蓄電池的單相有源逆變恒流放電控制方式的研究 -電源管理
蓄電池的單相有源逆變恒流放電控制方式的研究 2011-04-29 03:47:30來源:互聯(lián)網(wǎng)
0引言
在蓄電池組維護(hù)的過程中,為了活化蓄電池和測(cè)量蓄電池的容量,必須定期對(duì)蓄電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。目前,國內(nèi)蓄電池放電多采用電阻放電裝置,雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,但很難做到恒流放電,且無法精確計(jì)算蓄電池組的放電容量。本文提出采用雙級(jí)變換電路的方法,即DC／DC變換電路和PWM整流逆變電路,研制出一種新型的蓄電池單相有源逆變回饋放電裝置,并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置既能實(shí)現(xiàn)蓄電池恒流放電,又能將蓄電池組釋放的能量回饋給電網(wǎng),并且使流人電網(wǎng)的電流為正弦渡,對(duì)電網(wǎng)沒有諧波干擾[1]。
由于環(huán)境溫度、充電方式、老化等因素的影響,蓄電池組可供使用的實(shí)際容量往往比其標(biāo)稱容量小得多。為了準(zhǔn)確掌握蓄電池的真實(shí)容量,消除因蓄電池容量衰減造成后備時(shí)間縮短的隱患．必須定期進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn),測(cè)量蓄電池的容量。而放電容量等于放電電流與放電時(shí)間的乘積,所以,控制蓄電池恒流放電是測(cè)量蓄電池真實(shí)容量必須解決的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)。
l蓄電池恒流放電控制主電路設(shè)計(jì)
圖l中采用全橋移相軟開關(guān)技術(shù)的DC／DC變換電路的作用是控制蓄電池恒流放電,同時(shí)將蓄電池電壓變換成PWM整流逆變電路所需要的電壓。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。放電給定電流IcG與實(shí)際的放電電流Id相比較后,其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送入PWM控制器,再由PWM控制器產(chǎn)生PWM信號(hào),該P(yáng)WM信號(hào)再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去控制DC／DC變換電路中的開關(guān)器件IGBT,便可使實(shí)際的放電電流跟蹤給定電流．從而達(dá)到恒流放電的目的。當(dāng)PWM整流逆變電路發(fā)生故障不能向電網(wǎng)回送能量時(shí),如果直流變換電路仍然處于恒流放電工作狀態(tài),則會(huì)引起直流側(cè)電壓升高。為了防止過壓的產(chǎn)生,在圖2中引入了直流電壓限壓控制環(huán),當(dāng)直流側(cè)電壓高于設(shè)定值時(shí),直流變換電路立即從恒流控制轉(zhuǎn)為恒壓控制。
2全橋移相控制集成電路UC3879
PWM控制器采用全橋移相控制集成電路UC3879[2],其引腳排列如圖3所示。各引腳的名稱、功能和用法如下。
腳1(VREF)該引腳輸出一個(gè)溫度特性極佳的5V參考電源。
腳2(COMP)、腳3(EA-)誤差放大器的輸出端與反相輸入端。
腳4(CS)過電流信號(hào)取樣輸入端。當(dāng)該端取樣信號(hào)值大于2.5V,便封鎖輸出的PWM脈沖。
腳5(DELAYSETC／D)該端用來設(shè)置0UTC和0UTD的輸出延遲時(shí)間,使用中通過電阻接地。
腳6(SS)軟起動(dòng)電容連接端,電容的大小與軟起動(dòng)時(shí)間成正比。
腳7(OUTD)、腳8(0UTC)該兩引腳輸出互補(bǔ)的兩路PWM脈沖,該兩路輸出在應(yīng)用中接單相全橋逆變電路中一個(gè)橋臂上下開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端。
腳9(VDD)輸出功率放大級(jí)電源端。
腳10(VIN)輸入電壓欠壓保護(hù)輸入端。
腳1l(PGSD)輸出功率放大級(jí)參考地。
腳12(OUTB)、腳13(OUTA)該兩引腳輸出互補(bǔ)的兩路PWM脈沖,該兩路輸出在應(yīng)用中接單相全橋逆變電路中另一個(gè)橋臂上下開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端。
腳14(Cr)、腳18(m)決定內(nèi)部振蕩器振蕩頻率的電容度電阻連接端,使用時(shí),分別通過一個(gè)電容和一個(gè)電阻接地。
腳15(DELAYsETA／B)該端用來設(shè)置OUTA和0UTB的輸出延遲時(shí)間。使用中通過電阻接地。
腳16(UVSEL)欠電壓保護(hù)門檻設(shè)置端。
腳17(SYNc)同步脈沖輸入、輸出端。
腳19(RAMP)電壓斜率設(shè)定端。
腳20(GND)整個(gè)芯片的參考地。
3蓄電池恒流放電控制電路設(shè)計(jì)及工作原理
圖4為直流變換電路恒流放電控制電路圍。電位器P2用于設(shè)定放電電流的大小,電壓Ua為電流環(huán)輸出,用于控制蓄電池恒流放電;電位器P1用于設(shè)定最大輸出電壓的大小,電壓Uc為限壓環(huán)輸出。正常工作時(shí),PWM整流電路控制直流側(cè)電壓設(shè)為Ud1,直流變換電路的限壓設(shè)定值為Ud2限壓環(huán)的電壓反饋值UDF小于設(shè)定值,從而導(dǎo)致限壓環(huán)輸出正飽和,使得電壓Uc大于Ub,二極管D截止,因此,電壓環(huán)不起作用。此時(shí),電流環(huán)起作用,電壓Ub隨著Ua變化而變化,而UC3879的輸出PWM信號(hào)的移相角的大小又由Ub的大小決定,如果放電電流有下降的趨勢(shì),則PI調(diào)節(jié)器正積分,使Un增大,從而使Ub增大,通過UC3879芯片的自動(dòng)調(diào)節(jié),使V1與V4、V2與V3之間的移相角減小,使全橋整流后的脈動(dòng)直流電壓增大,即DC／DC變換電路的輸出功率增大,引起輸入功率增大,從而使放電電流趨于恒定;當(dāng)放電電流有上升的趨勢(shì)時(shí),控制電路的調(diào)節(jié)過程剛好相反。這樣,通過Ub的變化便可控制輸入電流保持恒定,從而達(dá)到恒流放電的目的。進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí),如果PWM整流逆變電路發(fā)生故障,不能將蓄電池釋放的能量返送給電網(wǎng),從而導(dǎo)致直流環(huán)電壓升高,一旦電壓升高到Ud2,此時(shí)電壓環(huán)開始工作,電壓Uc下降,使Ub跟隨Uc變化,控制原理與恒流控制相同,最后使直流環(huán)電壓恒定為Ud2圖4中,CS1及CS2為圖l中變壓器原邊電流輸入端,整流后送入U(xiǎn)C3879的限流輸入端,用于限制變壓器原邊最大電流?？刂齐娐返?路PWM輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后分別去驅(qū)動(dòng)圖l中的4個(gè)ICBT器件(V1～V4)。放電裝置一旦發(fā)生故障,由保護(hù)和檢測(cè)電路發(fā)出的STOP信號(hào)便立即封鎖PWM信號(hào),關(guān)斷IGBT器件。
4實(shí)驗(yàn)波形
采用本文所提出的蓄電池單相有源逆變回饋放電裝置恒流放電的控制方法,研制出了一臺(tái)新型的用于單相220V有源逆變蓄電池回饋放電的實(shí)驗(yàn)裝置,放電電流設(shè)定范圍6～30A[1]。圖5給出了放電電流為20A時(shí)蓄電池放電電流波形,其中縱軸每格553mV代表電流為5A。從圖5中可以看出,電流波形為直線,說明蓄電池放電為在線恒流放電。在實(shí)驗(yàn)的過程中,當(dāng)蓄電池電壓發(fā)生變化時(shí),其放電電流保持恒定不變。
5結(jié)語
控制蓄電池恒流放電是蓄電池放電裝置必須解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文就新型的蓄電池單相有源逆變回饋放電裝置恒流放電的控制方法進(jìn)行了研究,并獲得了蓄電池在線恒流放電控制電路的設(shè)計(jì)方法和電路。
0引言
在蓄電池組維護(hù)的過程中,為了活化蓄電池和測(cè)量蓄電池的容量,必須定期對(duì)蓄電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。目前,國內(nèi)蓄電池放電多采用電阻放電裝置,雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,但很難做到恒流放電,且無法精確計(jì)算蓄電池組的放電容量。本文提出采用雙級(jí)變換電路的方法,即DC／DC變換電路和PWM整流逆變電路,研制出一種新型的蓄電池單相有源逆變回饋放電裝置,并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置既能實(shí)現(xiàn)蓄電池恒流放電,又能將蓄電池組釋放的能量回饋給電網(wǎng),并且使流人電網(wǎng)的電流為正弦渡,對(duì)電網(wǎng)沒有諧波干擾[1]。
由于環(huán)境溫度、充電方式、老化等因素的影響,蓄電池組可供使用的實(shí)際容量往往比其標(biāo)稱容量小得多。為了準(zhǔn)確掌握蓄電池的真實(shí)容量,消除因蓄電池容量衰減造成后備時(shí)間縮短的隱患．必須定期進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn),測(cè)量蓄電池的容量。而放電容量等于放電電流與放電時(shí)間的乘積,所以,控制蓄電池恒流放電是測(cè)量蓄電池真實(shí)容量必須解決的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)。
l蓄電池恒流放電控制主電路設(shè)計(jì)
圖l中采用全橋移相軟開關(guān)技術(shù)的DC／DC變換電路的作用是控制蓄電池恒流放電,同時(shí)將蓄電池電壓變換成PWM整流逆變電路所需要的電壓。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。放電給定電流IcG與實(shí)際的放電電流Id相比較后,其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送入PWM控制器,再由PWM控制器產(chǎn)生PWM信號(hào),該P(yáng)WM信號(hào)再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去控制DC／DC變換電路中的開關(guān)器件IGBT,便可使實(shí)際的放電電流跟蹤給定電流．從而達(dá)到恒流放電的目的。當(dāng)PWM整流逆變電路發(fā)生故障不能向電網(wǎng)回送能量時(shí),如果直流變換電路仍然處于恒流放電工作狀態(tài),則會(huì)引起直流側(cè)電壓升高。為了防止過壓的產(chǎn)生,在圖2中引入了直流電壓限壓控制環(huán),當(dāng)直流側(cè)電壓高于設(shè)定值時(shí),直流變換電路立即從恒流控制轉(zhuǎn)為恒壓控制。
2全橋移相控制集成電路UC3879
PWM控制器采用全橋移相控制集成電路UC3879[2],其引腳排列如圖3所示。各引腳的名稱、功能和用法如下。
腳1(VREF)該引腳輸出一個(gè)溫度特性極佳的5V參考電源。
腳2(COMP)、腳3(EA-)誤差放大器的輸出端與反相輸入端。
腳4(CS)過電流信號(hào)取樣輸入端。當(dāng)該端取樣信號(hào)值大于2.5V,便封鎖輸出的PWM脈沖。
腳5(DELAYSETC／D)該端用來設(shè)置0UTC和0UTD的輸出延遲時(shí)間,使用中通過電阻接地。
腳6(SS)軟起動(dòng)電容連接端,電容的大小與軟起動(dòng)時(shí)間成正比。
腳7(OUTD)、腳8(0UTC)該兩引腳輸出互補(bǔ)的兩路PWM脈沖,該兩路輸出在應(yīng)用中接單相全橋逆變電路中一個(gè)橋臂上下開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端。
腳9(VDD)輸出功率放大級(jí)電源端。
腳10(VIN)輸入電壓欠壓保護(hù)輸入端。
腳1l(PGSD)輸出功率放大級(jí)參考地。
腳12(OUTB)、腳13(OUTA)該兩引腳輸出互補(bǔ)的兩路PWM脈沖,該兩路輸出在應(yīng)用中接單相全橋逆變電路中另一個(gè)橋臂上下開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端。
腳14(Cr)、腳18(m)決定內(nèi)部振蕩器振蕩頻率的電容度電阻連接端,使用時(shí),分別通過一個(gè)電容和一個(gè)電阻接地。
腳15(DELAYsETA／B)該端用來設(shè)置OUTA和0UTB的輸出延遲時(shí)間。使用中通過電阻接地。
腳16(UVSEL)欠電壓保護(hù)門檻設(shè)置端。
腳17(SYNc)同步脈沖輸入、輸出端。
腳19(RAMP)電壓斜率設(shè)定端。
腳20(GND)整個(gè)芯片的參考地。
3蓄電池恒流放電控制電路設(shè)計(jì)及工作原理
圖4為直流變換電路恒流放電控制電路圍。電位器P2用于設(shè)定放電電流的大小,電壓Ua為電流環(huán)輸出,用于控制蓄電池恒流放電;電位器P1用于設(shè)定最大輸出電壓的大小,電壓Uc為限壓環(huán)輸出。正常工作時(shí),PWM整流電路控制直流側(cè)電壓設(shè)為Ud1,直流變換電路的限壓設(shè)定值為Ud2限壓環(huán)的電壓反饋值UDF小于設(shè)定值,從而導(dǎo)致限壓環(huán)輸出正飽和,使得電壓Uc大于Ub,二極管D截止,因此,電壓環(huán)不起作用。此時(shí),電流環(huán)起作用,電壓Ub隨著Ua變化而變化,而UC3879的輸出PWM信號(hào)的移相角的大小又由Ub的大小決定,如果放電電流有下降的趨勢(shì),則PI調(diào)節(jié)器正積分,使Un增大,從而使Ub增大,通過UC3879芯片的自動(dòng)調(diào)節(jié),使V1與V4、V2與V3之間的移相角減小,使全橋整流后的脈動(dòng)直流電壓增大,即DC／DC變換電路的輸出功率增大,引起輸入功率增大,從而使放電電流趨于恒定;當(dāng)放電電流有上升的趨勢(shì)時(shí),控制電路的調(diào)節(jié)過程剛好相反。這樣,通過Ub的變化便可控制輸入電流保持恒定,從而達(dá)到恒流放電的目的。進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí),如果PWM整流逆變電路發(fā)生故障,不能將蓄電池釋放的能量返送給電網(wǎng),從而導(dǎo)致直流環(huán)電壓升高,一旦電壓升高到Ud2,此時(shí)電壓環(huán)開始工作,電壓Uc下降,使Ub跟隨Uc變化,控制原理與恒流控制相同,最后使直流環(huán)電壓恒定為Ud2圖4中,CS1及CS2為圖l中變壓器原邊電流輸入端,整流后送入U(xiǎn)C3879的限流輸入端,用于限制變壓器原邊最大電流?？刂齐娐返?路PWM輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后分別去驅(qū)動(dòng)圖l中的4個(gè)ICBT器件(V1～V4)。放電裝置一旦發(fā)生故障,由保護(hù)和檢測(cè)電路發(fā)出的STOP信號(hào)便立即封鎖PWM信號(hào),關(guān)斷IGBT器件。
4實(shí)驗(yàn)波形
采用本文所提出的蓄電池單相有源逆變回饋放電裝置恒流放電的控制方法,研制出了一臺(tái)新型的用于單相220V有源逆變蓄電池回饋放電的實(shí)驗(yàn)裝置,放電電流設(shè)定范圍6～30A[1]。圖5給出了放電電流為20A時(shí)蓄電池放電電流波形,其中縱軸每格553mV代表電流為5A。從圖5中可以看出,電流波形為直線,說明蓄電池放電為在線恒流放電。在實(shí)驗(yàn)的過程中,當(dāng)蓄電池電壓發(fā)生變化時(shí),其放電電流保持恒定不變。
5結(jié)語
控制蓄電池恒流放電是蓄電池放電裝置必須解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文就新型的蓄電池單相有源逆變回饋放電裝置恒流放電的控制方法進(jìn)行了研究,并獲得了蓄電池在線恒流放電控制電路的設(shè)計(jì)方法和電路。
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