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5kW高頻通信電源整流及監控系統

分類:整流器專題 發布:2017年06月19日 22:38 瀏覽:955次 Tag:
智能化高頻開關電源是一代新型直流電源裝置,它具有高度靈活組合、自主監控的特點。目前應用十分廣泛,尤其在通信領域,因其具有體積小、噪音低、維護方便又可被納入通信系統的計算機監控系統等優點,從而基本上取代了相控穩壓電源。本文闡述了一種5kW通信電源整流模塊及其二級監控系統的實現方案,并給出了部分軟件的流程圖。      1 系統硬件原理   圖1示出整個電源系統的原理框圖。系統中各功能模塊都具有自己獨立的監控功能,可完成對所監控模塊的管理。本文將主要討論高頻開關整流模塊和主監控模塊。   1.1 高頻開關整流模塊   整流模塊是一種智能化高頻開關穩壓模塊,其原理框圖見圖2。它采用無工頻變壓器的整流結構,主要由PWM控制器、逆變器、信號取樣、單片機控制器及負載均流等部分組成。其中逆變器采用IGBT構成的全橋逆變器。PWM控制器采用移相式PWM控制器UC3875,它在單片機80C196KC的控制下,根據反饋的電壓電流值與設定值的差,輸出相移變化的PWM脈沖,經驅動、放大及整形后,控制逆變橋中IGBT的關斷或導通,以改變輸出電壓的大小。      為了實現多機并聯運行的目的,本系統采用了負載自動均流電路,其核心是Unitrode公司的UC3907負載均流控制器。當多機并聯運行時,整流模塊中3907的CSB腳并聯于均流母線CSB上,由于3907采用的是最大電流均流法,所以在均流母線上反映的是輸出電流最大的模塊的電流,當本模塊的電流小于CSB電流時,3907的輸出就會改變3875的反饋電壓值,從而改變PWM控制器移相脈沖的相移,進而改變輸出電壓和電流,使得該模塊電流與最大電流一致,實現自動均流的目的。   為使整個電源系統具有自診斷和人機交互的控制功能,每個整流模塊都具有本身的監控部分,以擔負本地監控以及與主監控模塊通信的任務。整流模塊的單片機所承擔的任務是檢測輸出電壓、電流及溫度,向PWM控制器發送輸出電壓值及最大限流值指令,負責開啟冷卻風扇、告警等,并允許各模塊退出或投入系統。   單片機還定期將本模塊的電壓、電流值及故障情況傳送給主監控模塊,同時也接收來自主監控模塊的命令。模塊間的通信采用RS-485總線方式,接口芯片為MAXIM公司的MAX1480B,該芯片是完整的電氣隔離的RS-485轉換器,具有良好的抗干擾能力,適合應用于惡劣的電磁環境中。   1.2 主監控模塊   系統主監控模塊作為一個獨立的模塊,可監控整個電源系統的工作狀態,控制各模塊的投入和退出,完成人機對話,實現與外部PC或遠端主機的通信。   圖3是該模塊的原理框圖。系統采用Intel公司的80C196KC作主控制器,用本身的TXD、RXD經RS-485轉換后與各模塊通信,又通過外接8250擴展出RS-232接口與PC或遠端主機通信。為實現本地的人機交互操作,系統采用了大屏幕的LCD界面和24鍵的鍵盤,并可直接外掛EPSON1600K打印機。為了滿足自動監控的需要,監控模塊設有8路數字量輸入口,6路繼電器輸出口,5路A/D輸入,3路D/A輸出及兩路告警輸出。      主監控系統檢測直流母線電壓、電流,當電壓或電流大于上限設定值時,便命令整流模塊降壓限流,并根據各整流模塊的工作狀況,決定每個模塊的退出和投入,從而使整個電源系統工作在穩定的狀態下。   此外,為了整個電源系統的安全,主監控系統還對電網電壓的波動進行檢測。當網壓異常時,主監控模塊將切除電網輸入,同時發出告警信號,并記錄故障信息。   2 系統軟件   本系統采用集中管理、獨立控制的模式,各模塊都有自己獨立的監控程序,當個別模塊出現故障時,不會影響整機運行。由于篇幅限制,本文只給出監控模塊的軟件結構。   主監控模塊軟件采用模塊化結構設計,各種功能都由相應的中斷子程序完成。圖4是主程序流程圖。   系統的初始化包括MCU內部控制寄存器的初始化,寄存器區及數據區的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統各傳感器自檢,自檢通過后開放中斷及PTS,并調用顯示初始化子程序,顯示系統主菜單可用鍵盤選擇各子菜單,包括運行參數菜單、狀態菜單、故障記錄菜單及參數設置菜單。其中參數設置菜單僅供具有權限的維護人員使用,須輸入密碼才可進行操作。通信握手通過發送特征碼55H及接收回彈的AAH來確定通信系統的正常與否。   執行完初始化及自檢后,系統進入監控狀態,可接收鍵盤中斷,同時保持串口接收中斷有效。鍵盤中斷子程序如圖5所示。串口數據的發送由子程序調用完成,接收由中斷實現,按數據的不同類型進行相應的處理。串口接收子程序如圖6所示。   由于本系統檢測的模擬量較多,對于A/D轉換,系統采用了80C196KC所提供的新功能PTS中斷。它以微代碼方式運行中斷子程序,此普通中斷速度快,而且由于PTS提供了一種A/D掃描模式,使得對多個A/D處理更為方便。表1是用于實現A/D的PTS中斷的命令塊。   首先在主程序中啟動ACH4的A/D轉換,當該轉換完成時,便引發一次A/D結束中斷,進而產生一次PTS中斷。當PTS中斷執行時,它首先讀取PTS控制塊的內容,如表2所示,依次為命令計數器,命令寄存器,源/目的寄存器和結果寄存器。根據源/目的寄存器的內容,讀取該地址的A/D命令并執行,然后根據命令寄存器的UPDT位的值,將源/目的寄存器的地址加二,把上一通道的轉換結果送入該寄存器,同時計數器減一,這樣完成一個PTS周期。直到計數器為零,PTS中斷結束。         3 可靠性設計及抗干擾措施   ·主電路中主開關采用帶保護的IGBT模塊,并外加snnbber電路。   ·加入冗余整流模塊,個別模塊出現故障時,不會影響整機運行。   ·所有的保護及安全電路都設有全硬件繼電保護,各模塊入口設熔斷保護。   ·為減少電磁輻射干擾的影響,對控制板進行了屏蔽。   ·采用單點接地和隔離電源供電,消除共阻抗回路。數字地線、模擬地線、信號源地線和負載地線分開設置。數字電路、模擬電路和負載電路分別單獨供電,獨自構成回路且單點接地。   ·加強電源退耦,電源線與地線之間加退耦電容。   ·A/D轉換采用軟件濾波,以減小干擾的影響,提高測量和計算的準確性。   ·為防止微機控制器程序執行出錯或進入死循環,設WATCHDOG,超出定時時間后能自動使系統復位。   總之,本系統采用分級控制結構,便于系統的升級和維護,同時也提高了系統的安全性。系統在實驗室調試、運行穩定,下一步將進行產品化的研究。
 
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