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PZWG智能型全自动高频直流电源 PZWG智能型全自动高频直流电源广泛用于发电站、变 电站、通信等多领域,作为高压开关、自动化装置等操作控制 电源。PZWG智能型全自动高频直流电源装置是由专用高频 充电机整流模块和微机电源监控系统构成,在现场只需要操 作、整定,电源监控系统可以全面管理系统的运行、记录,统 计各种运行数据和故障信息,具有“遥测、遥信、遥控”的功 能,真正实现电源系统的全自动运行。传统的直流操作电源 采用相控整流电源,具有体积大、重量大、输出电压纹波大、 可维护性差等缺点。MOSFET、IGBT等高速功率半导体器件 及高频磁芯的发展,使得采用高频开关变换技术实现操作电 源成为可能。高频开关电源由于具有更高的效率、更小的体 积和重量及更快速的动态响应,正在逐步取代传统的相控整 流型一次电源。此外,对电网谐波污染的限制、电池自动充放 电管理以及遥信、遥测功能的要求,使得高输入功率因数及 智能化成为这种电源的发展方向。对大容量的直流电源系 统,采用多电源模块并联运行的模块化结构方式,可更好地 提高系统的可靠性和可维护性,下面以瓦塘江泵站直流电源 系统为例进行阐述。 一、PZWG智能型全自动高频直流电源系统构 成 为满足高可靠性及智能化等要求,电源系统由交流配电 单元、整流模块、信号转换单元、直流配电单元、监控模块、接 地检测模块、电池巡检模块及远地监控计算机组成。交流配 电单元输入 380V交流电源,整流模块为三相输入高功率因 数高频开关电源,若干台整流模块以 N+1冗余方式并联运 行,并以无主方式均分总负载电流,使得系统具有高可靠性; 监控模块可对系统各部分进行实时监测,并自动完成电池的 充放电控制;监控模块还具有 RS232/RS485通信接口,可与 各种RTU通信,构成系统的远地集中监控。监控模块扩展的 CAN总线通信接口可与整流模块、接地检测模块及电池巡检 模块通信,构成完整的电源系统监控如图1所示。 二、高功率因数220V/10A整流模块 高频开关电源性能优于相控整流电源,它能否得到广泛 工业应用的关键是其可靠性,开关电源的可靠性主要取决于 其主电路拓扑及控制。该电源模块时,选用了可靠 性很高的三相电流型 PWM整流器,完成三相功率因数校正 及双正激变换拓扑完成 DC/DC变换、PWM控制采用电流型 控制方法。 图2 PWM整流器 (一)三相PWM整流器 三相 PWM整流器主电路,每个桥臂由 1只 IGBT和 1 只二极管组成。IGBT的驱动脉冲采用如图 2所示正弦 PWM 调制脉冲,使得输入电流 Iac和输出直流电压 Vd中,只含有 如式(1)-(3)所示谐波。输出电压稳定于235V。正弦PWM调 制脉冲采用离线计算,并存储于 EPROM芯片中,由同步触发 电路和波形合成电路实时生成。同步触发时钟频率由锁相环 生成,而触发计数的基地址由输出电压闭环反馈控制电路的 输出电压控制。 Iac(!t)=MIdsin("t)+Id× ∞ K=I !{[a6k±1sin[(6k±1)#t]}(1) a6k±1= 4 3" (6k±1)$ (-1)k P P=I !{cos[(6k±1)× (%2&-1+’6 )]-cos[6k±1)×((2)+*6 )]} (2) 何树光 (广西西江航运建设发展有限责任公司贵港航运枢纽分公司,广西 贵港 537100) [摘 要]PZWG智能型全自动高频直流电源,是一种新型智能模块化高频变换220V直流不间断电源系统。整流模块采 用具有高可靠性的有源功率因数校正技术(PFC)和软开关脉宽调制式开关技术(PWM)整流器及双正激变换电路,分别实现三相 功率因数校正和DC/DC变换,采用最大值均流控制方法实现无主均流控制,并具有 CAN总线通信接口。监控模块采用单片 机实现电源系统的监控,并具有 RS232/RS485串行通信接口及 CAN总线通信接口,来实现集中监控通信及对整流模块、接地 检测模块和电池巡检模块的监控通信。 [关键词]PFC功率因数校正;PWM整流;开关电源;CAN总线 机械与电气 2008第9期 总第93期广西质量监督导报 42 机械与电气 2008第9期 总第93期广西质量监督导报 Vd(!t)=1.225VL[M+ ∞ K=I !(a6k+1-a6k-1)cos(6k"t)] (3) 式中,Id:输出电感中电流;VL:输入线电压有效值;p: 0-60°区间内的脉冲数;M:调制系数,M=U0/Um。 PWM整流器有以下优点:1.输入功率因数在所有负载情 况下均保持不变(接近 1.0),这是因为只有调制系数 M变化, 输入电流相角一直与输入电压相角保持一致;2.输入电流中 低次谐波电流含量小,这可减少输入滤波电感;3.输出直流电 压稳定于400V,使得输出DC/DC变换器可选用500-600V耐 压器件作为开关器件,且DC/DC变换变压器和输出滤波电感 利用充分,效率得到提高;4.PWM调制脉冲易实现,成本低。 (二)DC/DC变换器 1.主电路拓扑 全桥相移谐振变换拓扑是目前较实用的高效率的大功 率DC/DC变换拓扑,但由于有易发生桥臂直通短路及变压器 原边偏磁饱和的缺点,使其可靠性难以保证。正激变换拓扑 完全避免了以上缺点,其可靠性很高,在要求高可靠性的开 关电源中越来越多地被采用。本系统采用双管双正激拓扑完 成 DC/DC变换(见图3)。 在图 3中,S1、S2及 D1、D2、T1、D5、D6组成第 1个正激 变换器;S3、S4、D3、D4、T2、D7、D8组成第 2个正激变换器; 这种双管单正激可降低开关管耐压要求。S1-S4采用高速 IGBT器件 IRG4PC40W(600V/40A),开关频率为 80kHz;2个 正激变换器的驱动脉冲相位相差 180°;功率变压器及输出滤 波电感磁芯都采用 H7C1材料的 EE70磁芯。由于输出电压 较高,2个正激变换器的输出整流电路相串联,以解决整流二 极管的耐压问题。L和E组成输出滤波回路。 图3 双管双正激DC/DC变换器 2.控制与保护 DC/DC变换器采用峰值电流型 PWM控制,并采用最大 值均流控制法实现多个模块并联运行时的均流控制,这种均 流控制方法与电源模块数目无关,且任意 1台故障或退出运 行,均不影响其它模块的均流功能,真正实现了 N+1冗余运 行。 为了使电源模块在任何运行工况及环境下不会损坏,在 电源内设置了以下保护:温度控制的风冷、输入交流电压欠 压和过压保护、输出电流限流、输出过压保护、输出过流保 护、散热器过温保护。 3.主要性能指标 交流输入电压为180-250V、45-60Hz;功率因数>0.99; 直流输出电压为 235-265V;额定直流输出电流 10A;效率 88%;纹波电压有效值<0.1%;稳压、稳流精度均<±0.5%;多 机并联均流精度<2%;体积为400mm×140mm×260mm。 图4 监控模块构成 (三)CAN通信接口 为减少监控模块与整流模块的连线,在整流模块内,通过 单片机控制———CAN总线控制器来构成 CAN总线通信接 口。CAN总线通过双绞线实现高速串行通信,是一种高可靠、 低成本的现场总线,可实现比 RS232/RS485更远、更快速的 通信。采集整流模块输出电压、输出电流、散热器温度、开 /关 机状态、故障状态等信号,并通过 CAN总线通信传送给监控 模块;同时通过通信将监控模块的充电电压给定、充电电流 给定、开/关机信号、故障复位信号传送给整流模块(如图4)。 三、监控模块 监控模块位于电源屏内,它除了具有对电源系统各单元 运行状态与参数的采集、显示、参数设置及电池自动充放电 控制功能外,还具备与上位监控计算机的通信功能,既能不 断接受上位机送来的命令,又能根据命令对电源系统进行操 作或将电源系统各单元的运行状态、参数传送给上位机。监 控模块结构见图 4,它由单片机、交直流配电参数采集单元、 点阵液晶汉字显示与键盘操作单元、串行口通信单元、CAN 总线通信单元组成。通过RS485或 RS232串行通信,实现对 电源系统的“四遥”通信,通信协议采用串校验和协议;通过 CAN总线控制器扩展 CAN通信总线与接地检测模块、电池 巡检模块通信,完成对接地故障及电池故障的集中监测。 四、结束语 PZWG智能型全自动高频直流电源装置已使用了 6年 多,运行稳定,调节灵敏,性能方面基本达到了以上要求,智 能模块化高频变换直流电源系统已成为发电厂、变电站 220V 直流电源系统的发展方向。 [参考文献] [1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京航空航天 大学出版社,2002. [2]刘文华,蒙岩.通信开关电源系统的微机监控[J].电力系统自 动化,1997,21(6). [3]刘文华,马晓军.高功率因数 220V/10A电力系统直流操作 开关电源[J].清华大学学报(自然科学版),1997,37(7). [作者简介]何树光,男,广西桂平人,助理师,广西西江航运建设 发展有限责任公司贵港航运枢纽分公司,从事大型变电站、泵站电气 安装调试,水力发电厂发电机组以及大型水泵机组电气的维修工作。 43