)性是電力質(zhì)量的一個(gè)重要方面，對(duì)于某些特殊的用電部門(如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、大型生產(chǎn)線等)尤為重要。保證供電連續(xù)性通常的解決辦法是，給供電對(duì)象提供主、備兩路獨(dú)立的電源，對(duì)兩路電源都進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，能根據(jù)設(shè)定的切換程序準(zhǔn)確完成主、備用電源間的切換，從而最大限度地保證供電的連續(xù)性。

在我國(guó)，早期的常規(guī)雙電源轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)一般由斷路器，繼電器等機(jī)構(gòu)組合而成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)功能，無(wú)法分辨出各種不同的異常情況。因此，重新設(shè)計(jì)一種新型智能的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換器是非常有必要的。

本文研制的智能雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換器以國(guó)內(nèi)宏晶公司最新款單片機(jī)STC15F系列作為主控芯片，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩路電源，判斷當(dāng)前兩路電源的狀態(tài)，并在液晶顯示器上顯示出來(lái)。當(dāng)常用電源出現(xiàn)異常情況（停止供電，電壓長(zhǎng)期不穩(wěn)，電壓過(guò)高或過(guò)低）時(shí)，能快速反應(yīng)，安全可靠的轉(zhuǎn)換至備用電源供電模式，在常用電源恢復(fù)正常后，能再次安全快速地切換為常用電源供電模式，實(shí)現(xiàn)自投自復(fù)功能，以保證重要負(fù)荷的持續(xù)穩(wěn)定供電。

2. 雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)換器示意圖

本設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)GB 14048.11-2002自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器。可實(shí)時(shí)檢測(cè)常用電源和備用電源的每相電壓（共6路，采用多路選擇開(kāi)關(guān)），并在LCD1602上顯示每相電壓值，每隔3秒刷新一次。兩組LED燈用來(lái)分別指示兩路電源的運(yùn)行狀況（“正?！薄ⅰ斑\(yùn)行”、“異常”）。控制回路的電源（220V50Hz）取自常用電源或備用電源（也需要自動(dòng)轉(zhuǎn)換）。

圖2 雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)框圖

雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊（液晶顯示和LED顯示）幾部分構(gòu)成。

2.1 單片機(jī)控制芯片及最小系統(tǒng)

STC15F2K60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，該型單片機(jī)具有超強(qiáng)的抗干擾能力，運(yùn)算速度快（1T），可省掉外部EEPROM，利用IAP技術(shù)，可在線編程，無(wú)需仿真器，內(nèi)部集成高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，可省掉外部獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換模塊。

2.2 系統(tǒng)供電模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，為兩路供電方式，由JQX-13F型交流繼電器（圖4所示）控制，分別從常用電源U1和備用電源U2取電，繼電器后面接入MTW5-D5C型電源模塊，能輸出穩(wěn)定的+5V和-5V直流電?？梢员ＷC整個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定供電。

圖3 雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換器電源模塊

繼電器線圈K1端子分別接常用電源U1_L和U1_N，其中兩個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)接常用電源U1，對(duì)應(yīng)常閉觸點(diǎn)接備用電源U2。正常情況下，線圈K1得電，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，系統(tǒng)由常用電源供電，當(dāng)常用電源出現(xiàn)異常無(wú)法持續(xù)供電時(shí)，線圈K1失電，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)復(fù)位，系統(tǒng)繼而由備用電源供電。

圖4 JQX-13F型交流繼電器

MTW5-D5C為小型開(kāi)關(guān)電源模塊，該系列電源具有輸入電壓范圍寬（85～265VAC，165～265VDC，50/60Hz），交直流兩用，低功耗，高效率，安全隔離等優(yōu)點(diǎn)。它可以為專用集成電路(ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器等數(shù)字或模擬負(fù)載提供電源。因此，它為本系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5、-5直流電壓以及GND結(jié)點(diǎn)。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路分為220V交流到交流小信號(hào)轉(zhuǎn)換電路（圖5所示）和交流小信號(hào)抬升電路（圖7所示）。

2.3.1 交流到交流小信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

圖5 220V交流到交流小信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理圖

220V交流到交流小信號(hào)轉(zhuǎn)換電路包含ZMPT101B型交流互感器和UA741ID型運(yùn)放：

ZMPT101B為電壓型電流互感器，其輸入端Vin+接200K限流電阻，它能將220V交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為2mA低壓交流小信號(hào)，供下一級(jí)負(fù)載使用。

UA741ID為高增益運(yùn)算放大器（單運(yùn)放），管腳7和4分別接直流+5V、-5V，1、5、8號(hào)管腳空置，管腳3為正相輸入端接地，管腳2為負(fù)向輸入端，與電流互感器的輸出端Vout+相連，并通過(guò)1.5K電阻R2與輸出端管腳6相連，達(dá)到電壓跟隨的效果。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，得到如圖6所示的信號(hào)波形：

圖6 小信號(hào)輸出波形圖

2.3.2 交流小信號(hào)抬升電路

圖7 交流小信號(hào)抬升電路原理圖

交流小信號(hào)抬升電路如圖7所示。CD4051為單8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，通過(guò)A、B、C三個(gè)二進(jìn)制輸入端來(lái)控制選通X0～X7號(hào)輸入通道，輸出端X接由1K電阻R5、R6，二極管D1以及UA741ID組成的信號(hào)抬升電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的抬升。UA741ID的輸出端管腳6接二極管D2和D3，實(shí)現(xiàn)電壓鉗位作用，把輸出信號(hào)的電壓控制在0～+5V之間，供單片機(jī)使用，防止因電壓過(guò)高損壞單片機(jī)。

其輸入單片機(jī)的電壓為：

經(jīng)過(guò)信號(hào)抬升，可以得到圖8所示信號(hào)波形。

圖8 抬升后電壓波形圖

2.4 狀態(tài)顯示模塊

顯示模塊由LCD1602液晶顯示器和LED狀態(tài)指示電路組成。

圖9 1602液晶顯示器接線圖

如圖9所示，LCD1602液晶顯示器的數(shù)據(jù)通道D0～D7接單片機(jī)I/O口，引腳VSS和VO之間接2.2K電阻來(lái)調(diào)節(jié)顯屏亮度。

圖10 LED狀態(tài)指示模塊電路原理圖

如圖10所示，LED狀態(tài)指示燈每組有3個(gè)不同顏色的LED，分別為紅色、綠色、黃色，共兩組，分別顯示常、備用電源的不同狀態(tài)。每個(gè)LED的功能為：

3. 雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，主程序框圖如圖11所示。首先對(duì)單片機(jī)的定時(shí)器，AD轉(zhuǎn)換器，以及液晶顯示器等模塊初始化，分別采集常用電源和備用電源的電壓信號(hào)，并將兩者的實(shí)時(shí)電壓值顯示在液晶顯示器上，然后進(jìn)入邏輯判斷階段，根據(jù)邏輯判斷的結(jié)果，控制相應(yīng)的LED的亮滅狀態(tài)。

當(dāng)常用電源與備用電源均正常時(shí)，電力系統(tǒng)由常用電源供電，一旦常用電源出現(xiàn)異常（停電或者電壓波動(dòng)超過(guò)正常電壓220V的10%，并且波動(dòng)持續(xù)時(shí)間超過(guò)3秒）時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用電源供電模式。當(dāng)常用電源恢復(fù)正常，且維持時(shí)間超過(guò)3秒，切換到常用電源供電模式，實(shí)現(xiàn)自投自復(fù)的工作方式。

常用電源任一相電壓被監(jiān)測(cè)到超出-10%～10%范圍時(shí)，延時(shí)3秒，如果恢復(fù)正常，則不動(dòng)作；如果仍不正常，則發(fā)出指令使Q1分閘并使常用電源的“異?！睙糸W爍（報(bào)警信號(hào)）、“正?！睙艉汀斑\(yùn)行”燈熄滅；如果此時(shí)備用電源正常，則發(fā)出指令使Q2合閘并使備用電源的“運(yùn)行”燈點(diǎn)亮，自動(dòng)轉(zhuǎn)換至備用電源。

常用電源恢復(fù)正常，則點(diǎn)亮常用電源的“正常”燈，同時(shí)延時(shí)3秒，如果仍正常，則發(fā)出指令使Q2分閘，并使常用電源的“異?！睙艉蛡溆秒娫吹摹斑\(yùn)行”燈熄滅，自動(dòng)返回轉(zhuǎn)換到常用電源。

圖11 主程序框圖

4. 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究表明本設(shè)計(jì)提供的雙電源轉(zhuǎn)換控制器能夠?qū)﹄p路電源的過(guò)壓、欠壓和缺相等故障進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)兩路電源間的可靠切換。使用該型控制器，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)能準(zhǔn)確完成主、備用電源間的切換，從而最大限度地保證供電的連續(xù)性。

[1]劉介才.工廠供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009,7.

[2]徐愛(ài)鈞.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010,7.

[3]徐愛(ài)鈞,彭秀華.KeilCx51 V7.0單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程與uVision2應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[4]劉介才.安全用電實(shí)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,20006.

[5]劉介才.工廠供用電實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001.

[6]中華人名共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1983～2008.

[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JBJ 6-1996機(jī)械工廠電力設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

杜炎城，山東日照人，昆明理工大學(xué)在讀研究生。

邴松，山東濰坊人，現(xiàn)就讀于山東省諸城市繁華中學(xué)。