提效降损型调压控制器电源设计

2023-01-17朱玉奇

科技创新与应用 2023年1期

朱玉奇，刘忠，韩涛

（南京科技职业学院，南京 210048）

电压稳定性是电能质量的重要指标之一。目前，提高电压稳定性的有效措施包括利用电容器和用户无功补偿装置调节无功功率，结合变压器调节电压。有载调压变压器由变压器和调压控制器组成。所谓变压器有载调压的概念是，当变压器带载运行时，有载调压开关用来切换绕组之间的分接头，通过改变高低压绕组的匝数比，即改变变压器高低压侧的变比，达到调压的目的。在保证无功功率的前提下，调整有载调压变压器绕组是保证电力用户获得良好电压质量的重要技术手段。因此，有载分接开关得到了广泛的应用。控制器通过控制电机操作机构实现有载调压的自动控制，实现有载开关的切换动作。目前，有载分接开关控制器容易受到外部环境和电网电路的影响，供电不可靠，工作不可控，事故率高，维护保养不便。

1 电源管理模块设计

针对上述技术问题，设计一款基于双输入、双输出和双后备的低功耗电源管理模块，集成于有载调压控制器内部，控制器与有载调压变压器相连，通过控制调压来控制传动装置，实现对变压器调挡开关的投切，其电源管理模块是本篇论文的重点研究内容。

提效降损型调压控制器箱体上表面设有太阳能光伏板，箱体内部设有主控板、锂电池、超级电容及电源管理模块。有载调压控制器支持通过外部太阳能电池板获取电力的方法，电源管理模块的输出功率能够满足步进电机运行的功率要求，降低了维护成本（如图1所示）。

图1 双输入、双输出、双后备的低功耗有载调压控制器电源模块设计方案

电源管理模块满足以下功能。

（1）具备自动充放电，防过充、过放及钝化等锂电池管理功能。

（2）具备输出短路保护、电池反接和短路保护功能。

（3）具备工作电源失电报警、低电压报警和欠压保护功能、报警信号上送功能。

（4）绝缘安全性好，隔离强度高，工频耐压2 500 VAC，冲击耐压5 kV，符合安规要求。

（5）整个模块可采用金属外壳模块化封装，也可以是裸板。

（6）支持将充电持续时间、电池最低可下降至多少伏及当前电池的真实电压等参数上送功能。

（7）具备过流保护功能，避免因大功率瞬时输出时输入端功率不够而造成的系统输入前级模块损坏。

（8）具备由系统输入前级供电瞬间切换至锂电池组供电的无缝切换功能。

太阳能光伏板与电源管理模块电连接，作为第一系统电源输入，太阳能光伏板仅需数小时即可将锂电池充满控制器箱内，充电时间短，对室外多雨环境适应性强；AC 工频交流与电源管理模块电连接，作为第二系统电源输入。输入部分接收输入电量并对其进行检测和处理，再向供电单元、超级电容和电池输电；模块检测光伏输入端是否反接，并根据检测结果进行输入保护；对输入量进行EMC 滤波、功率控制和直流转换等，得到滤除噪音电压适配的电量，使其符合后续的供电要求。

电源管理模块有2 个输出，其中一个输出5 V 直流电压，为主控板提供工作电源；另一个输出24 V 直流电压至档位信号输入和电机控制模块。

锂电池与电源管理模块电连接，作为第一系统备用电源；超级电容器与电源管理模块电连接，作为第二系统备用电源，控制器之所以使用超级电容器作为备用模式，是为了应付当交流电源切断，锂电池电量不足时，可以快速投入使用，为控制器及时保存当前数据信息和传输故障信息提供了有利条件。

电源管理模块还用于控制有载调压控制器的电源从锂电池、超级电容器、光伏板或交流工频交流电源无缝切换。

2 电源硬件电路设计

电源模块支持工频交流和太阳能光伏双输入模式，输出功率能满足步进电机运行的功率要求，便于维护，降低成本。采用锂电池和超级电容作为双后备模式，与铅酸电池相比，锂电池在环保性、安全性和使用寿命上具有更好的性能。太阳能电池板可选用80 W/36 V 的规格，充电迅速，约7 h 即可将12 AH 的锂电池组充满，能克服长期阴雨天气的干扰。在各种工况下自动无缝切换电源终端，解决终端供电稳定可靠的问题。当天气晴朗时，选用太阳能电池板取电，同时给锂电池充电；雨天或夜间，电源模块会自动切换到锂电池取电模式。

本文对锂电池的关注点在于充电功耗和充电时间。目前的充电方式基本都采用恒流—恒压充电方式，即先以恒定的电流给电池充电，此时电池电压逐渐增大，到达某一电压值（浮充电压）时再以此电压进行恒压充电，此时电流值逐渐减小，当充电电流减小至接近零时可视为充满。这种充电方法在恒流充电期间充电速度快，恒压充电期间也保证了电池的安全充电。例如用某型号电源模块给锂电池（24 V/15 AH）充电，其充电电压电流曲线如图2所示。

图2 锂电池充电曲线

由图2可知，电池初始电压为22 V，电池浮充电压为28 V，稳定充电电流0.5 A，整个充电过程需要约10 h，可以计算电池的最大充电功耗约为14 W。而在浮充状态下根据实验所测电流最终稳定于0.02 A 左右，则此时充电功耗约为0.6 W。因此必须要降低电池充电功耗，而电池充电电压无法大幅度降低，因此只能通过减小充电电流实现。而减小充电电流后又必然会影响到充电时间。电池的充电时间也是一个关键因素，设计方案需在减小充电功耗的情况下尽可能缩短充电时间，而锂电池的充电时间和充电电流的关系近似有

式中：Q 为电池容量；I 为充电电流；K 为相关系数，当充电电流小于等于电池容量的5%时系数为1.6，在电池容量的5%和10%之间系数为1.5，在电池容量的10%和15%之间系数为1.3。计算所得充电时间t 则是电池从没电到充满电的时间。根据式（1）可知，若减小充电电流则充电时间必然会延长。

太阳能取电是利用光伏板的光电效应将光能转换为电能的取电方式，通常也称为光伏发电。由于其具有环保无污染、可适用性强等优势，目前已成为一种常用的清洁取电方式，在故障指示器、路灯、监控摄像头等设备上得到广泛使用，并且光伏发电作为一种分布式发电方式已经逐步接入现有配电网络。其取电功率和表面光照面积成正比，但是需选择适合安装的尺寸。选取某型号太阳能板额定输出电压36 VDC，最大输出功率80 W，输出电流约2.2 A。太阳能取电通道最大充电电流可设置为2 A，则根据式（1），充电电流为2 A 时，在上述工作情况下电池充满仅需0.6 h，充电时间大大缩短。

电源光伏部分设计思路如图3所示。光伏充电采用三段式充电管理，MPPT 充电、恒压均充和恒压浮充，大幅延长锂电池使用寿命，MPPT 跟踪效率不小于99.9%，系统发电效率高达98%，提高系统效率和降低系统成本。充电效率验证如图4和图5所示。电源工频交流部分硬件电路如图6至图8所示。

图3 电源光伏部分设计原理

图4 充电效率典型曲线1

图5 充电效率典型曲线2

图6 电源硬件电路之相电压输入

图8 电源硬件电路之核心板电源

电源交流部分硬件电路分3 块来实现。第一部分（如图6所示），电源供电方式采用低压三相四线供电方式，可缺相运行，且满足连续过量、短时过量和功耗等要求。输入由交流UA、UB、UC 任取一端相电压供电，通过保险丝F1、F2、F3 接入AC/DC 模块HHV102 模块。该模块特点为176～440 VAC 超宽输入电压范围；高效率、低纹波系数；高可靠电源管理芯片；打嗝式过流保护，输出可持续短路；宽温度适用范围-40～70 ℃；高抗扰度设计，浪涌四级标准；直焊式引脚，可焊性引脚设计，利于波峰焊接及手工焊接工艺。经过由电容C92、C94、C95 和C96 组成的滤波电路，得到稳定的直流电源：DC5 V（1.5 A）和DC24 V（0.3 A），一路输出5 V 为主控板供电，另一路输出24 V驱动步进电机，两路直流电源相互独立，相互隔离，规避了电机运行时带来的高频干扰。

第二部分为DC5 V 转DC5 V 的DC/DC 转换电路，该部分为调压控制器的通讯模块RS485 提供隔离电源（如图7所示），可规避外部设备叠加在通讯回路的干扰。钽电容C85、电容C87 及电感L1 组成的π 型滤波电路，作为输入+5 V 直流电的前级滤波。输入输出地之间跨接高压瓷片电容，增强模块抗EMC 能力。

图7 电源硬件电路之RS485 隔离电源

第三部分为DC5 V 转DC3.3 V 的线性稳压电路，与第二部分最大的区别在于该电路不带隔离功能，该部分（如图8所示）选用TPS75733 线性低压降稳压芯片，最大输出电流3 A，电源纹波抑制比（PSRR）为62dB@（100 Hz）。该部分为核心板及交流采集模块提供必要的数字电源+3.3 VD 和模拟电源+3.3 VA。