提效降損型調(diào)壓控制器電源設(shè)計(jì)

朱玉奇，劉 忠，韓 濤

（南京科技職業(yè)學(xué)院，南京 210048）

電壓穩(wěn)定性是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前，提高電壓穩(wěn)定性的有效措施包括利用電容器和用戶無功補(bǔ)償裝置調(diào)節(jié)無功功率，結(jié)合變壓器調(diào)節(jié)電壓。有載調(diào)壓變壓器由變壓器和調(diào)壓控制器組成。所謂變壓器有載調(diào)壓的概念是，當(dāng)變壓器帶載運(yùn)行時(shí)，有載調(diào)壓開關(guān)用來切換繞組之間的分接頭，通過改變高低壓繞組的匝數(shù)比，即改變變壓器高低壓側(cè)的變比，達(dá)到調(diào)壓的目的。在保證無功功率的前提下，調(diào)整有載調(diào)壓變壓器繞組是保證電力用戶獲得良好電壓質(zhì)量的重要技術(shù)手段。因此，有載分接開關(guān)得到了廣泛的應(yīng)用?？刂破魍ㄟ^控制電機(jī)操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有載調(diào)壓的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)有載開關(guān)的切換動(dòng)作。目前，有載分接開關(guān)控制器容易受到外部環(huán)境和電網(wǎng)電路的影響，供電不可靠，工作不可控，事故率高，維護(hù)保養(yǎng)不便。

1 電源管理模塊設(shè)計(jì)

針對上述技術(shù)問題，設(shè)計(jì)一款基于雙輸入、雙輸出和雙后備的低功耗電源管理模塊，集成于有載調(diào)壓控制器內(nèi)部，控制器與有載調(diào)壓變壓器相連，通過控制調(diào)壓來控制傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對變壓器調(diào)擋開關(guān)的投切，其電源管理模塊是本篇論文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。

提效降損型調(diào)壓控制器箱體上表面設(shè)有太陽能光伏板，箱體內(nèi)部設(shè)有主控板、鋰電池、超級電容及電源管理模塊。有載調(diào)壓控制器支持通過外部太陽能電池板獲取電力的方法，電源管理模塊的輸出功率能夠滿足步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的功率要求，降低了維護(hù)成本（如圖1所示）。

圖1 雙輸入、雙輸出、雙后備的低功耗有載調(diào)壓控制器電源模塊設(shè)計(jì)方案

電源管理模塊滿足以下功能。

（1）具備自動(dòng)充放電，防過充、過放及鈍化等鋰電池管理功能。

（2）具備輸出短路保護(hù)、電池反接和短路保護(hù)功能。

（3）具備工作電源失電報(bào)警、低電壓報(bào)警和欠壓保護(hù)功能、報(bào)警信號上送功能。

（4）絕緣安全性好，隔離強(qiáng)度高，工頻耐壓2 500 VAC，沖擊耐壓5 kV，符合安規(guī)要求。

（5）整個(gè)模塊可采用金屬外殼模塊化封裝，也可以是裸板。

（6）支持將充電持續(xù)時(shí)間、電池最低可下降至多少伏及當(dāng)前電池的真實(shí)電壓等參數(shù)上送功能。

（7）具備過流保護(hù)功能，避免因大功率瞬時(shí)輸出時(shí)輸入端功率不夠而造成的系統(tǒng)輸入前級模塊損壞。

（8）具備由系統(tǒng)輸入前級供電瞬間切換至鋰電池組供電的無縫切換功能。

太陽能光伏板與電源管理模塊電連接，作為第一系統(tǒng)電源輸入，太陽能光伏板僅需數(shù)小時(shí)即可將鋰電池充滿控制器箱內(nèi)，充電時(shí)間短，對室外多雨環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；AC 工頻交流與電源管理模塊電連接，作為第二系統(tǒng)電源輸入。輸入部分接收輸入電量并對其進(jìn)行檢測和處理，再向供電單元、超級電容和電池輸電；模塊檢測光伏輸入端是否反接，并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行輸入保護(hù)；對輸入量進(jìn)行EMC 濾波、功率控制和直流轉(zhuǎn)換等，得到濾除噪音電壓適配的電量，使其符合后續(xù)的供電要求。

電源管理模塊有2 個(gè)輸出，其中一個(gè)輸出5 V 直流電壓，為主控板提供工作電源；另一個(gè)輸出24 V 直流電壓至檔位信號輸入和電機(jī)控制模塊。

鋰電池與電源管理模塊電連接，作為第一系統(tǒng)備用電源；超級電容器與電源管理模塊電連接，作為第二系統(tǒng)備用電源，控制器之所以使用超級電容器作為備用模式，是為了應(yīng)付當(dāng)交流電源切斷，鋰電池電量不足時(shí)，可以快速投入使用，為控制器及時(shí)保存當(dāng)前數(shù)據(jù)信息和傳輸故障信息提供了有利條件。

電源管理模塊還用于控制有載調(diào)壓控制器的電源從鋰電池、超級電容器、光伏板或交流工頻交流電源無縫切換。

2 電源硬件電路設(shè)計(jì)

電源模塊支持工頻交流和太陽能光伏雙輸入模式，輸出功率能滿足步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的功率要求，便于維護(hù)，降低成本。采用鋰電池和超級電容作為雙后備模式，與鉛酸電池相比，鋰電池在環(huán)保性、安全性和使用壽命上具有更好的性能。太陽能電池板可選用80 W/36 V 的規(guī)格，充電迅速，約7 h 即可將12 AH 的鋰電池組充滿，能克服長期陰雨天氣的干擾。在各種工況下自動(dòng)無縫切換電源終端，解決終端供電穩(wěn)定可靠的問題。當(dāng)天氣晴朗時(shí)，選用太陽能電池板取電，同時(shí)給鋰電池充電；雨天或夜間，電源模塊會自動(dòng)切換到鋰電池取電模式。

本文對鋰電池的關(guān)注點(diǎn)在于充電功耗和充電時(shí)間。目前的充電方式基本都采用恒流—恒壓充電方式，即先以恒定的電流給電池充電，此時(shí)電池電壓逐漸增大，到達(dá)某一電壓值（浮充電壓）時(shí)再以此電壓進(jìn)行恒壓充電，此時(shí)電流值逐漸減小，當(dāng)充電電流減小至接近零時(shí)可視為充滿。這種充電方法在恒流充電期間充電速度快，恒壓充電期間也保證了電池的安全充電。例如用某型號電源模塊給鋰電池（24 V/15 AH）充電，其充電電壓電流曲線如圖2所示。

圖2 鋰電池充電曲線

由圖2可知，電池初始電壓為22 V，電池浮充電壓為28 V，穩(wěn)定充電電流0.5 A，整個(gè)充電過程需要約10 h，可以計(jì)算電池的最大充電功耗約為14 W。而在浮充狀態(tài)下根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測電流最終穩(wěn)定于0.02 A 左右，則此時(shí)充電功耗約為0.6 W。因此必須要降低電池充電功耗，而電池充電電壓無法大幅度降低，因此只能通過減小充電電流實(shí)現(xiàn)。而減小充電電流后又必然會影響到充電時(shí)間。電池的充電時(shí)間也是一個(gè)關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)方案需在減小充電功耗的情況下盡可能縮短充電時(shí)間，而鋰電池的充電時(shí)間和充電電流的關(guān)系近似有

式中：Q 為電池容量；I 為充電電流；K 為相關(guān)系數(shù)，當(dāng)充電電流小于等于電池容量的5%時(shí)系數(shù)為1.6，在電池容量的5%和10%之間系數(shù)為1.5，在電池容量的10%和15%之間系數(shù)為1.3。計(jì)算所得充電時(shí)間t 則是電池從沒電到充滿電的時(shí)間。根據(jù)式（1）可知，若減小充電電流則充電時(shí)間必然會延長。

太陽能取電是利用光伏板的光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的取電方式，通常也稱為光伏發(fā)電。由于其具有環(huán)保無污染、可適用性強(qiáng)等優(yōu)勢，目前已成為一種常用的清潔取電方式，在故障指示器、路燈、監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備上得到廣泛使用，并且光伏發(fā)電作為一種分布式發(fā)電方式已經(jīng)逐步接入現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)。其取電功率和表面光照面積成正比，但是需選擇適合安裝的尺寸。選取某型號太陽能板額定輸出電壓36 VDC，最大輸出功率80 W，輸出電流約2.2 A。太陽能取電通道最大充電電流可設(shè)置為2 A，則根據(jù)式（1），充電電流為2 A 時(shí)，在上述工作情況下電池充滿僅需0.6 h，充電時(shí)間大大縮短。

電源光伏部分設(shè)計(jì)思路如圖3所示。光伏充電采用三段式充電管理，MPPT 充電、恒壓均充和恒壓浮充，大幅延長鋰電池使用壽命，MPPT 跟蹤效率不小于99.9%，系統(tǒng)發(fā)電效率高達(dá)98%，提高系統(tǒng)效率和降低系統(tǒng)成本。充電效率驗(yàn)證如圖4和圖5所示。電源工頻交流部分硬件電路如圖6至圖8所示。

圖3 電源光伏部分設(shè)計(jì)原理

圖4 充電效率典型曲線1

圖5 充電效率典型曲線2

圖6 電源硬件電路之相電壓輸入

圖8 電源硬件電路之核心板電源

電源交流部分硬件電路分3 塊來實(shí)現(xiàn)。第一部分（如圖6所示），電源供電方式采用低壓三相四線供電方式，可缺相運(yùn)行，且滿足連續(xù)過量、短時(shí)過量和功耗等要求。輸入由交流UA、UB、UC 任取一端相電壓供電，通過保險(xiǎn)絲F1、F2、F3 接入AC/DC 模塊HHV102 模塊。該模塊特點(diǎn)為176～440 VAC 超寬輸入電壓范圍；高效率、低紋波系數(shù)；高可靠電源管理芯片；打嗝式過流保護(hù)，輸出可持續(xù)短路；寬溫度適用范圍-40～70 ℃；高抗擾度設(shè)計(jì)，浪涌四級標(biāo)準(zhǔn)；直焊式引腳，可焊性引腳設(shè)計(jì)，利于波峰焊接及手工焊接工藝。經(jīng)過由電容C92、C94、C95 和C96 組成的濾波電路，得到穩(wěn)定的直流電源：DC5 V（1.5 A）和DC24 V（0.3 A），一路輸出5 V 為主控板供電，另一路輸出24 V驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，兩路直流電源相互獨(dú)立，相互隔離，規(guī)避了電機(jī)運(yùn)行時(shí)帶來的高頻干擾。

第二部分為DC5 V 轉(zhuǎn)DC5 V 的DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，該部分為調(diào)壓控制器的通訊模塊RS485 提供隔離電源（如圖7所示），可規(guī)避外部設(shè)備疊加在通訊回路的干擾。鉭電容C85、電容C87 及電感L1 組成的π 型濾波電路，作為輸入+5 V 直流電的前級濾波。輸入輸出地之間跨接高壓瓷片電容，增強(qiáng)模塊抗EMC 能力。

圖7 電源硬件電路之RS485 隔離電源

第三部分為DC5 V 轉(zhuǎn)DC3.3 V 的線性穩(wěn)壓電路，與第二部分最大的區(qū)別在于該電路不帶隔離功能，該部分（如圖8所示）選用TPS75733 線性低壓降穩(wěn)壓芯片，最大輸出電流3 A，電源紋波抑制比（PSRR）為62dB@（100 Hz）。該部分為核心板及交流采集模塊提供必要的數(shù)字電源+3.3 VD 和模擬電源+3.3 VA。

3 結(jié)束語

調(diào)壓控制器電源設(shè)計(jì)采用工頻交流和太陽能光伏板雙重輸入；具有鋰電池和超級電容器雙重后備儲能；同時(shí)輸出兩路直流電壓，并可通過電源管理模塊實(shí)現(xiàn)不同電源之間的無縫切換，從而確保有載調(diào)壓控制器供電系統(tǒng)的安全、可靠、低碳和節(jié)能，配電臺區(qū)供電電壓的質(zhì)量得以顯著提高。