电解法处理船舶压载水大功率恒流源系统设计

孙前刚，潘李云，刘 刚

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

电解法处理是获得国际海事组织资助的一项非常有前景的去除船舶压载水中生物和病原体的技术。现有电解法压载水管理系统基本由活性物质浓度检测单元、电解电源、电解槽、控制单元组成，电解电源是整个系统的核心组成部分[1-2]。采用集中式供电的电解电源系统表现出其局限性，分布式直流供电系统克服了传统集中式供电存在的难以实现余度供电和不间断供电等缺点[3]，且系统模块化程度高，容易实现扩展，且具有较高的可靠性。

电解电源具有小电压、大电流的特点，为了得到大的输出电流，采用并联均流技术可提高输出电流。常用的均流技术有：主从设置法、平均电流自动均流法、自动主从控制法等。这些方法针对恒压源使用，对于恒流源的并联并不适用。采用数字方法实现均流调节，具有控制策略灵活多样、均流精度高的优点。数字方法由于不存在模拟电平的均流母线，干扰小，均流可靠性得以提高，并且很容易做到单个模块故障时不影响与其并联的其它模块的正常运行[4-7]。

针对电解电源的需求，本文基于CAN通讯和分布式供电架构设计了16台恒流源模块并联的大功率恒流源系统，其中每台电源输出60 V 82.5 A，该电源系统输出电流0～1 000 A范围内连续可调。

1 基于CAN总线和分布式供电的大功率恒流源系统

1.1 系统总体框架

大功率恒流源系统总体框图如图1所示，由监控单元、功率变换单元构成，功率变换单元由N个电源模块并联组成，实现对输入交流380 V到直流电的转换，输出的直流电给电解槽供电。监控单元一方面通过MODBUS与电解法压载水处理系统控制单元通讯，获取输出电流基准;一方面通过CAN总线与功率变换单元中的电源模块通讯，控制电源模块的输出。

图1 大功率恒流源系统总体框图

1.2 系统控制原理

图2 大功率恒流源系统控制框图

1.3 系统工作原理

控制单元通过MODBUS实时更新恒流源系统总输出电流设定值；控制单元与各个电源模块轮询通讯，实时监测电源模块的状态参数；电源模块报故障或者通讯失去连接时，认为电源模块故障，根据该判定，统计出目前在线正常工作的电源模块个数，得出电源模块输出电流设定值；控制单元通过CAN总线广播下发电源模块输出电流基准；电源模块根据输出电流设定值输出相应的电流。

2 电源模块工作原理

电源模块主拓扑采用有源因数校正(APFC)+DC/DC两级变换方案，前级采用有源功率因数校正实现功率因数控制和电流谐波抑制，DC/DC模块级完成隔离和降压变换，输出用户所需要的电压等级，这种方案既能满足功率因数要求，又具有较高的设计灵活性和通用性。

APFC在电路结构上主要包括三相电抗器、三相全控桥、输出滤波、运算控制器、驱动器与采样信号调理电路，三相电抗器对高频开关信号呈高阻状态，确保电网电流的谐波含量处于可控范围，三相全控桥接收驱动器转发的脉宽调制(PWM)信号，按照驱动波形进行开关变换，运算控制器处于采样调理电路后端，根据采样值产生合适的PWM波形，控制三相全控桥的动作行为。

DC/DC变换器采用适合中、大功率直流变换器的零电压零电流开关(FB-PS-ZVZCS)移相控制，具有自适应死区设置，适应负载变化时不同的谐振软开关要求。同时功率器件选用低导通电阻的MOS管，使得它的功耗更小，工作频率更高，提高了变压器利用率，降低了开关损耗。

图3 电源模块电路框图

3 监控单元

3.1 硬件设计

监控单元是大功率恒流源系统的核心控制部分，需要具备如下功能：

(1) 总输出电流采样功能，获取恒流源系统总输出电流；

(2) 总输出电压采样功能，获取恒流源系统总输出电压；

(3) CAN通讯功能，完成与功率变换单元内N个电源模块的控制和状态查询；

(4) RS485通讯功能，完成与压载水系统控制单元的通讯，获取总输出电流的基准值和状态上传；

(5) RS232通讯功能，实现与触摸串口屏通讯，实现恒流源系统状态的本机显示以及本机输出电流基准值设置。

根据上述功能设计了基于STM32F103C8T6的监控单元硬件框图，如图4所示，包含电源电路、JTAG电路、时钟电路、CAN接口电路、RS232接口电路、RS485接口电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路等。

图4 监控单元硬件框图

3.1.1 控制器最小系统电路设计

本文选择控制器型号为STM32F103C8T6，最小系统电路设计如图5所示，包括STM32F103C8T6芯片、BOOT电路、晶振电路和复位电路，芯片供电电压为3.3 V[8]。

图5 控制器最小系统电路设计

3.1.2 输出电压采样电路设计

本系统输出电压为0～60 V，本文采用ACPL-C87B对输出电压进行隔离采样。应用ACPL-C87B的输出电压采集电路原理图如图6所示，调整分压电阻R1/R2比值以按比例降低线路电压值至ACPL-C87B的线性输入范围(0～2 V)。

图6 输出电压采样电路

Vin最大为60 V，R2选择10 kΩ，计算得R1为290 kΩ，选择294 kΩ阻值。C1选择100 pF，R2和C1构成低通滤波器，U1为ACPL-C87B，增益为1 V/V，U2、R3、R4、R5、R6构成差分放大电路，将差分输出转换为单端输出信号，并构成一个低通滤波器，运算放大器U2选择OPA237，将输入电压0～60 V调理至0～2 V范围送到STM32F103C8T6芯片的ADC_IN0进行采样。

(1)

选择R3=R4=10 kΩ，R5=R6=10 kΩ，则：

(2)

3.1.3 输出电流采样电路设计

本系统输出电流最大值为1 000 A，本文选择LEM公司的LT1005-S霍尔电流传感器对输出电流进行采样。

输出电流信号调理电路如图7所示，运算放大器U4选择NE5532，R93和C97构成1个低通滤波器，U4A为一级跟随器，U4B、R8、R9、R10、R11构成差分放大电路把差分信号转换为单端输出信号，R12、C10构成一级低通滤波器，将输出电流0～1 000 A调理至0～2.5 V范围内连接至芯片的STM32F103C8T6的ADC_IN1进行采样。

图7 输出电流采样电路

3.2 软件设计

系统上电或复位后，便开始执行主程序，首先执行初始化功能，其主要工作包括系统初始化(串口初始化，CAN控制器初始化，清除标志寄存器，系统时钟初始化，定时器初始化，中断初始化)，清除中断悬挂寄存器，设置中断屏蔽寄存器等。主程序主要的任务是完成与电源模块的CAN总线通信、与触摸屏的RS232总线通信、与压载水控制单元的RS485总线通信及恒流源系统输出电流、输出电压采样，监控单元主程序流程图如图8所示。

图8 监控单元主程序流程图

4 实验举例

4.1 系统需求

大功率恒流源系统性能指标参数如表1所示。

表1 大功率恒流源系统性能指标参数

4.2 实验结果

大功率恒流源系统输出电流分别为320 A、600 A和1 000 A时电源模块电流数据如表2所示。计算得输出电流分别为320 A、600 A和1 000 A时电流均衡度为97.0%、97.1%和99.56%，均满足系统电流均衡度大于95%的要求。

表2 输出电流分别为320 A、600 A和1 000 A时电源模块电流数据

5 结束语

本文以电解法处理船舶压载水大功率恒流源系统作为研究对象，基于CAN总线和分布式供电设计了模块并联方式的大功率恒流源系统。实验表明，该系统输出恒流精度和电流均衡度好，该技术可根据实际功率容量需要灵活变更并联模块数量，为大功率电源系统的设计提供了一个灵活、可靠的解决方案。