操作电源（共3篇）
操作电源 篇1
1 引 言
随着人类社会向智能化的方向发展,嵌入式应用也逐渐迎来了新的发展前景[1]。各种嵌入式电子设备迅速进入人们的生活当中,其更新速度也超乎想象,其中最为突出便是便携式设备。对于采用电池供电的便携式设备而言,降低能耗已经成为重要的性能指标。便携式终端所处工作环境、多样性的任务特征、性能约束和操作系统对任务管理的调度使得电源管理决策因素变得更加复杂和不确定性。便携式终端设备的硬件电源状态转换的固有能耗和时间开销也是电源管理决策的重要因素之一。
从电路设计方面降低局部器件功耗是应用了传统的硬件低功耗技术,任务的运行特征不在考虑范围内,降低能耗的程度和范围都比较局限性。在系统运行期间,操作系统能够根据运行状态,动态调节系统部件功耗,以达到降低系统功耗的目的[2]。因此,如何根据系统的工作负载的复杂性和不确定性因素进行电源管理决策和控制,并且在不降低用户可察觉的系统性能情况下降低系统功耗,成为便携式终端设备操作系统研究领域的热点研究问题。
2 传统系统电源管理
电子电路的总能耗由活动能耗和静态能耗组成。电子电路工作或逻辑状态转换时产生动态能耗,晶体管漏电流时产生静态能耗。处理器由多重CMOS电路构成,下面的公式显示了功率P,门电容C,开关频率fc和供电电压Vdd之间的关系[3]:
式中C是一个常量,fc为时钟频率,Vdd为电源电压,IQ为漏电流。公式的第一部分为活动功率,第二部分为静态功率。
式中E表示功耗,t表示时间。由式( 1) 、( 2) 可推导出功耗计算公式:
对于软件而言,静态功耗是不可控制的。因此在软件层设计与实现系统级的动态电源管理时,是重点控制 活动功耗 来达到降 低系统功 耗的目的[4~5]。
于是引入了动态电源管理这一概念。这一概念是由Stanford大学的Benini等人提出,其主要内容为: 根据工作负载的变化,选择性地使系统的部件为低功耗状态或者直接关闭空闲状态的系统部件,以最小的活动部件数目或最小的部件功耗来供给系统所需要服务和性能级别。嵌入式系统电源状态被预定义了如下基本等级[6~7]: On,设备被打开并处于运行状态; system Idle,设备处于空闲状态; Suspend,设备处于待机状态; Off,设备处于断电状态。
美国WindRiver公司开发与设计了Vx Works嵌入式实时操作系统,其支持32位及以上的嵌入式微处理器[8~9]。在Vx Works操作系统中,其电源管理策略主要应用于CPU内核的电源管理,涉及到操作系统外设的电源管理较少,因此可以将传统系统电源管理策略引入到Vx Works操作系统电源管理中。
3 Vx Works 系统电源管理关键技术
系统电源状态的划分只是一个逻辑上的定义,其具体的表现依赖于在各个电源状态中的外设的实际功耗情况。下面以智能手机为例,对Vx Works下的电源管理进行阐述。
3. 1 Idle 状态细划
智能手机有着更为复杂的用户操作场景,只靠一个idle状态显然是不够的。因此idle分为三个状态等级: 用户空闲( user - idle) 、系统空闲( sys - idle) 、系统深度空闲 ( sys - deep - idle) 。user - idle状态时CPU工作频率不变,只是涉及用户感官的某些外设状态发生改变,如LCD显示屏亮度变低等。user - idle状态维持一段时间后,系统再进入sys - idle状态,此时CPU频率变低,大部分外设进入低功耗状态,如显示屏关闭、触摸屏关闭等。在sys - idle状态维持一段时间后,进入sys - deep - idle状态,CPU时钟频率关闭,并同时保持监测中断请求,其他时钟频率不发生任何变化。设置user - idle状态可以有效避免CPU在on状态的大功耗。由于在这个状态下,实际上还有线程占据着CPU,因此整个设备无法进入sys - idle状态。
3. 2 异常处理状态设定
建立异常处理状态有效地避免不必要的能耗损失。由于系统处于待机状态时,经常会被各种各样的中断源唤醒,有些必需用户来处理的中断( 如来电、按键等) ,此时由suspend状态转换到on状态是没有什么问题的。但是一些没有必需用户来处理的中断,若也转换到on状态,那么就会造成不必要的功耗损失。于是为系统电源状态新增了一个异常状态( unusual) 。unusual状态可以作为逻辑处理层存在,如果需要用户进行处理,直接转换到on状态,否则在一定的时间内返回到suspend状态。
3. 3 倍频状态引入
由于处于on状态时,并非需要CPU来处理大量的工作,那么CPU可以工作在高于低频率,低于高频率下,因此在on状态即可达到降低功耗的目的。但是有时候需要CPU处理大量的工作线程,那么就需要CPU有足够的能力来处理,因此在此新增加了一个倍频状态( multi - speed) 。
电源状态如图1所示。
电源状态管理逻辑如下:
on to multi - speed。当CPU需要处于大量的工作线程时( 如视频播放、上网等) ,设备跳转到multi- speed状态。此时,CPU处于高工作频率状态,其频率较高于on状态。
on to user - idle。当定时器超时时,电源状态由on状态转移到user - idle状态,此时某些外设根据系统电源状态映射相应的设备电源状态,如LCD屏变暗等。此时CPU仍然处于on状态时的工作频率。
user - idle to sys - idle。当内核没有任何线程在运行时,电源状态就由user - idle状态转移到sys- idle状态,然后CPU等待一个内部中断。此时,CPU降频工作,即CPU处于比on状态还要低的频率状态。大部分外设进入低功耗状态,显示屏关闭,触摸屏关闭,键盘服务关闭等。
sys - idle to sys - deep - idle。当定时器超时时,电源状态由sys - idle状态转移到sys - deep - idle状态,此时CPU时钟关闭,并同时保持监测中断请求。其他时钟频率不发生任何变化,但是中断发生时,处理器将进入on状态。此时,所有的芯片组资源仍然保持活动。
user - idle / sys - idle / sys - deep - idle to on。当出现一个内部中断时,电源状态由当前状态转移至on状态。
sys - deep - idle to suspend。当定时器超时时,系统电源状态将由系统深度空闲进入休眠状态。此时,除RTC和AON外的其他所有外设都进入掉电状态,ARM子系统、ARM核、DDR控制器都处于power off状态,外设时钟全部被停止,DDR进入selfrefresh状态。此时系统电源状态将依赖RTC或外部中断源来唤醒,使其从suspend状态转移到on状态。
suspend to unusual。若外部中断源或RTC需要用户来处理,电源状态将转移到on状态,如用户电源按键、通信模块中断等。
unusual to suspend。如果某些外部中断或事件不需要用户来处理,则系统电源状态将在一定的时间内转回到suspend状态。如某些异常中断或错误信号,都会导致这一动作的执行。
根据式( 2) 和式( 3) 可以推导出上述电源管理总动态功耗计算公式:
式中Txx表示处于xx状态的时间段,sysidle1表示sys - idle状态,sysidle2表示sys - deep - idle状态,表示系统各个电源状态的总功耗。
4 电源管理仿真与性能分析
4. 1 电源管理策略分析
系统电源状态的转换是由一组定时器来控制的,每一种电源状态都有一个对应的定时器。当进入某电源状态时,该电源状态对应的计时器就开始计时。图1中提出的系统电源状态转换方案转移分为自然转换和强制转换。
系统电源状态进入某一状态时,该状态的定时器开始计时,当计时器到达时,系统电源状态进入下一电源状态,这种类型的电源状态转换叫作自然转换。当计时器未到达时,转换到另一种状态时,叫作强制转换。当系统启动,在任何状态没有强制转换操作( 如来电等) 时,系统电源就会顺着电源状态转换图1自然转换进入suspend状态。在自然转换的过程中,任何强制转换操作( 如按键、来电等) 都会使系统电源状态进入power on状态。
4. 2 仿真与性能分析
本设计方案应用TMS320DM6446芯片,在VxWorks系统下电源管理中的CPU的动态功耗进行仿真,并进行分析。CPU在各个电源状态的相关参数如表1、表2。表1为CPU在不同的电源状态下的工作频率; 表2为不同电源状态下CPU电源状态。
表2中," O" 表示电压供给打开," × " 表示电压供给关闭。不同电源状态使CPU电源关闭状态,达到节能目的。
综合上述电源管理策略及CPU相关参数,得出一组模拟用户的CPU功耗对比,如图2所示。
图2中的x - 轴表示模拟过程中,整个系统运行时间; y - 轴表示系统运行过程中,CPU的功率。
这是一组40分钟内模拟用户使用的CPU的功率对比图,实线表示传统电源管理策略下CPU的功耗,虚线表示Vx Works系统电源管理策略下CPU的功耗。传统电源管理策略下CPU在40分钟内的平均功耗为56. 18m W,Vx Works系统电源管理策略下CPU的平均功耗为43. 64m W,采用Vx Works系统电源管理策略,电源功耗节省22. 3% 。从中可以得出结论,在Vx Works系统下的这一电源管理策略明显低于传统电源管理策略下的功耗。
5 结 论
本文提出从软件层实现Vx Works操作系统下的电源管理策略,达到降低功耗的目的。此电源管理策略已经应用于工程实践,实际性能与仿真一致。
操作电源 篇2
UPS（Uninterruptible Power System），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。
UPS电源安装时，对场地、环境的要求如下：
（1）首先设备就位场地应该是“工业类型”的硬质水泥型的水平地面，如果采用防静电活动地板，则需要在考虑到地板的平均负荷量的基础上，还要根据UPS的重量来设计制作供安装设备的托架。
（2）对于多数大型UPS来说，它的标准机型的电缆为下进下出型。UPS机柜的通风的进气口位于机柜的正面或侧面，出气口在机柜的上部或后面。所以，在安装UPS时，要求用户事先准备好电缆敷设地沟。地沟的尝试为40cm左右。当用户采用桥架电缆敷设时，应选用电缆为上进上出型的机型。
（3）UPS供电系统应安装在具有通风良好、凉爽、湿度不高和具有无尘条件的清洁空气的运行环境中。尽管一般的UPS所允许的温度范围为0℃～40℃之间。然而，如果条件允许时，应将环境温度控制在35℃以下。UPS厂家推荐的工作温度为20℃～25℃。湿度控制在50%左右为宜。此外，在UPS运行的房间里不应存放易燃、易爆或具有腐蚀性的气体或液体的物品。
在实习期间，我对于UPS的安装，采用如下步骤：
第一步，UPS电源的安装前的准备：首先要做开箱检验，先拆开包装材料前，请先检查外包装箱是否在运输过程中受到碰撞损坏。然后拆开包装取UPS，检查UPS本机是否在运输中损坏，检查随机附件，如果有损坏或缺少，不要开机，先通知经销商，派人员前来检查。千万不能将UPS安装在具有金属导电性的尘埃的工作环境中，这样就会导致设备产生短路故障。也不适合将UPS安放在靠近热源处。不管所配的UPS蓄电池组是否配有带温度补偿的充电器。为了确保蓄电池组的使用寿命，应该将蓄电池房的温度控制在20℃～25℃之间。UPS的左右侧一定要保持有50mm的空间，后面有100mm空间，以保证通风良好。UPS前面应有足够的操作空间。UPS最好不要靠墙安装，UPS与墙之间要留有1m左右的距离，这样比较方便UPS的日后的维修。
第二步，进行UPS电源的电池箱的连接。首先对于外接电池箱的连接，系统需要接入两组电池组。确认电池组数量符合UPS的规格要求（每组32节12V电池串联），连接好电池组，用电压表测量，串联之后的电池组应在384Vdc左右。
然后，确定电池箱开关在“OFF”位置。再卸下端子台盖板，用电压表确认UPS输入/输出端子台上的电池接线端无直流电压。再分别将电池组的正板（红色），负极（黑色）接到UPS输入/输出端子台的电池接线“+”端和“—”端，并拧紧固定螺丝，注意千万不要将电池的正、负极接反。
第三步，进行UPS电源的输入输出连接。对于UPS输入输出连接，在接线前，要先确认所有输入、输出空开均置于“OFF”状态。然后将输入线（三相火线、零线、地线）分别连接到相应的输入端子上，并拧紧固定螺丝。接线完毕后要装上UPS端子台盖板。
第四步，进行不间断电源与计算机连接安装。此步骤是在上述UPS设备的物理安装之后进行的。具体步骤如下：
（1）首先打开“控制面板”中的电源选项。注意，在Wind owsXP中安装UPS设备必须以管理员或Administrators组成员身份登录才能完成。当你需要打开“电源选项”时，依次单击“开始”→“控制面板”→“性能和维护”，然后单击“电源选项”即可。在“控制面板”中使用“电源选项”可以调整计算机硬件配置所能支持的任何电源管理选项。“电源选项”会自动检测计算机上的可用信息，并只显示你可以控制的选项。
（2）然后在“UPS”选项卡上单击“选择”。
（3）再在“UPS选择”对话框的“选择制造商”下单击计算机所连UPS的制造商。（4）接下来在“选择型号”下单击计算机所连UPS的型号。
（5）最后在“端口”下单击连接UPS的串行端口，然后单击“完成”即可。第五步，进行安装收尾工作。首先，要检查接线是否与安装手册相符，并核对相序。清点工具，以免遗留在UPS机柜内。盖好UPS的安全挡板、顶盖和侧门板。清理并打扫UPS机柜周围的场地。不间断电源的操作
第一步，进行UPS电源上电。在第一次开机时，按以下顺序合闸：储能电池开关→自动旁路开关→输出开关依次置于“ON"。然后按UPS启动面板的“开”键，UPS电源系统将徐徐启动，“逆变”指示灯亮，延时1分钟后，“旁路”灯熄灭，UPS转为逆变供电，完成UPS开机。经空载运行约10分钟后，按照负载功率由小到大的开机顺序启动各个负载。
第二步，进行UPS电源的模式设置。UPS电源有有两种工作模式：电池模式和市电模式。任何机型都有一个市电输入电压范围，市电超过这个范围就会转换为电池模式，当市电频率波动很大，也会造成电池模式和市电模式频繁的转换。再就是当检测不到市电时，市电灯会一直闪。
第三步，进行UPS电源的电池管理与检测。在测试程序方面，大多数UPS是将测试时间间隔设置为24h;每次测试放电时间为6min，UPS采取恒功率放电，由于不受负载波动的影响，所得参数较准确。
在UPS中设计安装了蓄电池接触器，蓄电池接入系统由UPS自动控制，避免了由于蓄电池的开关闭合时间不当带来的人为故障。每次放电测试后，UPS均会对测试数据进行记录和分析，并显示分析结果。UPS的蓄电池自动检测确保UPS在蓄电池检测时的可靠性，蓄电池测试在以下情况将自动执行检测。(1)系统启动后的60s。(2)市电中断时。(3)市电恢复后24h。(4)测试失败后的60s。(5)手动命令。
也可以用传统的检测方法但是若检测频度高，放电时间长、蓄电池放电容量大(20%)，故不可能进行如此频繁的测试，否则将影响蓄电池的使用寿命。而自动检测测试持续时间短，每次只需6s基本不消耗蓄电池容量。这样，即使在蓄电池检测后立刻发生市电停电的情况，UPS的后备时间也不会受到损失。第四步，进行UPS电源的关机。首先要将电脑或其它仪器依次关闭，让UPS空载运行10分钟之后，等待其内部的热量基本排出之后，再按UPS面板的“关”键。使UPS处于旁路工作而充电器继续对电池组充电。如果需要UPS无输出，将UPS关机，最后再将输入市电断开。实习体会与感想
通过本次的实习，我还发现自己以前学习中所出现的一些薄弱环节，并为今后的学习指明了方向，同时也会为将来的工作打下一个良好的基础。但这次的实习为我们提供了一个很好的锻炼机会，使我们及早了解一些相关知识以便以后运用到以后的工作中去。总体来说，这次实习不仅仅是锻炼了我操作方面的一些技能，同时，经过这次实习，我还从中学到了很多课本上所没有提及的知识，还有就是在就业心态上我也有很大的改变，以前我总想找一份适合自己爱好，并且专业对口的工作。可现在我们都知道找工作很难，要专业对口更难，很多东西我们初到社会才接触、才学习。所以我现在要建立起先就业再择业的就业观。应尽快学会在社会上独立，敢于参加与社会
操作电源 篇3
关键词：有源逆变,蓄电池放电,DC/DC,DC/AC
0 引言
电力直流操作电源系统通常由蓄电池组、充电器、馈线、检测、监控等组成, 作为变电站 (所) 的控制、信号、操作、保护及自动装置、事故照明等设备的控制和操作电源。是变电站 (所) 正常运行的重要环节。
蓄电池组作为能量储存及转换的装置, 是该系统的核心, 因此对蓄电池组的维护及检修成为站内二次工作人员的常规内容。在蓄电池组维护过程中, 为活化蓄电池、测量蓄电池容量, 须定期 (半年或一年) 对蓄电池进行充放电试验。目前较多采用的是电阻放电装置, 将电能转化为热能, 该种放电方式简单, 易于操作, 造价低。但这种放电方式存在以下弊端: (1) 需要专业人员进行跟踪, 劳动强度较大。 (2) 放电电流无法保持恒定, 对蓄电池测量结果有较大偏差。 (3) 装置释放热量较大, 对设备环境形成安全隐患。
有源逆变蓄电池放电装置可将直流电转为交流并回馈电网, 该装置采用DSP数字控制技术, 结合高频开关整流技术及直流监控单元, 可设定放电电流及放电终止条件, 计算蓄电池容量, 具有高可靠、高集成性的特点。
1 有源逆变放电系统的原理及组成
1.1 逆变放电装置原理
装置由DC/DC和DC/AC两个功率单元组成, 除此之外还有辅助电源、输入输出检测保护电路、切换电路。直流输入经EMI滤波以满足输入电流谐波及EMC标准。DC/DC变换经过高频变压器输出后经整流滤波输出DC, 用于后级DC/AC全桥逆变电路工作输出AC220V。可控硅切换作用是可切换逆变模块为逆变输出还是回馈电网。
辅助电源为两种, 一种在DC/DC变换之前, 利用直流输入产生控制电路所需电源。另一种利用交流电网输入产生控制电路所需电源。输入检测实现输入过欠压检测。DC/DC, DC/AC检测保护电路包括输出电压电流检测, 风扇温度检测等, 用于对DC/DC、DC/AC进行控制和保护。485通讯用于实现通讯功能。
DC/DC, DC/AC变换控制电路可控制蓄电池恒流放电, 并将直流电压变换为整流逆变电路所需的电压。蓄电池放电设置电流与实际电流进行比较, 误差信号经过内部调节器送入控制器, 控制器产生控制信号, 经驱动电路驱动后控制IGBT元件, 即可使实际放电电流跟踪给定电流, 达到恒流放电的目的。如整流逆变电路故障无法向电网回馈交流电, 而此时直流变换控制电路仍处于恒流放电状态, 会引起直流侧电压升高。为避免设备过压, 在控制电路中引入电压限压控制环, 当直流侧电压高于设定值时, 电路转换为恒压控制。
1.2 系统配置方案
本文举例在10～110kV变电站 (所) 应用案例的系统组成:充电器、监控单元、检测单元, 逆变放电装置。原理图如下图2所示 (图中仅表示各部件间电气联系, 省略必要的保护器件) :
配置表:充电器:艾默生ER22010/T;蓄电池:理士DJ200;电池巡检仪:艾默生EBU01;监控单元:艾默生EMU10;检测单元:艾默生EDU01;逆变放电装置:艾默生UBI3KVA-220F;谐波表:斯菲尔PA2000。
2 案例分析
本文举例国内某35kV地面变电站, 采用一体化成套电源柜, 配置200Ah (10小时放电率) 蓄电池一组 (104只) , 40A充电器一组, 一台3kVA有源逆变放电装置, 一台监控单元及一套检测单元。
该站仅有一组蓄电池, 站内常规负荷电流小于10A, 蓄电池长期处于浮充电运行状态。采用的放电维护方法是:每年以实际负荷做一次核对性放电, 放出额定容量的30-40% (10小时率60Ah~80Ah) ;每3年做一次容量试验, 放电深度为80%C10 (即160Ah) 。
采用有源逆变放电装置进行放电试验, 由监控单元通过通讯接口 (RS485) 设定放电电流 (10小时放电率电流20A) , 放电终止电压 (2V×104=208V) 。监控装置发出关闭直流电源命令, 启动有源逆变放电装置。电池巡检仪实时检测每只蓄电池的电压并通过通信口 (RS485) 上传给监控单元, 当电池总电压低于208V时或单只电池电压低于2V时, 监控单元发出关闭有源放电装置命令, 重新启动直流电源。放完电后立即用20A电流进行恒流限压充电→恒压充电→浮充电, 反复放充2~3次, 蓄电池组容量得到恢复。
放电过程中在监控单元显示屏中观察, 蓄电池放电电流上限为20.02A, 下限为19.98A, 纹波系数不超过0.1%, 说明蓄电池放电电流为恒定。输出交流侧采用电力多功能谐波表检测, 输出电流波形接近理想正弦波, 且与电网电压反向, 说明该装置为向电网回馈能量模式运行, 谐波表显示交流输出电流谐波总畸变率THD≤3%。
3 结语
本文采用一体化直流操作电源设备, 应用逆变电源设备, 实现在线控制蓄电池放电并回馈电网, 具有以下特点: (1) 将蓄电池放电能量回馈电网, 避免采用电阻假负载放电发热造成的各种隐患; (2) 放电装置为恒流放电, 更准确计算蓄电池容量, 在线侦测蓄电池特性。 (3) 整流、逆变装置均可热插拔, 维护方便。
参考文献
[1]易映萍.单相正弦波逆变蓄电池并网放电装置的研制[J].湖南工程学院学报, 2003, (4) :11—14.
[2]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社.2007.