热控系统直流电源优化改造

张 锦

（国家能源集团吉林江南热电有限公司，吉林 吉林 132011）

0 引 言

热控系统直流电源一旦发生故障，很容易造成机器断电停止运转，情况严重的还有可能直接导致机器损坏，此时如果操作不当会造成人员伤亡。控制系统除了本身出现故障之外，还有可能是控制电源出现了问题。热控系统电源能否稳定持续地工作也关系到控制系统的正常运转。热控制系统为了保证系统可以一直运作，一般配有1个以上的供电电源[1]。供电电源之间不可有连接电路，独立运行的供电电源平均分配供电任务，负责给控制系统的主控制站和由主控制线分出去的几个分控制站供电。为了防止供电电流分为好几条路径导致电压不稳定，一般会在供电电源和控制系统之间连接变压器用来稳定电压[2]。

热控系统的安全保障装置在供电电源出现故障，电压超过系统所能承受的最大数值时启用断电处理。在电压变化较小的情况下启动变压器，不会影响系统的正常运转。

1 热控系统直流电源供电现存问题

热控系统一般需要接触不同的直流供电电源，主控制系统和分控制系统的供电电源在设计上有着细微的差别。电源柜的继电器和主系统中都有电源监视系统，而辅助系统中并没有启用电源监视。供电电源失电之后，电源柜报警系统无法发出断电报警[3]。

热控系统的供电电源只有在发生事故需要维修的时候才会进行维修记录，操作员在日常的使用中并没有记录管理方法和使用以及维护设备的习惯。在发生问题的时候，维修员工只能依靠经验猜测问题原因，浪费大量的时间[4-6]。

热控系统供电电源在工作状态中，要避免紧急情况的发生，但是这种理想状态几乎是不可能实现的，所以在情况发生的时候需要拿出快速解决问题的方案。而热控系统的厂方对待紧急事件发生时的应急方案几乎都是立马关掉电源，这种方式虽然解决效率很快，但是也会给公司造成一定的经济损失。

2 热控系统直流电源优化方案

2.1 扩大电源电压频率范围

变压器的作用是保证供电电源输电的电压稳定，电压输入处于正常的数值范围，续流二极管处于不工作的状态[7]。直流供电电源接入两条输电电路，在一条输电电路不能进行工作的时候使用另一条直流电路。这要求两条直流电路既要连接同一个供电电源，又要保持彼此独立，没有任何节点交叉。电路的整流模块可以实现交流电和直流电的相互转化，所以利用整流模块将交流电改成直流电。如果两条电路的负载差异很大的话，可以另加一条电路进行电压分担。电源相接的两条电路依旧使用直流电，另加的电路根据需要负担的电压决定使用直流电还是交流电。3条电路随时可以进行主电路切换，可以最大程度扩大电源的电压频率范围[8]。

2.2 设计供电电源变压器

变压器是稳定供电电源的重要部分，其作用不仅可以在电压不稳定的时候将电源输电电压稳定在合理范围内，而且还能减弱高电压带来的能量，将电磁电路进行变压隔离。大功率变压器是最常用于供电主电路的变压器。由于功率变压器控制电压的直接消耗，因此其使用寿命都不是很长。在供电电源输入电压变高的时候，变压器的匝数越多等效电容也就越大。

变压器的磁芯材料分为很多种，供电电源的磁芯一般选用电阻率较高的制作材料，电阻率的高低直接影响变压器的整体性能。供电电源变压器的磁芯需要满足饱和磁感应强度强、损耗功率小以及居里温度高3个特征，微晶合金材料是很好的原材料选择。因为变压器磁芯会在电压较大的时候出现放电现象，所以在磁芯外包裹的绝缘体应该选用聚乙烯硅胶。最后设计出的变压器参数如表1所示。

表1 变压器参数

变压器的参数可以根据磁芯的横截面面积进行计算。供电电源要求电压稳定，波动不可超过3%～5%。变压器改良之后完全可以满足该要求。

2.3 热控系统保护电源电路设计

当热控系统发生故障的时候，应该停止供电电源继续工作。降低电流的脉冲，此时应该设计热控系统保护电源电路来对热控系统进行故障保护。电路的核心控制板采用多板结构，每层电路板都负责不同的功能。电源层和信号层之间的有效间隔可以减少电磁的互相干扰，控制板的电压设置为1.5 V[9]。

热控系统电源的电路更换频率较大，除了变压器之外安装功率开关也是保护电路的一种手段。变压器的左右是隔离电磁和控制电压，但其实隔离电磁的作用发挥很小。功率开关会造成电流脉冲突然增大。以上保护电路的方式都有自己的问题，热控系统保护电路的开关应该使用计算机可远程控制的开关，这样在启动保护电路时可以减少保护电路对输电电路的电磁干扰[10]。整流电路中用来控制电路振荡的二极管可以采用抑制二极管，在保护电路的主电源电路和分电源电路之间安插一个滤波变压器，滤波变压器共有两个输电口，分别接在不同的地面端口上。供电电源供电的前期电流很大，保护电路电阻圈的制作要选取直径大的金属线，这样在供电前期电流集中输出的时候不会造成保护电路损坏。电容区间取值为0.3～0.5 μF，其作用是消除噪声对电磁波的干扰，电路耐压应为输出电压的1.5倍。此外，保护电路具有事故预警功能，可以在事故发生前就显示参数异常，提醒管理人员。

3 对比实验

设计对比实验，利用计算机仿真供电电源软件仿真模拟热控系统直流供电电源的供电过程。使用传统供电模式与本文设计的热控系统直流电源进行对比，比较电压突然增大时变压器对电压的稳定情况以及电压从超负荷状态到正常状态所耗费的时间。

3.1 实验准备

实验电路的输入电压要大于居民日常用电电压，设置为300 V，仿真电路的工作频率为50 kHz。整段电流的电压占空比为0.52，电流经过直流滤波的电压为250 V，经过变压器之后输出电压约为150 V，电压占空比为0.45。供电电源在进行输电的工作时段，仿真软件的输出电压和整段电流处于正向相关关系。

本文设计中，系统输出的电压是利用最大占空比决定的，输电程序设定为10 kW的初始电量，核心控制板的型号为DFTY26899940。为了模拟效果更加真实，实验在直流电源为100 V的周边环境下进行。

3.2 测试结果与分析

在实验电流统一的情况下，输出高于输电要求的电压，仿真实验的隶属度函数采用模糊控制器进行选择和确定。仿真结果如图1所示。

图1 电压控制仿真波形

如图所示，在0.05 s内，传统方式和本文设计的方式都成功地将300 V的电压降到50 V以内。但传统方式的电压下降曲线是平缓稳步下降的，而本文设计的方法在0.01 s就实现了降低电压的目的，并且在剩余的测试时间一直保持着电压的稳定。

4 结 论

本文基于热控系统直流电源的现状重新设计了电源构造，并通过对比实验证明了设计电源的优越性。目前研究程度不够深，变压器的多线路设计不够完善，电源电压的控制应该匹配更优质的方案，希望在日后的研究中可以设计出电阻效率更高的电源变压器。