小型高压预充电及配电装置

王燕玲

摘要：小型化高压预充及配电装置可解决容性负载上电时的冲击电流问题，同时可实现电容放电，提高系统安全性。该装置可实现用电设备的配电控制，并通过总线实现远程控制。

关键词：充电、配电、放电、短路

0 序言

直流高压供电体制系统中，为维持直流电压稳定，通常在母线上或负载两端并联一个或一组大容量电容，起到滤波和蓄能的作用。由于电容在冷态启动时，相当于短路，会出现瞬间冲击电流，对电源、设备造成冲击。现阶段，针对该类电容，通常在回路串联电阻，限制瞬间的冲击电流，待电容充满后，切换至高压继电器进行配电。

系统中采用串联电阻进行限流，无保护、体积大、可靠性低等现状。存在以下缺陷：

a）电容充电瞬间电流较大，限流电阻可限制电流冲击，则电阻功耗较大，需选择功率较大的电阻，功率大意味着体积大，导致装置体积大，浪费空间。

b）电容充电过程中，无保护功能，安全性低。

c）系统断电后，电容上存在电压，无放电回路，存在安全隐患。

d）电容的充电时间受限流电阻的影响，时间固定不可调。

1 总方案

研究具有充電、配电、放电功能，适用于高压系统控制器配电的高压智能配电控制装置，同时具备过压保护、过流保护、过温保护、负载异常判断、短路保护功能。该装置主要由充电单元、配电单元、放电单元、微处理器构成，功能框图如图1所示，放电单元、充电单元原理框图如图2、图3。充电单元所示为1个充电支路，也可采用多个充电支路并联，每个支路有各自的驱动和电流反馈电路，多个支路并联可增大充电电流，从而缩短充电时间，同时更适用于更大容量的电容，但多个支路并联会增加整体的尺寸和重量，因此根据负载电容的实际需要确定支路的路数。

对于容性设备进行配电，配电过程主要是：

a）通过总线发送控制接通指令，微处理器接收到接通命令后，打开充电单元进行设备充电，待设备电压与输入电压相等时，关闭充电;

b）关闭充电的同时，微处理器打开配电单元，设备可正常供电;

c）关闭配电后，微处理器打开放电单元，对设备电容进行放电，放电到电压低于或等于设置值时，关闭放电;

d）放电单元与充电单元或配电单元不能同时打开，软件中设置间隔时间，可防止同步打开造成功率开关管损坏。

2 详细原理方案

a）充电单元

充电电路原理是利用恒流源电路充电，具体是采用功率开关管放大区工作特性实现。充电电路主要由充电主回路、PI调节电路、基准电路、电流检测回路等构成。微处理器接收到总线充电指令后，控制PI调节电路驱动功率开关管导通，充电回路产生充电电流，通过电阻采集充电电流，将电流信号转换为电压信号，该电压经放大后到PI调节电路，直到电压无限接近基准电压，再经过PI调节电路，输出控制功率开关管工作在放大区，实现电容恒流充电。微处理器接收到总线调整基准电压时，PI调节电路工作，充电回路电流改变，直到电流转换后的电压信号无限接近调整后的基准电压，实现充电电流的可调。

充电过程中，通过软件判断固定时间内输出电压的变化，从而判断输出是否异常。若固定时间内输出电压变化低于设置值，且输出电压未达到设置值，则判定为短路;若固定时间内输出电压变化低于设置值，而输出电压达到设置值，判定为输出异常（阻性负载或容量过大电容）。

b）配电单元

配电单元主要由驱动电路、配电回路、电流采集、电压采集、短路保护等构成。

配电功能实现过程及工作原理：

1）配电电路打开后，控制驱动电路使功率开关管饱和导通，实现配电;

2）通过隔离采样电路采集输入、输出电压，实时监测设备工作电压状态;采用电流互感器采集输出电流，实时监测设备工作电流状态;采用铂电阻进行温度采集，实时监测自身温度;将各采样值与设置故障值比较，作为过压、过流、过温故障的诊断条件;

3）采用去饱和短路检测方法实现短路保护，功率开关管S极对电源负极短路后，ID电流增大则DS两端电压逐渐直到触发短路保护，关闭驱动电路输出，控制功率开关管关断，改变短路检测回路中电阻阻值可调整短路电流值;

4）工作过程中出现过压、过流、过温、短路任一故障，模块关断配电输出，实现对模块自身和用电设备保护功能;

5）总线接收到关断指令后，控制驱动电路切断驱动电压，从而关断配电输出。

过压保护：容性设备两端采样电压大于微处理器设置的过压值，关闭配电，实现过压保护。

过流保护：配电输出过程中，采样电流大于微处理器设置的过流值，关闭配电，实现过流保护。

过温保护：配电过程中，采样温度大于微处理器设置的过温值，关闭配电，实现过温保护。

短路保护：采用集成了驱动、短路保护的高压驱动芯片，当输出短路时，功率开关管的DS端电压增大到触发短路保护点时，驱动芯片自动切断驱动电压，同时输出保护信号到微处理器，微处理器通过识别该信号，确认是否短路故障。

c）放电单元

放电电路与充电电路原理相同，采用恒流进行放电。放电电路主要由放电主回路、PID调节电路、基准电路、电流检测回路等构成。微处理器接收到总线放电指令后，打开PID调节电路，驱动放电主回路工作，电流检测回路检测放电回路电流，将电流转换为电压信号，直到电压无限接近基准电压，放电回路电流保持不变，该电流即为放电电流。微处理器接收到总线调整基准电压时，放电回路电流改变，直到电流转换后的电压信号无限接近调整后的基准电压，实现放电电流的可调。放电过程中，在规定的时间内，输出未降低至设置的电压值，则判定为放电异常。

充电电路与放电电路禁止同时打开，软件控制时需进行延时处理。

3 特点

该装置的主要优点有以下：

a）采用恒流充电方式，有效限制电容瞬间冲击电流，减小启动时对电源和电容的冲击。

b）具备充电、配电、放电功能，保护功能齐全，安全性高。

c）装置可采用一体化结构，集成度高，体积小，相较传统的电阻限流的方式，该装置体积大大缩小，适用度高。

d）充电电流及放电电流均可调节，使电容充电和放电的时间可控，适应不同容量电容的要求。

4 结论

该装置适用范围广，可应用于高压电气系统中各类容性设备的配电控制，同时可用于阻性负载的配电控制。与现有技术比较，本发明提出的电容充电电路可有效限制容性设备启动时的瞬间冲击电流，减小启动时对电源和设备的冲击，提高电气系统稳定性。该装置体积小，可适用于市场小型化产品需求的趋势。充放电时间可灵活变换，适应不同容量负载的需求。同时该发明中的充电电路的原理可并联使用，应用于高压直流母线中大容量电容或容性负载设备的充电需求。

参考文献

1、韩静霖，李国峰，张勇  一种电压控制电流源的设计与应用[J]. 电子应用技术，2008.34（8）：64-65.

2、贺国权 一种压控恒流源的研究[J]，仪表技术，2004（1）：53-54.