电力用直流电源自动调压装置的研制

1　引言

电力系统所需的直流电源，都是由直流电源系统提供的，而直流电源系统的输出为合闸母线和控制母线两部分。合闸母线的电压即为充电机输出电压值,合闸母线的电压高，其作用是为合闸机构提供操作电源。控制母线的电压要比合闸母线的电压低，而充电机在满足给蓄电池正常充电的情况下，其输出电压要高于控制母线电压，要满足控制母线能正常地给电力系统的继电保护装置及信号回路等供电。必须把合闸母线电压降至一定范围，形成控制母线。本文介绍的自动调压装置正是为实现这一功能而设计的。

2　方案选择

设计开始，我们选择方案所遵守的原则为：成本低、性能高、具有高可靠性与稳定性、实用性。

2.1　选用单片机控制方案

选用8031或8051构成的单片机系统，虽然实现起来，十分简便，但是此系统所需外围辅助器件比较多，造成成本过高。另外一重要原因是此种方案对干扰特别灵敏。实际运用，可靠性较差，基于以上二种原因，此种方案没有采用

2.2　选用大规模可编程逻辑器件方案

我们选用了可编程逻辑器件GAL20V8B，进行编程实现。此种方案电路简单，造价不高，但是经实际试验后发现，此种方案的抗干扰能力较差。所以，也不是优选方案，没有被我们采用。

2.3　用大规模逻辑电路方案

采用此种方案后，我们发现实现自动调压功能的电路十分简单，整个成本明显降低，由于采用的逻辑芯片为双向移位寄存器40194B{74194}，此种芯片是一种成熟的芯片，其工作稳定性十分高，造价也十分低。是目前普遍采用的一种集成电路。经实际试验，达到了预期的设计要求。因此我们采用了这种设计方案。

3　移位寄存器40194B的描述

工作真值表见表1，管脚排列见图1,HEF40194B是具有两种控制输入（S0—S1）的双向移位寄存器，具有一个时钟输入脚（CP），一个左移串口数据的控制输入脚（DSL），右移串口数据的控制输入脚（DSR），四位并行数据的输入脚（P0—P3）。一个同步复位输入脚（/MR），四个并行输出脚（O0—O3）。当/MR为低电平时，对芯片进行复位，迫使O0—O3输出低电平。当MR为高电平时，工作模式由S0和S1按表1组合方式工作，串口和并口工作方式是由CP脉冲边沿触发

4　自动调压装置的工作框图如图2所示

5　元器件选择

从图2可看出，所设计的自动调压装置在直流电源系统中是一个独立执行部分，其自动控制电路部分所需的+12V工作电源。是利用电阻从+KM上降压之后。通过7812稳压块直接稳压后而获得，采样回路。利用精密电阻直接降压采样，这样足可以保证采样的精度要求，从而不用采用价格高的霍耳元件，成本大大降低，另外，工作的可靠性与稳定性都比霍耳元件高。比较判断回路，是LM224工业常采用的芯片，其价格低，性能可靠，触发电路采用的是NE555集成电路，移位执行电路采用的是40194B（74194）双向移位寄存器。其工作过程参见表1 驱动电路采用的是BU406（BUX85）高压三极管，此种器件的造价十分低，同时它也是成熟的器件被广泛应用于工业。继电器采用的是JQX58F。这种继电器节点容量大，而且价格低，降压回路采用的是硅二极管组。

6　工作过程

如图2图3示 ，合闸母线（+HM）经过硅降压回路降压后，形成正控制母线（+KM），+KM经自动调压回路采样后，采样值送到比较判断回路，在此处进行比较。如果+KM没有高于预先设好的范围，则触发电路不动作。移位执行电路也不动作，相应的继电器也不动，电路保持原状态，+KM值保持不变，如果+KM超出了预先设好的范围，则比较判断回路发出信号，告之触发电路，触发电路立即发出脉冲，触发移位寄存器，移位寄存器开始向左或向右执行移位，从而使电路驱动继电器动作。继电器相应的节点打开或闭和，来实现硅二极管是串入还是脱离+KM回路，于是实现+KM按电力标准规定的范围内变化，从而实现了自动调节+KM电压。

图 3

7　自动控制电路原理和工作过程

其原理图如图4a 4b所示，图中II单位与I单位是按相应的序号对应连接在一起的，+KM（控制母线）经III-1引入，通过图4b的采样电阻R1和R2，到达I-10，送入图4a中N1（LM224）的2脚与5脚进行比较。在图4a中RP1是调母线欠压值的设定电位器，RP2是调母线过压值的设定电位器， +KM（控制母线）采样后经LM224比较后，从1脚与7脚输出，7脚与1脚的组合状态只有三种可能：01、11、00。8脚与14脚的输出相应有10，00，01三种状态。8脚与14脚的相应三种状态既为图4b中N1与N2的S0与S1组合状态。当7脚与1脚输出为01时，表明此时控制母线欠压，则LED1亮，LED2灭，LM224的8脚为高电平，14脚为低电平，S0、S1为10组合状态送到图4b中的N1与N2，同时图4a N2（NE555）的四脚为高电平，3脚立刻产生触发脉冲，通过I-4送到图4b HEE4019B的11脚，使HEE4019B获得触发脉冲，于是开始右移输出工作。这时图4b N1的15脚输出高电平，从而驱动图4b的Q2导通，相对应的继电器动作，把降压二极管脱离+KM回路。如果此时仍处于欠压状态，则图4b的15脚输出保持不变，14脚马上输出高电平，驱动Q3导通，于是Q3连接的继电器动作，把相应的降压二极管脱离+KM回路-----，如果仍处于欠压状态，则直至图4b N2的13脚输出高电平，Q8导通，相应的继电器动作，把相应的二极管脱离+KM回路，如果调至某一处，如Q4导通后，母线电压进入正常状态，则图4a N1的7脚与1脚输出高电平，8脚与14脚输出为00电平，那么电路进入保持原状态工作方式。假设图4b所有的三极管Q2—Q8全部导通，此时出现母线过压信号，那么图4 a中N1的1脚输出为低电平，LED2亮，N1的7脚为高电平，14脚为高电平，8脚为低电平，图4b中N1与N2开始左移输出工作，图4 a中N2的4脚输入为高，3脚输出脉冲，通过I-4、II-4送到图4b中的N1—11脚与与N2—11脚，N1与N2开始左移工作。图4b中，N2-13脚变为低电平，Q8断开，相应的继电器停止工作。与其对应的降压二极管串入+KM回路，实现降压。如果+KM还过压，那么相应的Q8、Q7----依次断开，直到调到+KM进入正常电压范围。图中III单元的4至10是继电器线圈连接点，III—2是+KM经电阻降压后，给7812集成块供电的接入点。

8　存在的问题及解决办法

在进行带电运行试验阶段，发现有时会有某一个高压三积管（Q2---Q8）被击穿的现象。经反复分析和试验，确定是高压三积管驱动的继电器线圈在系统断电时产生瞬间反向电动势（此时电池组没有接入充电），击穿了三积管，因为继电器是接在+KM上，继电线圈瞬时产生了十分高的反向电动势。解决的办法是在每个继电器线圈上加一个泄放二积管，这个问题就解决了。

9　主要技术参数

降压范围：　0 ～ 45V

额定电流：　20～ 100A

稳压精度：　≤2%

10　结论

该自动调压装置现已大批量投入电力系统运行，用户对该装置运行的可靠性与稳定性给予了高度评价。与此同时，该装置的生产成本却大大降低，达到了设计之初的要求，使我企业的产品在市场竞争中更具优势。

参考文献：

《数字电路逻辑设计》 李大友 主编　严化南 顾喜隆 编著 清华大学出版社　2002年7月