电源防御系统设计

2024-10-18

电源防御系统设计（通用6篇）

电源防御系统设计篇1

0引言

可靠的交流电源系统是保证压水堆核电厂安全运行的重要基础。在能动型电厂中, 安全级交流电力系统为设计基准事件下核电厂的安全停堆、事故缓解提供足够的动力;在非能动型电厂中, 通过为纵深防御类负荷提供可靠的电力, 可大大提高核电厂的安全裕度, 并对缓解事故具有积极意义。核电厂在运行中, 交流电源系统可能出现各种故障或异常工况, 但通过纵深防御的电源设置及可靠的响应措施, 可以将核电厂带入其他运行工况, 或保证持续生产, 或将核电厂带入一个安全状态。

本文从介绍压水堆核电厂交流电源的组成部分入手, 逐步介绍对电厂运行影响较大的几个典型故障或异常工况, 以及在这些工况下电厂设置的应对措施, 从而说明压水堆核电厂交流电源系统的设计是可靠的, 具备纵深防御的特点。

1压水堆核电厂交流电源的组成部分

典型的压水堆核电厂交流电源系统包括正常、优先、厂外备用和柴油发电机组电源, 如图1所示。

正常电源, 即汽轮发电机在正常运行时通过厂用变压器提供厂用电。

优先电源, 一般为220k V、500k V或以上电网, 通过开关站、主变连接至汽轮发电机实现电力传输, 再通过厂用变压器连接至中压母线, 作为电厂正常起动和停机的厂外电源之一。

厂外备用电源, 一般由电压等级较优先电源略低的电网充当, 通过备用变压器向厂用负荷供电。主要作用为在正常电源和优先电源均不可用时提供交流电源。在机组检修时, 也可提供检修电源。

柴油发电机组:在以上电源均不可用时向指定的负载供电, 如能动型核电厂的应急柴油发电机和应对SBO的AAC柴油发电机, 非能动型核电厂的厂内备用柴油发电机。

下面根据图1的基本结构, 逐步介绍对电厂运行影响较大的几个典型故障或异常工况, 以及在这些工况下电厂设置的应对措施, 并对部分重要措施的原理和方案进行阐述。

2中压母线故障

包括馈线故障但馈线保护拒动, 由进线后备保护动作的工况。在这种情况下, 该母线进入停电检修, 由于核电厂在事故缓解辅助设施上均为冗余设置, 其他母线继续向冗余负荷供电, 可以保证核电厂继续运行。

3汽轮发电机故障

当汽轮发电机发生故障时, 必须停机、跳发电机断路器, 使发电机与电网解列。此时优先电源电网自动通过主变倒送电向厂用设备供电, 使反应堆安全停堆或进入热备用状态。

4正常电源/ 优先电源供电路径故障

在主变、厂用变压器、离相封闭母线 (IPB) 或断路器CB1前的共箱母线 (NS) 处发生一个电气故障时, 发电机断路器、主变高压侧的断路器、中压母线的进线断路器均应跳闸。

为实现在此故障情况下电源的连续性, 大部分压水堆核电厂在中压母线上设置了电源切换功能, 以快速切换为主要方式使中压母线进线断路器CB1跳闸, CB2合闸, 将厂用负荷迅速转移到厂外备用电源, 并辅以设置适当的后备切换方式。

4.1厂用电切换原理[1,2]

对于大容量的电厂, 由于电动机的容量大且数量较多, 当厂用电源中断后, 由于电机及负载的机械惯性, 电机将维持继续旋转, 此时电机由电动机状态变为异步发电机运行。在同一母线上多台电机的共同作用下, 母线电压会维持一定的残压并缓慢衰减, 且频率会随着电机转速的降低而缓慢下降, 其特性如图2所示, 其中, VS为备用电源电压, VD为母线残压, ∆ U为VS与VD间的差压。

从图中可见, 在优先电源中断后, 母线残压VD幅值缓慢衰减, 母线残压与备用电源VS的相角差逐渐增大, 而母线残压与备用电源电压之间的差压∆ U逐渐变大后又变小, 如此反复变化, 至于变化一次的时间完全取决于负载。在优先电源断电后投入备用电源, 则差压∆ U将加在电机上, 其决定了接通冲击电流的大小和施加在电机绕组上的机械应力[3]。由分析可知电动机上电压Um为

式中, Xm为母线上电动机和其他负荷折算到电源侧的等值电抗;Xs为电源的等值电抗。为保证电动机安全自起动, Xm应小于电动机的允许起动电压, 设为1.1倍额定电压Un, 则有

设K=0.67, 则△ U<1.64。图2中, 以A为圆心, 以1.64为半径绘出弧线A’-A”, 则A’-A”右侧为备用电源允许合闸的安全区域, 左侧为不安全区域。若取K=0.95, 则△U<1.15, 图2中B’-B”的左侧为不安全区域。

假定正常运行时优先电源与备用电源同相, 其电压向量端点为A, 则母线失电后残压向量端点将沿残压曲线由A向B方向移动, 如能在A-B段内合上备用电源, 则既能保证电动机安全, 又不使电动机转速下降太多, 这就是所谓的“快速切换”。

由于快速切换时频差和相差均较小, 成功的概率很高。在某30万k W机组整个投运前试验过程中, 所有快切试验, 以及因主变过激磁保护动作导致的实际故障快切均取得了成功, 电源切换时间约为0.1s。

图2中, 过B点后BC段为不安全区域, 不允许切换。在C点后CD段亦满足安全切换的要求。这需要实时跟踪残压的频差和相角差变化, 尽量做到在反馈电压与备用电源电压第一次相位重合时合闸, 这就是所谓的“同期捕捉切换”。

以图2为例, 同期捕捉切换的时间为0.6s, 对于残压衰减较快的情况, 该时间要短得多。若能实现同期捕捉切换, 特别是同相点合闸, 对电动机的自起动也很有利, 此时中压母线电压衰减不多, 电动机转速不至于下降很大, 且备用电源合上时冲击电流最小。

当残压衰减到20%~40% 额定电压后实现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽然能保证电动机安全, 但由于停电时间过长, 电动机转速已经有很大幅度的下降, 自起动电流很大, 成批电动机的自起动将造成中压母线电压严重下降, 电动机自起动困难。因此, 在执行残压切换前往往需要执行“扫负荷”。此外, 这时的母线低电压信号还会启动应急/ 厂内备用柴油发电机, 作为厂外备用电源的后备。

4.2电源切换整定的其他考虑因素

1) 备用电源与优先电源的相位并不一定完全吻合。这是因为, 为保证电源的相对独立, 它们来自电网的不同节点。电网的某些运行方式可能导致备用电源与优先电源具有较大的相位差, 这可能导致“快速切换”不成功。

2) 由于“快速切换”发生的原因是“在主变、厂用变压器、IPB或NS处发生了电气故障”, 如单相接地, 而CB1处于合闸状态, 中压母线的电压大小和相位已瞬间发生改变, 改变的大小视故障类型和CB1断开的时间而定。即使故障前备用电源和优先电源同相位, 仍可能导致CB1断开后VD直接进入“不安全区域”, 快速切换失败。

3) 对于“快速切换”, 还需要考虑CB1分闸到CB2合闸之间存在的时间差。以VD4真空断路器为例, 其分闸时间约为45ms, 合闸时间约为70ms, 假设CB1和CB2同时收到快切信号, 则时间差为25ms, 允许电源切换的条件整定时必须考虑到这25ms内残压特性的变化。若残压与备用电源的频率差为1Hz, 则25ms内相角差的变化为9°。

4) 同期捕捉切换最佳时刻是同相点, 即图2中0.6s处, 在设置同期捕捉切换的整定值时, 应考虑一定的提前量。

5) 在“残压切换”中, 由于 “扫负荷”信号已将电动机类负荷切除, 等待操纵员确认并将所需的厂用负荷手动投入需要较长的时间, 有可能造成电厂运行工况的恶化。可以根据电厂实际情况设置“程序带载”, 在恢复供电后带载重要的辅助负荷。

4.3电源切换的意义

通过设置可靠的电源切换, 使电厂在经历汽轮机100% 甩负荷后, 将反应堆带入安全停堆状态;也可通过合理的电厂控制, 使反应堆处于热备用状态, 待电气故障排除后, 迅速恢复生产。

5中压母线持续低电压

在厂外电网持续低电压或电源与中压母线连接设备存在缺陷时, 厂用电源系统电压便可能低于运行要求, 使得用电设备尤其是电动机无法正常工作或受到损坏。

为此, 中压母线上往往设置低电压切换。在母线电压跌落至不可接受的程度一定时间后, 将厂用负荷切换到电压正常的厂外备用电源。

该工况与前文不同之处在于, 主发电机至优先电源外电网的路径并无故障, 只要切换过程能保证重要负荷 (如主泵等) 的不间断运行, 例如采用并联倒闸操作或电源快速切换成功, 便可以保证反应堆和主发电机的持续功率运行, 避免了因甩负荷对电厂的热冲击。由于核电厂通常均为大容量机组, 其持续运行对电网的恢复也起到了重要作用。

6丧失厂外电同时汽轮发电机不可用

优先电源和厂外备用电源不可用时, 厂内设置的备用柴油发电机将启动并接入厂用配电系统, 通过执行“扫负荷”和“程序带载”后, 将指定负载投入运行。

对于能动型核电厂, 应急柴油发电机是设计基准事故下实现安全停堆、防止放射性物质大量泄漏的最重要动力来源, 为安全级系统;若应急柴油发电机不可用, AAC柴油发电机电源投入运行。而对于非能动型核电厂, 由于非能动安全系统的设计, 无需安全级交流动力电源, 厂内备用柴油发电机及其带载负荷起纵深防御作用, 在设计基准事件发生导致其不可用前, 为其提供完整的事故缓解能力。

7主发电机甩厂外负荷

电厂运行中还常面临因电网保护动作或电网调度原因而导致从开关站上切除发电机或线路的情况, 即汽轮发电机甩厂外负荷。

7.1汽轮发电机带厂用负荷运行

若甩厂外负荷后, 反应堆快速降功率、主蒸汽旁排等各大系统运行稳定, 反应堆将进入低功率运行状态, 汽轮机可不跳机, 发电机将带厂用负荷继续运行, 待电网恢复后, 将发电机重新并网发电。

7.2汽轮发电机惰走运行

若甩厂外负荷后, 电厂功率调节失败, 反应堆停堆, 汽轮机跳机。这时发电机断路器往往并不跳闸, 而通过主发电机带电动机群等负荷惰走, 直至中压母线电压和频率不满足要求, 从而延长主泵等负荷冷却反应堆的时间。文献[4] 详细介绍了该工况动态分析的方法, 并通过动态模拟试验进行验证。

(1) 汽轮发电机惰走的必要性

倘若此时发电机断路器跳闸、励磁回路断开, 中压母线电压迅速下降, 电动机低电压跳闸, 必然会对电厂的运行造成影响。例如, 主泵断电将导致反应堆冷却剂流量下降, 堆芯传热恶化, 燃料棒温度升高, 冷却剂温度和压力也随之上升。

因此, 在非能动核电厂安全分析报告中, 将“发电机断路器脱扣之前惰走会至少持续3s”作为对发电机及其励磁系统的基本要求。

(2) 惰走结束后交流电源的供应和改进

汽轮发电机组惰走结束后, 发电机断路器跳闸, 此时若厂外备用电源可用, 应通过电源切换装置将厂用负荷转换到备用变压器供电, 使汽机安全停机并使得核电厂维持在安全停堆状态。若厂外备用电源不可用, 则需要投入柴油发电机。

备用电源和优先电源或多或少存在一定的电气联系, 可能同时发生故障而丧失。若考虑利用汽轮发电机惰走及失去厂外电源的综合信号去启动柴油发电机, 则在发电机断路器断开时, 柴油发电机的电压频率已趋于稳定, 需要带载的负荷可立即投入, 从而大大缩短重要负荷的断电时间。

8结束语

通过分析核电厂可能出现的典型故障和异常工况, 本文系统地介绍了交流电源系统的响应措施, 并提出了厂用电设计时应考虑的部分重要因素。循序渐进地阐述了压水堆核电厂交流电源系统设计是可靠的, 充分体现了核电厂纵深防御的安全理念。

参考文献

[1]陈医平.厂用电切换方式探讨[J].电力自动化设备, 2006, 26 (11) :107-110.

[2]张培杰.关于厂用电源快切装置切换判据的探讨[J].电力自动化设备, 2005, 25 (6) :91-93.

[3]王步瑶.电源切换对感应电机产生的影响[J].湖南工程学院学报, 2006, 16 (1) :5-8.

[4]朱志成.秦山核电厂厂用供电系统动态分析和电源故障时主泵惰走的研究[J].中国核科技报告, 1990 (00) .

电源防御系统设计篇2

一般可以根据分布式电源的技术类型、所使用的一次能源及和与电力系统的接口技术进行分类。按照技术类型可分为小型燃气轮机、地热发电、水力发电、风力发电、光伏发电、生物质能发电、具有同步或感应发电机的往复式引擎、燃料电池、太阳热发电、微透平等，按照一次能源可分为化石燃料、可再生能源;按照与电力系统的接口可分为直接相联、逆变器相联;按照并网容量分，可分为小型分布式电源和大、中型分布式电源。小型分布式电源主要包括风力发电、光伏发电、燃料电池等;大、中型分布式电源主要包括微型汽轮机、微型燃气轮机、小型水电等。

2.2微网技术简介

微网是一个小型发配电系统，由分布式电源、相关负荷、逆变装置、储能装置和保护、监控装置汇集而成，具有能量管理系统、通讯系统、电气元件保护系统，能够实现自我调节、控制和管理。微网既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。从其内部看，微网是一个个小型的电力系统。从外部看，微网是配电网中的一个可控的、易控的“虚拟”电源或负荷。微网系统如图3所示。

2.3将分布式电源组成不同类型的微网

目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。在城镇配电网中，风力发电、燃料电池、光伏发电发电容量远小于配网负荷，对于这些小容量的分布式电源，采用与附近负荷组成微网的形式并入配网系统，通过技术措施使微网内的发电功率小于其负荷消耗的功率，使这些“不可见”的分布式电源完全等效为一个负荷。针对发电出力达到最大、负荷功率最小的工况，根据发电出力与负荷消耗功率的差值及持续时间计算出需要存储的电量，该电量作为储能装置容量的一个约束条件，再考虑其他的约束条件，为微网配置容量合理的储能装置。当出现发电出力大于负荷消耗功率时，将这部分电量存到储能装置中，在负荷功率高于发电出力时，再将这部分电量释放掉。大型的微型燃气轮机多用于需要稳定的热源、冷源的工商企业，以实现热、电、冷三联供，这些企业的负荷稳定，易于预测。微型燃气轮机的发电功率由用户对供热和供冷的要求决定，发电功率也易于预测。这样，以这些微型燃气轮机为分布式电源的微网是可控、易控的。将分布式电源纳入到微电网，并将其分为纯负荷性质的微网和发电、负荷可控的微网两种，有效的解决了分布式电源潮流不可控的难题，给配电网的调度、运行带来的极大的方便。

2.4微电网接入系统方案

纯负荷性质的微网在配网中是一个内部带有电源的负荷，将其接入到配网馈线的中间至末端，可有效地改善配电网电压分布，降低配电网网损。当微网内分布式电源突然故障或者失电时，由配电网对微网内的负荷进行供电，此时配电线路潮流增大，微网内的电压会发生跃变，如电压幅值变化超过用电设备允许值，将会对用电设备造成损坏。针对这种情况，可以利用微网内的储能装置将存储的`能量进行逆变，有效地支撑电压，避免产生电压跌落，减少电压波动，有效的保护用电设备。当配电网失电时，微网自动脱网孤岛运行，孤岛的运行方式由微网内部自行控制，对配电网的故障分析、检修、试验不产生影响。对于发电、负荷可控的微网，尤其是容量较大的，在配电网规划及接入系统设计时，需统一考虑中接入位置对配电网电压、继电保护、安全自动装置的影响，需要进行充分的论证，必要时可采用专线接入系统，以确保配电的安全、可靠运行，充分发挥分布式电源的经济效益和社会效益。

3结束语

高压测量系统感应取能电源设计篇3

关键词：高压侧电源;取能线圈;高转换效率DC-DC模块

由于各种电子设备在高压侧的应用需要实现对地绝缘，而在高电压现场安装了导线覆冰状态、电缆接头测温、在线监测系统以及高压开关触点、光电式电流互感器等，因此要想使电气隔离的安全要求得到充分的满足，就不能够由二次电源在经过、滤波整流以及降压之后提供系统的工作电源，也不能够直接的从低压侧用导线进行直接的供给，所以这类监测系统发展在很大程度上受到了电源供给的制约，而对于电力系统的安全稳定运行和安全生产而言这些保护装置和测量装置具有非常重要的作用，所以有必要分析和研究高压侧测量装置供电电源。

1 感应取能电源的原理分析

感应取能供电方式主要是通过对电磁感应原理的利用，然后在线路或者高压母线上利用曲能线圈感应交流电压，随后在经过稳压、滤波以及整流之后最终将电源提供给高压侧电子电路。按照电磁理论的相关知识，可以由交流电流在取能线圈两端空载情况下控制取能线圈一次侧[1]。详情见下图1。

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图1 感应取能电源的原理示意图

2 电源设计分析

2.1 电源的总体要求分析

①如果具有接近于空载的非常小的母线电流，就能够使电源的可靠供应得以确保。②如果一旦出现由于短路故障等导致的冲击电流和过电流，就需要对电源起到保护作用。③如果处于导线正常电流范围内就能够将稳定的输出提供出来，在短时间的断电中能够具备供电的功能，同时还要使瞬间大功率供电的需求得到充分的满足。④确保实现长期低热耗稳定运行。

2.2 选择线圈匝数以及铁芯材料

使启动电流尽可能的减小，使高能量传递效率尽可能的提升，从而实现降低能耗的目的，这是选择铁芯材料的主要原则。在磁通面积、匝数以及一次电流保持不变的情况下，要想减小启动电流，唯一的方法就是提升初始磁导率。其中纳米晶磁材料铁芯具有一系列的优势：①能够长时间的在-55～130摄氏度的环境下实现稳定的工作;②便宜的价格;③轻巧的结构;④较大的导磁率;⑤良好的饱和磁感应强度[2]。

传统导磁材料通常都具有较高的饱和磁通密度，但是具有较低的初始磁导率。现在包括铁基微晶在内的一些新型纳米晶磁材料具有非常高的初始导磁率，所以如果选择微晶合金材料作为铁芯，并且选择25mm×30mm的铁芯截面，采用两个半圆的结构就能够利用特殊处理的外壳在现场不停电的方式下在电缆上进行套装。

大量的研究表明，大多数的高压输电线路在空载状态下还是可以保持数安培的容性电流。所以上述的电能供应在线路空载的时候也能够保证具备可靠性，并且不需要将任何辅助供能措施附加上去。要想将线圈匝数确定下来，就必须要经过一个试验验证的复杂过程。首先要以电磁学的基本理论为根据将最小启动电流和线圈匝数之间存在的关系确定下来，随后以实际负载以及线圈带后续电路为根据开展实测，最后能够将线圈匝数确定下来，并且选择漆包铜线在铁芯上进行均匀的缠绕[3]。

2.3 DC-DC环节的转换效率分析

在经过滤波和整流之后，感应电压所得到的直流电压会在负载和温度的变化、电网电压和电流的波动下而出现不断的变化。这时候就需要采用DC-DC模块处理的方式使得输出直流电压稳定得到有效的维持，从而能够使高压侧测量装置的供电需求得到充分的满足。本组电源DC-DC模块电路电压具有3-40V的输入范围，2mA的静态电流，1.5A的最大输出电流，因此其转换效率比较高。较高的转换效率能够使启动电流得以进一步的降低，同时使电源的输出效率得以提升。

在具体的设计过程中，采用了试验的方式比较了本电源转换效率较高的DC-DC模块与最常见的LM2576DC-DC模块。LM2576DC-DC模块为6.8A的电源启动电流，选择本电源转换效率较高的DC-DC模块就能够控制在6A。DC-DC变换具有非常大的自身功率消耗，使供能电路自身的功耗得以减小，就能够极大的增加供能方案，从而使启动电流降低。低压电路中的电压分配会受到限流分压电阻R的阻值的影响，因此需要讨论其整定值，同时还要对其进行试验验证。下图2中取能装置中的TVS1在供能电路中取值为40V， TVS2取值为25V，这样就能够有效的避免电流冲击到整个供能电路。

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图2 取能装置供能电路

2.4 电压保护与能量泄放分析

为了有效的避免电源电路在发生瞬时故障大电流或者雷电冲击电流的情况下被烧毁的情况，在整流桥前可使用压敏电阻MOV，压敏电阻对感应线圈输出的冲击电压起到了有效的限制作用。电压会在整流、滤波之后而伴随着增长的母线电流而不断增长。在铁芯达到饱和之后，其就会感应出较高的电压，所以必须要保证DC-DC模块不会由于过电压而受到损害。DC-DC变换往往需要较大的消耗功率，而如果是功能电路自身的功耗得以减少，就会显著地提升功能方案的输出总功率，从而将启动电流降低[4]。

3 结语

本文对高压测量装置电源设计进行了系统的分析，经过分析研究我们可以发现，该方案具有可行、实用以及低成本的特点。选用纳米晶磁材料作为铁芯能够使初始磁导率得以显著提升，而且具有较高的稳定性、较低的成本以及较轻的重量等特点。高效率的DC-DC模块可以使电源电路电能损耗得以降低，从而进一步的降低启动电流。采用超级电容具有不会污染环境、具有较长的寿命、较快的能量释放速度、较短的充电时间以及更大的功率密度等优点，其优越的基本性能使得锂电池低温充电的难题得以有效解决，而且在维护工作上也变得更加简单。经过现场实验表明，该高压侧取能电源供电装置具有可靠、稳定的特点，使得高压侧有源电子设备的电源问题得到了有效的解决。

参考文献：

[1]王赞，纵飞，王伟，高超飞，隋恒，喻岩珑.输电线高电位取能电源的研制[J].电网与清洁能源，2010（06）.

[2]辛业春，王滨，杜长军.一种应用于高电压侧测量系统的取能电源设计[J].吉林电力，2010（04）.

[3]王平平，杨慧.基于取能电源的输电线路状态在线监测系统[J].重庆电力高等专科学校学报，2010（04）.

电源防御系统设计篇4

针对航空电源研制过程中的性能测试,设计了基于PXI总线的航空电源通用测控系统.系统通过将总线测试技术、虚拟仪器技术和Labview、Visual C++有机结合运用,提高了系统测试的自动化程度,降低了系统组建成本.该系统测量精度高、速度快、数据处理能力强,并已投入了实际运行,取得了良好的.效果.

作者：廖永涛朱名铨强应民刘继先 LIAO Yong-tao ZHU Ming-quan QIANG Ying-min LIU Ji-xian 作者单位：廖永涛,LIAO Yong-tao(西北工业大学机电学院,陕西,西安,710072;西安飞机工业(集团)有限责任公司,陕西,西安,710089)

朱名铨,ZHU Ming-quan(西北工业大学机电学院,陕西,西安,710072)

强应民,刘继先,QIANG Ying-min,LIU Ji-xian(陕西秦岭特种电气有限责任公司,陕西,兴平,713107)

电源防御系统设计篇5

【关键词】STM32；DC/DC；PWM控制器；闭环控制

一、系统方案设计

本系统主要由2块DC/DC开关电源模块和单片机测控模块两部分构成。其中，DC/DC模块输入为24V直流电压，输出为8V直流电压信号。采用了Buck降压电路结构。测控模块采集电压和电流量，经过计算之后，使用STM32F103产生调整信号。保证电压和电流按照一定比例输出。每一个模块都是双环控制系统，分别为电压控制和电流控制，电压环为内环，电流环为外环，两个环路的信号共同通过SG3525进行脉宽调制，将输出的信号反馈回输入端，形成闭环控制系统。如图1所示：

均流电路：实际应用中，往往由于一台直流电源的输出参数不能满足要求，需要采用模块式电源，按照并联、串联方式，实现输出电压、输出电流、输出功率的扩展。在设计中使用了电源并联技术，但是简单的并联不能保证整个扩展后的系统稳定可靠的工作，电源模块存在“均流”问题。解决的方法对整个系统的稳定性、可靠性都有很大影响。本设计使用强迫均流法，该方法通过监控模块实现均流，实现方式主要有软件控制和硬件控制两种。其中软件方式比较容易实现，均流精度高。软件方式是通过软件计算，比较模块电流与系统平均电流，然后调整模块电压，使其电流与平均电流关系固定。

Buck变换器电路：采用SG3525作为Buck型拓扑的PWM控制芯片。SG3525是高性能固定频率电流模式控制器，专为离线和直流变换器应用而设计，只需最少外部元件就能获得成本效益高的方案，能进行精确的占空比控制。

二、电路分析与实现

1.DC/DC变压器稳压原理分析

系统共有两个DC/DC电源模块，输入是24V直流电压，调整负载电阻时要保证负载上的输出电压不变，即保证在8V。电路里使用了电压反馈和电流反馈，使整个系统形成稳定的闭环，如图2所示。

调整负载电阻的时候，根据欧姆定律，电路电流发生了变化（取自B点），为保证输出的电压稳定在8V，就需要采用单片机测控电路配合调节。单片机产生的PWM信号经LM331进行频率—电压转换后，电压信号与B路输入形成互补。为保证反馈的电压不变，只需调整SG3525PWM控制器输出固定脉冲占空比，使B端电压和PWM输出的电压保持平衡状态。

2.电流电压检测

如图3中所示，从DC/DC模块中电源的输出端取8V输出分压后的A（电压）、B（电流）信号，分别接到单片机STM32F103的两路AD通道上进行测量。另外一个电源模块也用同样的方法，测量其电流的输出。

3.均流方法分析

本系统采用强迫均流法，强迫均流法是通过监控模块实现均流，实现方法主要有软件控制和硬件控制两种。这里采用软件控制。

软件控制是通过软件计算，比较模块电流和系统平均电流，然后再调整模块的电压，使其电流与平均电流相等，这种方法易于实现，均流精度高。

实现的公式：设总电流I0；分电流：I1， I2； I0=I1+I2；I1= I0； I2=I1—I0；

使用测控模块输出的电压调整其中一个电源模块的电流为I0，那么另一个模块的电流自动变为I0，实现均流。

4.过流保护分析

本设计中电路保护功能的实现由两部分构成。其中一部分使用软件保护，一部分使用硬件保护。

软件保护部分使用测控模块检测电压信号，当发生短路故障，电压变为0，使用PWM转换后输出较小电压，然后循环检测，直到检测到电压不为0，说明短路故障已经修复，重新调整电源模块电流恢复原来的状态。如此可以实现短路故障的自动恢复功能。硬件保护部分使用了可控硅。如图4所示，当检测到E端有较高电压信号时，既满足控制级有足够的正向电压和电流的条件，同时也满足阳极电位高于阴极电位的条件，此状态使得Q5截止，Q6导通，在F端有电压输出。把F端电压加载到SG3525的软启动引脚。使得PWM输出关闭，调整反馈回路的电压。

图4 硬件保护模块

5.测控电路

该部分电路使用了STM32自带的3个通道的AD转换器，分别采集2个开关电源输出的电压和电流信号，该信号在CPU中处理后，得到调整结果，经过内部的PWM模块产生占空比可调的方波脉冲，该脉冲经过LM331模块进行频率和电压的转换，然后供给电源模块，和原来的模拟量电流输出进行平衡，以保证SG3525的输出稳定。

三、总结

采用Buck降壓变换器为核心的并联开关电源供电系统，可以在负载不同时，通过设定自动控制两路开关电源按照任意电流比例输出。通过测试结果表明，该系统输出稳定，纹波小，精度高，有一定的应用意义。

【参考文献】

[1]张占松，蔡宣三.开关电源原理设计[M].北京电子工业出版社，1999.

[2]刘胜利.现代高频开关电源使用技术[M].北京电子工业出版社，2001.

[3]华伟.现代电力电子器件及其应用[M].北京交通大学出版社，2002.

电源防御系统设计篇6

【关键词】稳压电源；AT89C51单片机；DA芯片

1 直流稳压电源总体结构

在电子电路中，基本上都需要稳压的直流电源供电。日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。一般直流稳压电源以一稳压电源为基础，以高性能单片机系统为控制核心，以稳压驱动放大电路、过流检测电路为外围的硬件系统，在检测与控制软件的支持下实现对电压输出的数字控制，通过对稳压电源输出的电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制稳压电源的工作状态[4]。直流稳压电源原理框图如图2-1所示。

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压等四部分组成。

电源变压器：是降压变压器，它将交流电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路[5]。

整流滤波电路：由于脉动的直流电压还有较大的纹波，必须经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等[6]。

滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C=（3～5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。

稳压电路：稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

2.2 单片机的最小系统

2.1.1 单片机简介

（1）AT89C51是一种低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。其内部结构按功能可以分为8个部分：运算部件、控制部件、数据存取器、程序存取器、特殊功能存取器、I/O口、定时器/计时器、中断系统。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

（2）P0口：它包括一个输出锁存器，两个三态缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制电路。其中输出驱动电路由一对场效应管组成推挽输出，其工作状态受输出控制电路的控制。

（3）P2口：它与P0口基本相同，在输出FET的漏极接有上拉电阻，能驱动4个LSTTL输入，而且P2口常用作外部存取器的高八位地址口。

（4）P1口：它与P2口基本相同，只是少了一个转化器和一个反相器，且为使逻辑上的一致锁存器的Q端与输出FET的栅极相连。

（5）P3口：P3口是一个具有双功能的I/O，其第一功能和P2口一样，可以作为通用I/O口使用。

2.1.2 晶振电路

1.内部时钟方式

MCS—51片内有一个高增益反相放大器，XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，在芯片的外部通过这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如图2-3所示。

2.外部时钟方式

外部时钟方式是利用外部振荡信号直接接入XTAL1或XTAL2。CHMOS型单片机由XTAL1进入；CMOS芯片可在软件的控制下使振荡器停振，芯片处于失电保持状态；

2.1.3 复位电路

MSC-51单片机的复位电路由片内、片外两部分组成，复位操作有两种方式：上电自动复位和按钮复位。上电复位单片机上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持2个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效的复位。按钮复位只需要将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。

2.3稳压电路的设计

2.3.1稳压电路的工作原理

稳压电路的形成先是通过变压器将220V交流电降压为12V交流电，再通过二极管将12V交流电整流为12V直流电，然后分别通过稳压三极管7812和7805输出稳定的12V和5V直流电。

2.3.2 稳压三极管7812和7805的简介

稳压三极管7812和7805都属于三端稳压集成电路中的有正电压输出的78 ×× 系列，顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

2.4 输出电路的设计

2.4.1 输出电路的工作原理

这部分电路是先将单片机送来的数字信号通过TLC5615转换成模拟信号，然后通过LM358进行放大，然后输出。输出电路原理图如图2-10所示。

图2-10 输出电路原理图

2.4.2 TLC5615芯片简介

TLC5615 为美国德州仪器公司 1999 年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍[16]。带有上电复位功能，即把 DAC 寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的 DAC 要好。只需要通过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。

（1） TLC5615 器件的引脚图及各引脚功能

DIN：串行数据输入端；

SCLK：串行时钟输入端；

CS：芯片选用通端，低电平有效；

DOUT：用于级联时的串行数据输出端；

AGND：模拟地；

REFIN：基准电压输入端，2V～（VDD - 2）；

OUT： DAC 模拟电压输出端；

VDD：正电源端，4.5～5.5V，通常取 5V。

图2-11 TCL5615引脚图

（2）功能框图

TLC5615 的内部功能框图如下图所示，它主要由以下几部分组成：