小型高壓預充電及配電裝置

王燕玲

摘要：小型化高壓預充及配電裝置可解決容性負載上電時的沖擊電流問題，同時可實現電容放電，提高系統安全性。該裝置可實現用電設備的配電控制，并通過總線實現遠程控制。

關鍵詞：充電、配電、放電、短路

0 序言

直流高壓供電體制系統中，為維持直流電壓穩定，通常在母線上或負載兩端并聯一個或一組大容量電容，起到濾波和蓄能的作用。由于電容在冷態啟動時，相當于短路，會出現瞬間沖擊電流，對電源、設備造成沖擊。現階段，針對該類電容，通常在回路串聯電阻，限制瞬間的沖擊電流，待電容充滿后，切換至高壓繼電器進行配電。

系統中采用串聯電阻進行限流，無保護、體積大、可靠性低等現狀。存在以下缺陷：

a）電容充電瞬間電流較大，限流電阻可限制電流沖擊，則電阻功耗較大，需選擇功率較大的電阻，功率大意味著體積大，導致裝置體積大，浪費空間。

b）電容充電過程中，無保護功能，安全性低。

c）系統斷電后，電容上存在電壓，無放電回路，存在安全隱患。

d）電容的充電時間受限流電阻的影響，時間固定不可調。

1 總方案

研究具有充電、配電、放電功能，適用于高壓系統控制器配電的高壓智能配電控制裝置，同時具備過壓保護、過流保護、過溫保護、負載異常判斷、短路保護功能。該裝置主要由充電單元、配電單元、放電單元、微處理器構成，功能框圖如圖1所示，放電單元、充電單元原理框圖如圖2、圖3。充電單元所示為1個充電支路，也可采用多個充電支路并聯，每個支路有各自的驅動和電流反饋電路，多個支路并聯可增大充電電流，從而縮短充電時間，同時更適用于更大容量的電容，但多個支路并聯會增加整體的尺寸和重量，因此根據負載電容的實際需要確定支路的路數。

對于容性設備進行配電，配電過程主要是：

a）通過總線發送控制接通指令，微處理器接收到接通命令后，打開充電單元進行設備充電，待設備電壓與輸入電壓相等時，關閉充電;

b）關閉充電的同時，微處理器打開配電單元，設備可正常供電;

c）關閉配電后，微處理器打開放電單元，對設備電容進行放電，放電到電壓低于或等于設置值時，關閉放電;

d）放電單元與充電單元或配電單元不能同時打開，軟件中設置間隔時間，可防止同步打開造成功率開關管損壞。

2 詳細原理方案

a）充電單元

充電電路原理是利用恒流源電路充電，具體是采用功率開關管放大區工作特性實現。充電電路主要由充電主回路、PI調節電路、基準電路、電流檢測回路等構成。微處理器接收到總線充電指令后，控制PI調節電路驅動功率開關管導通，充電回路產生充電電流，通過電阻采集充電電流，將電流信號轉換為電壓信號，該電壓經放大后到PI調節電路，直到電壓無限接近基準電壓，再經過PI調節電路，輸出控制功率開關管工作在放大區，實現電容恒流充電。微處理器接收到總線調整基準電壓時，PI調節電路工作，充電回路電流改變，直到電流轉換后的電壓信號無限接近調整后的基準電壓，實現充電電流的可調。

充電過程中，通過軟件判斷固定時間內輸出電壓的變化，從而判斷輸出是否異常。若固定時間內輸出電壓變化低于設置值，且輸出電壓未達到設置值，則判定為短路;若固定時間內輸出電壓變化低于設置值，而輸出電壓達到設置值，判定為輸出異常（阻性負載或容量過大電容）。

b）配電單元

配電單元主要由驅動電路、配電回路、電流采集、電壓采集、短路保護等構成。

配電功能實現過程及工作原理：

1）配電電路打開后，控制驅動電路使功率開關管飽和導通，實現配電;

2）通過隔離采樣電路采集輸入、輸出電壓，實時監測設備工作電壓狀態;采用電流互感器采集輸出電流，實時監測設備工作電流狀態;采用鉑電阻進行溫度采集，實時監測自身溫度;將各采樣值與設置故障值比較，作為過壓、過流、過溫故障的診斷條件;

3）采用去飽和短路檢測方法實現短路保護，功率開關管S極對電源負極短路后，ID電流增大則DS兩端電壓逐漸直到觸發短路保護，關閉驅動電路輸出，控制功率開關管關斷，改變短路檢測回路中電阻阻值可調整短路電流值;

4）工作過程中出現過壓、過流、過溫、短路任一故障，模塊關斷配電輸出，實現對模塊自身和用電設備保護功能;

5）總線接收到關斷指令后，控制驅動電路切斷驅動電壓，從而關斷配電輸出。

過壓保護：容性設備兩端采樣電壓大于微處理器設置的過壓值，關閉配電，實現過壓保護。

過流保護：配電輸出過程中，采樣電流大于微處理器設置的過流值，關閉配電，實現過流保護。

過溫保護：配電過程中，采樣溫度大于微處理器設置的過溫值，關閉配電，實現過溫保護。

短路保護：采用集成了驅動、短路保護的高壓驅動芯片，當輸出短路時，功率開關管的DS端電壓增大到觸發短路保護點時，驅動芯片自動切斷驅動電壓，同時輸出保護信號到微處理器，微處理器通過識別該信號，確認是否短路故障。

c）放電單元

放電電路與充電電路原理相同，采用恒流進行放電。放電電路主要由放電主回路、PID調節電路、基準電路、電流檢測回路等構成。微處理器接收到總線放電指令后，打開PID調節電路，驅動放電主回路工作，電流檢測回路檢測放電回路電流，將電流轉換為電壓信號，直到電壓無限接近基準電壓，放電回路電流保持不變，該電流即為放電電流。微處理器接收到總線調整基準電壓時，放電回路電流改變，直到電流轉換后的電壓信號無限接近調整后的基準電壓，實現放電電流的可調。放電過程中，在規定的時間內，輸出未降低至設置的電壓值，則判定為放電異常。

充電電路與放電電路禁止同時打開，軟件控制時需進行延時處理。

3 特點

該裝置的主要優點有以下：

a）采用恒流充電方式，有效限制電容瞬間沖擊電流，減小啟動時對電源和電容的沖擊。

b）具備充電、配電、放電功能，保護功能齊全，安全性高。

c）裝置可采用一體化結構，集成度高，體積小，相較傳統的電阻限流的方式，該裝置體積大大縮小，適用度高。

d）充電電流及放電電流均可調節，使電容充電和放電的時間可控，適應不同容量電容的要求。

4 結論

該裝置適用范圍廣，可應用于高壓電氣系統中各類容性設備的配電控制，同時可用于阻性負載的配電控制。與現有技術比較，本發明提出的電容充電電路可有效限制容性設備啟動時的瞬間沖擊電流，減小啟動時對電源和設備的沖擊，提高電氣系統穩定性。該裝置體積小，可適用于市場小型化產品需求的趨勢。充放電時間可靈活變換，適應不同容量負載的需求。同時該發明中的充電電路的原理可并聯使用，應用于高壓直流母線中大容量電容或容性負載設備的充電需求。

參考文獻

1、韓靜霖，李國峰，張勇? 一種電壓控制電流源的設計與應用[J]. 電子應用技術，2008.34（8）：64-65.

2、賀國權 一種壓控恒流源的研究[J]，儀表技術，2004（1）：53-54.