一種輸出脈沖寬度及幅值可調的直流電源裝置

齊向東，沈鵬，李良創，吳澤宇，韓震

（南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000）

0 引言

目前針對開關的低電壓動作特性試驗，廣泛采用專用的開關分合閘電源測試儀對開關進行加量測試，目前的開關分合閘電源裝置無輸出脈沖的限制，即按鈕按壓多長時間，直流電壓輸出即多長時間，同時由于檢修試驗規程和開關防拒動專項工作的要求，需測試開關最低動作電壓值、關鍵二次元器件的最低動作電壓值，當測試量較大時，傳統的開關分合閘電源測試儀需手動調整設置電壓值，準確得出最低動作電壓需進行多次操作，費時費力。本項目在傳統的分合閘電源的基礎上進行改造，可控制直流電源的輸出脈沖的時長和輸出脈沖的幅值，同時可人為設置控制脈沖寬度、低跳起始電壓和步進電壓，自動按步進升壓輸出控制脈沖，完成低電壓動作試驗的功能。

1 本項技術研究概述

在工業領域中，會普遍的應用到可調分合閘電源電源。工業生產中往往會應用很多電壓可調的直流電源，具有一定的要求，即能夠有效的對于電壓輸出的直流供電電源進行調節。

開關電源的優勢特征諸多，比如常見的效率較高，質量較好，而且體重較輕，以往線性穩壓電源、晶閘管穩壓電源當前應用逐漸的減少，符合時代發展需要的就是新型的技術，也就是直流開關穩壓電源。開關電源以脈寬調制集成電路的控制模式，將PWM脈沖輸出，同時運用模擬PID調節器，展開相應的調制脈寬。此控制舉措，具有誤差的情況，以及具有繁雜的電路系統。

本項目中，進行設計輸出電壓大范圍連續可調的功率開關電源，其將ST公司的高性能單片機μpsd3354為控制核心，PWM波產生是通過單片機形成，數字化的控制開關電源的主電路執行，電路簡單，功能強大。

2 可調分合閘電源工作原理

2.1 系統原理

本功率直流電源系統的構成，涵蓋了兩部分，其一開關電源的主電路，其二控制電路。二者產生的作用不盡相同，前一種是對于電能展開相應的處理，后一種發揮出的作用即為處理電信號，負反饋形成自動控制系統。PWM控制，屬于開關電源這種技術的控制方案，并且得到相應的偏差，也就是經對比給定量和反饋量的方式所獲，然后進行PWM輸出控制，中間的渠道就是需要依靠數字PID調節器這一設備。單片機系統，可以進行PID調節的控制，同其也是進行PWM輸出的重要途徑。

2.2 系統整體設計

圖1為單片機控制功率直流電源結構框圖。其中幾項關鍵性的構成內容就是電網濾波、整流濾波、功率轉換、整流濾液、驅動/保護、傳感器、單片機、輔助電源等。

圖1 單片機控制功率電源結構框圖

首先，可調分合閘電源主電路設計方面。進行轉換DCAC-DC過程中，需要依賴于一定的渠道，也就是指開關電源主電路，系統主電路如圖2所示，應用的設備就是全橋型DC-DC變換器。其中應用到了IGBT模塊，BSM 50GB120DN2系列，各模塊的結構屬于半橋的狀態，全橋系統中模塊構成均是2個。模塊內有快速續流二極管的構成。

圖2 功率直流電源主電路圖

其次，在控制電路結構框圖方面。其中的重要程序內容涉及到的環節就是電壓傳感器、矩陣鍵盤、互鎖和緩沖電路、輸入過壓保護、輸出過流保護、輸入欠壓保護、輸出過壓保護、數碼管驅動、數碼管顯示等等方面。ST公司的μpsd3354單片機為核心，控制電路，應用到的就是做功率直流電源。控制電路功效多種多樣，典型的就是閉環調節、電壓采集、A/D轉換等等。控制電路中單片機系統、電壓采集電路、顯示電路等不可缺少。結構框架詳見圖3，PWM輸出控制功率，進行開關的導通、關斷時間的轉化，輸出電壓的狀態，達到平穩的狀態，A/D轉換以后輸出電壓，電壓閉環。開關電源工作期間單片機PID對于PWM占空比展開相應的調節。

圖3 控制電路結構圖

3 儀器使用介紹及功能測試情況

技術參數：其中包括的內容詳見以下幾方面指標：輸入電源：AC220V±10%，50Hz±10%；固定交流輸出：AC220V±10%，50Hz±10%；試驗電源輸出：DC30～ 250V數字可調；瞬時工作：20A；步進電壓可選：1V、3V、5V；脈沖時間可選：50ms-10000ms。

主要涵蓋的內容包括以下幾方面：動作電壓：設置控制脈沖寬度、低跳起始電壓和步進電壓，自動按步進升壓輸出控制脈沖，完成低電壓動作試驗；額定電壓：設置額定動作電壓，按額定電壓百分比輸出控制脈沖，完成額定電壓試驗；輸出保持：保持輸出設定的控制脈沖，直至停止按鍵的選擇；固定交流輸出：輸出AC220V。

另外，在進行儀器測試的方面上，主要的程序就是：依次設置“控制脈沖寬度”、“低跳起始電壓”和“步進電壓”后，進入動作電壓試驗界面（如上所示）；此時儀器的直流輸出電壓就是“當前電壓”，選擇【合閘】或【分閘】按鍵，即輸出一次合閘或分閘控制脈沖，實時輸出的電壓顯示在“動作電壓”處，而“當前電壓”自動按步進電壓升壓并顯示；如果斷路器沒有動作，則再通過按【合閘】或【分閘】按鍵進行一次輸出，直至斷路器動作。按【返回】按鍵，退出動作電壓試驗。

4 結語

在本項目中，進行研發設計了高性能單片機μpsd3354為控制核心的輸出電壓大范圍連續可調的功率開關電源，PWM波是通過單片機直接產生，實現了數字控制開關電源的主電路，不僅有較強大的功能，而且具有比較簡單化的電路構造。本項目的研究成果可廣泛應用于電力試驗，人為控制直流電源的輸出脈沖的時長和輸出脈沖的幅值，設置控制脈沖寬度、低跳起始電壓和步進電壓，自動按步進升壓輸出控制脈沖，方便快捷的測出開關或者二次元器件的最低動作電壓值，確保測試過程低風險和高效率，給電力系統的安全穩定運行提供保障，產生很好的經濟效益和社會效益，可以進行推廣運用，未來進行積極的創新發展。