山东省诸城繁华中学 邴 松
昆明理工大学电力工程学院 杜炎城
关于双电源自动转换控制器的设计
山东省诸城繁华中学 邴 松
昆明理工大学电力工程学院 杜炎城
随着国民经济的迅速发展,人们对供电连续性、可靠性的要求越来越高。本文提出一种新型双电源供电系统控制器的设计方案,该控制器采用宏晶公司单片机STC15F2K60S2作为主控芯片,通过信号采集和处理电路对常用和备用电源的状态进行实时检测和实时控制,实现对负载的稳定、连续供电。
双电源;自动转换;自投自复
随着电力事业的发展,电力质量日益受到人们的重视。而供电的连续性是电力质量的一个重要方面,对于某些特殊的用电部门(如医院、机场、大型生产线等)尤为重要。保证供电连续性通常的解决办法是,给供电对象提供主、备两路独立的电源,对两路电源都进行实时监控。当主电源发生故障时,能根据设定的切换程序准确完成主、备用电源间的切换,从而最大限度地保证供电的连续性。
在我国,早期的常规双电源转换装置设计一般由断路器,继电器等机构组合而成,实现简单的监测功能,无法分辨出各种不同的异常情况。因此,重新设计一种新型智能的双电源自动转换器是非常有必要的。
本文研制的智能双电源自动转换器以国内宏晶公司最新款单片机STC15F系列作为主控芯片,通过实时监测两路电源,判断当前两路电源的状态,并在液晶显示器上显示出来。当常用电源出现异常情况(停止供电,电压长期不稳,电压过高或过低)时,能快速反应,安全可靠的转换至备用电源供电模式,在常用电源恢复正常后,能再次安全快速地切换为常用电源供电模式,实现自投自复功能,以保证重要负荷的持续稳定供电。
图1 自动转换器示意图
本设计符合标准GB 14048.11-2002自动转换开关电器。可实时检测常用电源和备用电源的每相电压(共6路,采用多路选择开关),并在LCD1602上显示每相电压值,每隔3秒刷新一次。两组LED灯用来分别指示两路电源的运行状况(“正常”、“运行”、“异常”)。控制回路的电源(220V50Hz)取自常用电源或备用电源(也需要自动转换)。
图2 双电源自动转换器硬件结构框图
双电源自动转换器硬件结构如图2所示,主要由电源模块、信号调理模块、单片机控制模块、显示模块(液晶显示和LED显示)几部分构成。
STC15F2K60S2单片机作为系统主控芯片,该型单片机具有超强的抗干扰能力,运算速度快(1T),可省掉外部EEPROM,利用IAP技术,可在线编程,无需仿真器,内部集成高速10位A/D转换器,可省掉外部独立的A/D转换模块。
电源模块为整个系统提供电能,为两路供电方式,由JQX-13F型交流继电器(图4所示)控制,分别从常用电源U1和备用电源U2取电,继电器后面接入MTW5-D5C型电源模块,能输出稳定的+5V和-5V直流电。可以保证整个系统的持续稳定供电。
图3 双电源自动转换器电源模块
继电器线圈K1端子分别接常用电源U1_L和U1_N,其中两个常开触点接常用电源U1,对应常闭触点接备用电源U2。正常情况下,线圈K1得电,常开触点吸合,常闭触点断开,系统由常用电源供电,当常用电源出现异常无法持续供电时,线圈K1失电,常开触点断开,常闭触点复位,系统继而由备用电源供电。
图4 JQX-13F型交流继电器
MTW5-D5C为小型开关电源模块,该系列电源具有输入电压范围宽(85~265VAC,165~265VDC,50/60Hz),交直流两用,低功耗,高效率,安全隔离等优点。它可以为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器等数字或模拟负载提供电源。因此,它为本系统提供稳定的+5、-5直流电压以及GND结点。
信号调理电路分为220V交流到交流小信号转换电路(图5所示)和交流小信号抬升电路(图7所示)。
2.3.1 交流到交流小信号转换电路
图5 220V交流到交流小信号转换电路原理图
220V交流到交流小信号转换电路包含ZMPT101B型交流互感器和UA741ID型运放:
ZMPT101B为电压型电流互感器,其输入端Vin+接200K限流电阻,它能将220V交流信号转换为2mA低压交流小信号,供下一级负载使用。
UA741ID为高增益运算放大器(单运放),管脚7和4分别接直流+5V、-5V,1、5、8号管脚空置,管脚3为正相输入端接地,管脚2为负向输入端,与电流互感器的输出端Vout+相连,并通过1.5K电阻R2与输出端管脚6相连,达到电压跟随的效果。
经过转换,得到如图6所示的信号波形:
图6 小信号输出波形图
2.3.2 交流小信号抬升电路
图7 交流小信号抬升电路原理图
交流小信号抬升电路如图7所示。CD4051为单8通道数字控制模拟电子开关,通过A、B、C三个二进制输入端来控制选通X0~X7号输入通道,输出端X接由1K电阻R5、R6,二极管D1以及UA741ID组成的信号抬升电路,实现对信号的抬升。UA741ID的输出端管脚6接二极管D2和D3,实现电压钳位作用,把输出信号的电压控制在0~+5V之间,供单片机使用,防止因电压过高损坏单片机。
其输入单片机的电压为:
经过信号抬升,可以得到图8所示信号波形。
图8 抬升后电压波形图
显示模块由LCD1602液晶显示器和LED状态指示电路组成。
图9 1602液晶显示器接线图
如图9所示,LCD1602液晶显示器的数据通道D0~D7接单片机I/O口,引脚VSS和VO之间接2.2K电阻来调节显屏亮度。
图10 LED状态指示模块电路原理图
如图10所示,LED状态指示灯每组有3个不同颜色的LED,分别为红色、绿色、黄色,共两组,分别显示常、备用电源的不同状态。每个LED的功能为:
设计采用C语言作为编程语言,主程序框图如图11所示。首先对单片机的定时器,AD转换器,以及液晶显示器等模块初始化,分别采集常用电源和备用电源的电压信号,并将两者的实时电压值显示在液晶显示器上,然后进入逻辑判断阶段,根据逻辑判断的结果,控制相应的LED的亮灭状态。
当常用电源与备用电源均正常时,电力系统由常用电源供电,一旦常用电源出现异常(停电或者电压波动超过正常电压220V的10%,并且波动持续时间超过3秒)时,自动转换到备用电源供电模式。当常用电源恢复正常,且维持时间超过3秒,切换到常用电源供电模式,实现自投自复的工作方式。
常用电源任一相电压被监测到超出-10%~10%范围时,延时3秒,如果恢复正常,则不动作;如果仍不正常,则发出指令使Q1分闸并使常用电源的“异常”灯闪烁(报警信号)、“正常”灯和“运行”灯熄灭;如果此时备用电源正常,则发出指令使Q2合闸并使备用电源的“运行”灯点亮,自动转换至备用电源。
常用电源恢复正常,则点亮常用电源的“正常”灯,同时延时3秒,如果仍正常,则发出指令使Q2分闸,并使常用电源的“异常”灯和备用电源的“运行”灯熄灭,自动返回转换到常用电源。
图11 主程序框图
实验研究表明本设计提供的双电源转换控制器能够对双路电源的过压、欠压和缺相等故障进行检测,实现两路电源间的可靠切换。使用该型控制器,当主电源发生故障时能准确完成主、备用电源间的切换,从而最大限度地保证供电的连续性。
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杜炎城,山东日照人,昆明理工大学在读研究生。
邴松,山东潍坊人,现就读于山东省诸城市繁华中学。