双电源自动转换开关的设计.docx
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双电源自动转换开关的设计
双电源自动转换开关的设计
胡剑挺
(自动化与电气工程学院指导教师:
项新建)
摘要:
随着经济的不断发展,电力质量日益受到人们的重视,供电的连续性是电力质量的重要内容。
一些关键的场所如医院、炼钢厂、消防设施,都需要两路电源供电,来保持供电的连续性。
针对不间断供电的需求,基于采样、比较的工作原理。
对两路三相供电电压的采样,人机接口设计和电源的切换部分等硬件组成进行了详细的设计。
采用结构化、模块化编程方法,用KeilC编程了采样、人机接口、自动转换等软件,实现了对电源状况的判断和双电源的自动切换。
当工作电源发生过压、欠压和缺相等故障时,双电源自动转换开关完成主、备电源间转换,以保持供电的连续性。
该系统具有可编程、自动化测量、LCD显示、数字通讯等功能,集数字化、智能化、网络化于一身,是双电源转换的理想产品。
关键词:
双电;自动转换;智能控制
Abstract:
Withthedevelopmentofeconomics,themountofpowerusedbyenterpriseshasexceededgreatlythemountpowersystemcansupply.Itresultedinfrequentlypowercutandthedemandforpowerqualityandsafetyismoreandmorehigh.Therearesomanyimportantgroundssuchashospitals,steel-makers,fire-controllerfacilitieswhichrequiretwopowersourcestorealizedurativeofpowersupply.Tomeetthedemandforuninterruptedpowersupply,thedevelopingschemeofintelligentautomaticswitching-overdoublepowersupplysystemcontrollerusingP87C591controllerasmaincontrolchipwasintroduced.Thesystemincludesthevoltagesampling,thepowersourcescontrol,theman-machineinterface.Itisimplementedwiththestructureandthemodularprogrammingmethod,programmedwithKeilC.Inpowerserviceequipment,basedontheworkingprincipleofsampling,comparing,runningsoftwareontheP87C591controller,themicro-controllerdetectthepowersupplystateandprocesscorrespondingcontrol.Iffaultssuchasovervoltage,undevoltage,phaselossetc,wasfoundinthenormalpower,thestandbypowerwouldswitchbytheautomatictransferswitchcontroller.Theswitchingbetweentwo-waypowerswasreliablyfinishedautomaticallytoensurethecontinuityofpowersupply.Itisonekinddoublepowersourcemodulewhichhaveprogrammablefunction,theautomationmeasures,LCDdisplay,thenumericalcommunication.Itintegratesdigitization,intellectualized,network-rization,whichleadstoautomaticmeasurementandcontrolprocess,andreducesanartificialoperationerror.Itisidealproductwhichthedoublepowersourcetransforms.
Keywords:
doublepowersupply;automaticswitching-over;intelligentcontrol
1绪论
依据国家规范GB50052-95《供配电系统设计规范》的要求:
对于一些较重要的一、二级负荷,应采用双电源供电。
特别在电梯、消防、地铁、医院、宾馆、邮电通讯、电视台、工业流水线。
船舶及其他紧急用电部门等不能停电的重要场合,对电源的连续性供电可靠性尤其重要,应在最末一级配电箱处设置自动切换装置。
为保证重要负荷供电的连续性,双电源自动转换开关电器的应用需求已越来越大,技术性能要求也越来越高。
电源自动切换技术就是研究当一路电源异常(失压、过压、欠压缺相等),如何按规定要求自动可靠切换到正常电源,随着电源自动切换技术发展和电气设备制造水平的提高供电可靠性大大增强。
国内外自动转换开关的发展状况
自动转换开关电器简称为ATSE,是Automatictransferswitchingequipment的缩写。
ATSE主要用在电源切换系统,一旦转换失败将造成电源间的短路或重要负荷断电,这不仅带来经济损失(使生产停顿、金融瘫痪),也可能造成社会问题(使生命及安全处于危险之中)。
因此,工业发达国家都把ATSE的生产、使用列为重点产品加以限制与规范。
ATSE一般由部分组成:
开关本体+控制器。
而开关本体又有PC级(整体式)与CB级(断路器)之分。
PC级:
能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE。
CB级:
配备过电流脱扣器的ATSE,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。
控制器主要用来检测被监测电源(两路)工作状况,当被监测的电源发生故障(如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差)时,控制器发出动作指令,开关本体则带着负载从一个电源自动转换至另一个电源.
国内市场用于两路电源转换的电器产品目前有四类[1]。
第一类.是由接触器组成的ATSE;第二类是由断路器组成的ATSE;第三类用电动负荷开关(符合GBl40483标准)完成两路电源转换的产品,第四类为PC级(一体式)ATSE。
国内自动转换开关的控制方式经历了四个过程:
第一代为两接触器型转换开关,是我国最早生产的双电源转换开关,它由两台接触器搭接而成,这种装置因机械联锁不可靠、耗电大等缺点,工程中越来越少采用。
第二代为两断路器式转换开关,就是我国国家标准和IEC标准中提到的CB级ATSE。
它由两断路器改造而成,另配机械联锁装置,具有短路或过电流保护功能。
但是机械联锁不可靠。
第三代为励磁式专用转化开关,它由励磁式接触器外加控制器构成一个整体,机械联锁可靠,由电磁线圈产生吸引力来驱动开关转换,速度快。
第四代为电动式专用转换开关,是PC级ATSE。
其主体为负荷隔离开关,为机电一体式开关电器。
转换由电机驱动,转换平稳且速度快,并且具有过0位功能。
PC级
ATSE在工程中的应用将成为主流。
80年代初,将高速高效的微处理器应用到电源自动切换装置上,提升了产品技术含量,实现产品智能化。
电源自动切换技术朝着容量大型化,装置一体化,功能智能化方向发展。
以美国为代表的ATSE技术代表着当今世界PC级ATSE先进水平[2]。
目前美国较大规模企业有三四家,如ONAN、AS2CO、GE-ZENITH,主要生产PC级(一体式)ATSE产品,除基本型外,还有瞬间并联型、旁路-隔离型、延时转换型等。
为满足不停电电源要求,国外一些大公司推出以可控硅为主的电子式ATSE,额定工作电流100A~1200A,检测、转换时间≤5ms。
它主要应用在电子商务网站、计算机数据中心、半导体芯片制造业及紧急救援中心等要害部门。
本课题研究的主要任务
本课题将以飞利浦P87C591单片微型计算机为核心,利用该单片微型计算的运算能力、存储能力和逻辑分析等能力实现对两路电源各三相电压有效值的实时采集检测,判断并执行相应操作。
国家标准中规定的各转换延时,判断电源故障时所依据的过电压、欠电压设定值等参数可通过控制器上的液晶屏和按键进行调整。
主要任务包括:
(1)人机界面的设计
开机初始化时的液晶显示,自投自复、自投不自复、常用供电、备用供电、断电再扣
功能按键对应的五个工作模式,液晶和指示灯显示当前的工作模式状态。
通过液晶和指示灯显示的状态,可以根据需要进行人为操作,选择自动转换开关的工作模式。
(2)自动转换功能的实现
利用P87C591单片微型计算机的片内A/D转换模块,检测经过预处理的两路各三相电压
信号,同时计算出两路电源每相电压的真有效值,作为逻辑判断的基础,实现自动转换功能。
因此,本课题的主要任务就是利用P87C591单片微型计算机通过相应硬件的配合,研究出能够实现上述各项功能。
2双电源自动转换开关的结构和工作原理
双电源自动转换开关的结构
双电源自动转换开关有本体和智能控制器两大部分,如图2.1所示。
装置本体是两台带有电动操作结构的断路器及附属件(辅助、报警触头)、机械联锁机构、熔断器、接线端子组成,所有元件安装在一块金属板上,机械联锁机构安装在两台断路器之间。
具有机械联锁和电气联锁双重保护功能,可确保两台断路器不能同时合闸。
单电机齿轮运转操作,用作ATS自动或手动分、合闸使用。
两台断路器,用作ATS控制器的电源隔离,具有过载合断路保护功能。
智能控制器一种具有可编程功能,自动化测量、LCD显示、数字通讯为一体的智能双电源切换模块。
它集数字化、智能化、网络化与一身,测量及控制过程实现自动化,减少认为操作失误,是双电源切换的理想产品。
智能控制器包括强电控制部分合弱点控制部分,弱电控制部分是整个控制部分的核心,完成两路电源的检测和人机交互。
装置本体和智能控制器二者之间用两端转有连接器的专用电缆线连接。
图2.1双电源自动转换开关的结构[3]
双电源自动转换开关的工作原理[4]
控制器对两路电压/电流同时进行检测,对高于额定值(可调)的电源电压判为过电压,对低于额定值(可调)的判为欠电压。
微机控制电路对上述检测结果进行逻辑判断,处理结果通过延时(可调)电路驱动相应的指令向电动操动机构发出分闸或合闸指令
自动转换开关有自动和手动工作模式。
手动模式主要是通过按键控制装置本体动作,使其在常用电源、备用电源、断电再扣三个工作模式转换。
在自动工作模式下,智能控制器不断地对常用电源和被用电源的三相电压进行检测。
当常用电源三相中的某一相的电压出现欠压或过压或缺相时,微机根据设置的参数判断切换电源,经过一定的延时(012~599秒)之间,用户可以按照需要进行设定),将常用电源的断路器断开,再经过相同的延时时间,将备用断路器合上,进入备用电源供电工作方式,假如备用电源也不正常,则出于断电状态,既不在常用电源工作模式也不在备用电源工作模式。
常见工作模式有以下五种:
自投自复模式:
是以常用供电为主,当常用供电不正常(欠压、缺相等)转至备用电源,当常用电源恢复正常自动转回常用供电。
自投不自复模式:
当常用电源不正常(欠压、缺相等)转至备用电源,当常用电源恢复正常也不会转回常用供电,只有备用电源不正常时才能转回常用供电。
常用供电模式:
是常用合闸,即使常用不正常(欠压、缺相等)也不转换,只能分闸,当常用恢复正常时又能自动合闸。
备用供电模式:
是备用合闸,即使备用不正常(欠压、缺相等)也不转换,只能分闸,当备用恢复正常时又能自动合闸。
断电再扣模式:
一是当断路器托扣后,用此键复位;二是类似于紧停键,一旦按此键,两路电源立即分闸。
3双电源自动转换开关的硬件设计
自动转换开关的硬件设计主要包括单片机系统单元、电压信号的输入采样和两路电源的输出控制单元、人机接口单元几个部分,如图3.1自动转换开关的硬件结构图,图3.2硬件的弱电部分和图3.13硬件的强电部分用接插件连接。
图3.1自动转换开关的硬件结构图
3.2硬件的弱电部分
图3.3硬件的强电部分
单片机系统单元电路设计
P87C591单片机简介
MCU选择带4路10位A/D的87C591单片机。
P87C591是PHILIPS公司一款高性能单片机,具有片内CAN控制器,从80C51微控制器家族派生而来。
它采用了强大的80C51指令集并成功的包括了Philips半导体SJA1000CAN控制器的PeliCAN功能。
全静态内核提供了扩展的节电方式。
振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。
改进的1:
1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。
主要特性:
全静态80C51中央处理单元,可提供OTP,ROM和无ROM型;
16K字节内部程序存储器,可外部扩展到64K字节;
512字节片内数据RAM,可外部扩展到64K字节;
3个16位定时/计数器T0,T1(标准80C51)和附加的T2(捕获&比较);
带6路模拟输入的ADC;
2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM);
作为标准80C51引脚时有32个I/O口;
带字节方式主和从功能的C总线串行I/O口;
片内看门狗定时器T3;
PeliCAN;
图3.4442脚LCC封装管脚图
单片机时钟电路设计
时钟电路用于单片机工作所需要的时钟信号,而时序所研究的时指令执行中个信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作
单片机内部带有时钟电路,因此只需要在外部XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件(晶体振荡器和电容),即可构成一个稳定地自激振荡器。
单片机内部有一个高增益反相放大器,而在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。
如图本方案采用的单片机时钟电路。
振荡器的工作频率一般在1.2~12MHz之间。
在控制系统中,时钟电路非常关键.外部时钟式高噪声源,除能引起对系统的干扰,还可能产生对外界的干扰,因此选用时钟频率低的单片机可以降低系统噪声,在本设计中,选择了频率为4MHz的外部时钟电路,如图3.5。
图3.5时钟电路
电压信号的采样输入和电源输出控制单元电路设计
两路三相电源电压的输入采样电路
图3.6两路电源三相电压采样
常用电源和备用电源的三相电压经二极管整流、电阻限流和电容滤波后,将交流信号转换成直流信号(如图3.7交直流变换前后电压信号波形图)。
将直流电压信号送入单片机进行A/D转换,得到直流电压的平均值。
图3.7交直流变换前后电压信号波形图
P87C591单片机片内A/D转换为10位精度,也可以选择高速的8位模式。
模拟输入电路包括一个6输入模拟多路复用器和一个10位标准二进制逐次逼近式ADC。
A/D还可通过置位ADC8(AUXR1.7)配置成快速转换的8位模式。
8位结果保存在ADCH寄存器中。
模拟参考电压和模拟地通过单独的输入脚连接。
对于10位精度,转换需要50个机器周期,即25μs@12MHz。
对于8位精度,转换需要24个机器周期。
输入电压范围为0~+5V。
ADC可选择在空闲模式中关闭以降低功耗或在空闲模式中保持有效以降低转换时的内部噪声。
该选项可通过AUXR1中的AIDL位进行选择。
当AIDL置位时,ADC在空闲模式中有效,AIDL清零时,ADC在空闲模式中关闭。
常用电源和备用电源的三相电压都需要检测,为了节省单片机的资源,采用多路模拟开关74HC4051芯片选通每一相电压进行检测,硬件电路如图3.6。
74HC4051引脚如图3.8所示。
Z:
共同输入或输出;
:
使能输入;S0~S1:
输入选择;
Y0~Y7:
独立输出。
74HC4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码S0~S2来决定,其真值表见表3.1。
“
”是禁止端,当“
”=1时,各通道均不接通。
此外,74HC405还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰-峰值达15v的交流信号。
例如,若模拟开关的供电电源VCC=+5v,GND=0v,当VEE=-5v时,只要对此模拟开关施加0~5v的数字控制信号,就可控制幅度范围为-5v~+5v的模拟信号。
整流滤波得到的直流电经多路模拟开关的选择与单片机的AD转换I\O口相连,根据表3.174HC4051的功能表,P3.0、P3.1、P2.2有规律的不同组合选择X0~X5的其中一个端口与P1.2/AD0相连,单片机定时地对这两路电源的三相电压进行A/D转换,转换得到的电压值与设定的电压参数比较,做出判断并采取措施。
如果连续采样得到的电压值与电压参数比较不符合时,则认为电源不正常,电压测量精度达到1%。
图3.874HC4051引脚
表3.174HC4051功能表
两路电源的输出控制电路
图3.9两路电源的输出控制电路
单片机I/O口的驱动能力不足以驱动继电器,因此采用高耐压、大电流达林顿陈列ULN2003加强驱动能力。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成,如图3.10ULN2003逻辑结构图。
该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。
如图3.9,当常用电源供电时,单片机I/O口P0.4和P0.5输出低电平,常合继电器和常分继电器吸合,装置本体的电动机正换(或反转),延时3秒后,单片机I/O口P0.4和P0.5输出高电平,常合继电器和常分继电器释放。
当备用电源供电时,单片机I\O口P0.2和P0.6输出低电平,备合继电器和备分继电器吸合,装置本体的电动机反换(或正转),延时3秒后,单片机I/O口P0.2和P0.6输出高电平,,备合继电器和备分继电器释放。
如果备用电源是由发电机提供的,则单片机I/O口P0.0输出低电平,“发电”继电器吸和,触头打到M11,由发电机提供电源。
图3.10ULN2003逻辑结构
人机接口单元电路设计
在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中,人机交互是不可缺少的一部分设计人机交互接口,进行人机分工时,要充分发挥人机的各自特点。
可采用最大最小原则,即人承担的工作量应尽量少或最少,机器承担的工作量应最大,在最大限度利用机器的同时,充分发挥人的积极因素。
人机结合并充分注意人的主导地位,将有效地保证系统的可靠性和寿命。
该智能控制器的人机交互功能通过按键、液晶屏、指示灯来实现,使人的操作快捷方便,类似于一般电气按钮同样的方便,无需专业培训。
液晶显示电路的设计
液晶显示模块简介
图形点阵型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。
由于LCD具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等优点,自问世以来就得到了广泛的应用。
字符型液晶显示器模板在国际上已经规范化,本方案选用肇庆金鹏电子有限公司生产的带字库的OCMJ12232C系列中文液晶,如图3.11的液晶显示模块。
主要用来同时显示常用电源和备用电源的六路电压值,以及根据按键设置参数的显示。
以下介绍下该液晶模块的性能和使用方法。
图3.11OCMJ12232C系列液晶模块
肇庆金鹏电子有限公司生产的C系列中文模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形,具有绘图及文字画面混合显示功能。
提供三种控制接口,分别是8位微处理器接口,4位微处理器接口及串行接口。
所有的功能,包含显示RAM,字型产生器,都包含在一个芯片里面,只要一个最小的微处理系统,就可以方便操作模块。
内置2M-位中文字型ROM(CGROM)总共提供8192个中文字型(16x16点阵),16K-位半宽字型ROM(HCGROM)总共提供126个符号字型(16x8点阵),64x16-位字型产生RAM(CGRAM),另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域(GDRAM),可以和文字画面混和显示。
提供多功能指令:
画面清除(Displayclear)、光标归位(Returnhome)、显示打开/关闭(Displayon/off)、光标显示/隐藏(Cursoron/off)、显示字符闪烁(Displaycharacterblink)、光标移位(Cursorshift)、显示移位(Displayshift)、垂直画面卷动(Verticallinescroll)、反白显示(By_linereversedisplay)、待命模式(Standbymode)。
OCMJ12232C系列中文液晶模块的引脚说明如表3.2。
表3.2引脚功能说明
引脚
名称
方向
说明
引脚
名称
方向
说明
1
VSS
-
GN(0V)
9
DB2
I/O
数据2
2
VDD
-
SupplyVoltageForLogic(3/5V)
10
DB3
I/O
数据3
3
VO
-
SupplyVoltageForLCD
(悬空)
11
DB4
I/O
数据4
4
RS
I
H:
DataL:
InstructionCode
12
DB5
I/O
数据5
5
R/W
I
H:
ReadL:
Write
13
DB6
I/O
数据6
6
E
I
EnableSignal,高电平有效
14
DB7
I/O
数据7
7
DB0
I/O
数据0
15
LEDA
-
背光源正极(+5V)
8
DB1
I/O
数据1
16
LEDK
-
背光源负极(OV)
液晶模块的显示步骤如下:
1、显示资料RAM(DDRAM)
显示数据RAM提供64x2个字节的空间,最多可以控制4行16字(64个字)的中文字型显示,当写入显示资料RAM时,可以分别显示CGROM,HCGROM与CGRAM的字型;本系列模块可以显示三种字型,分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型,三种字型的选择,由在DDRAM中写入的编码选择,在0000H~0006H的编码中将选择CGRAM的自定字型,02H~7FH的编码中将选择半宽英数字的字型,至于A1以上的编码将自动的结合下一个字节,组成两个字节的编码达成中文字型的编码
BIG5(A140~D75F
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