智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器的設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2021-12-05 15:29:58 來(lái)源：浙江消控電氣有限公司
隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷地提高，各行業(yè)對(duì)供電的可靠性、安全性、連續(xù)性提出了越來(lái)越高的要求，很多場(chǎng)合需要采用兩路電源來(lái)保證供電的可靠性和連續(xù)性。例如商場(chǎng)、銀行、醫(yī)院、通信部門(mén)、交通部門(mén)以及國(guó)防軍事等部門(mén)都要求能連續(xù)不間斷地安全供電。而智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器能夠很好地解決上述問(wèn)題，為可靠、連續(xù)地供電提供強(qiáng)有力的保證。目前在很多企業(yè)和領(lǐng)域都使用了智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器，它有著廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。本文介紹的智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器主要由控制單元(PIC16F884單片機(jī))和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(兩臺(tái)三或四塑殼斷路器)組成?？刂茊卧饕?fù)責(zé)各種信號(hào)的辨識(shí)檢測(cè)、運(yùn)算處理和控制輸出。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制單元的各種控制命令，從而構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。
工作原理
智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器以單片機(jī)PIC16F884為核心，對(duì)兩路供電電源(常用電源和備用電源)的電壓、頻率和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)其中一路電源(常用電源或備用電源)的電壓發(fā)生過(guò)壓、欠壓或是缺相時(shí)，控制器就會(huì)發(fā)出電機(jī)切換命令，使供電電源自動(dòng)切換到另一路電源(備用電源或常用電源)上，以此來(lái)保障供電的連續(xù)性?？刂破鞯墓ぷ鞣绞街饕凶詣?dòng)方式和手動(dòng)方式兩種。
1.1 自動(dòng)工作模式
自動(dòng)工作模式可分為：自投自復(fù)、自投不自復(fù)和電網(wǎng)-發(fā)電機(jī)三種方式。其中，前兩種主要應(yīng)用于電網(wǎng)-電網(wǎng)供電模式，而第三種則是應(yīng)用于電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)供電模式。
(1)自投自復(fù)模式：控制器對(duì)兩路電源進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)兩路電源都正常工作時(shí)，則負(fù)載由常用電源供電;當(dāng)常用電源發(fā)生故障(過(guò)壓、欠壓或缺相)時(shí)，控制器發(fā)出電機(jī)切換命令使電源自動(dòng)切換到備用電源，此時(shí)負(fù)載由備用電源供電;當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時(shí)，控制器再次發(fā)出電機(jī)切換命令使負(fù)載供電由備用電源返回到常用電源。
(2)自投不自復(fù)模式：其工作方式和自投自復(fù)類(lèi)似，但只有當(dāng)備用電源也出現(xiàn)故障時(shí)才自動(dòng)返回到常用電源，否則將一直由備用電源給負(fù)載供電。
(3)電網(wǎng)-發(fā)電機(jī)模式：當(dāng)常用電源發(fā)生故障時(shí)，控制器輸出發(fā)電機(jī)啟動(dòng)命令，經(jīng)短暫延時(shí)后斷開(kāi)常用電源，此時(shí)負(fù)載由發(fā)電機(jī)供電;當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時(shí)，控制器輸出發(fā)電機(jī)停機(jī)命令同時(shí)電源自動(dòng)切換到常用電源上，負(fù)載返回到由常用電源供電模式。
1.2 手動(dòng)模式
在手動(dòng)模式下，電源不能自動(dòng)切換而需要人為操作，主要有常用電源供電、備用電源供電和斷電再扣方式。
常用電源供電：強(qiáng)制常用斷路器閉合，備用斷路器斷開(kāi)。
備用電源供電：強(qiáng)制備用斷路器閉合，常用斷路器斷開(kāi)。
斷電再扣：同時(shí)強(qiáng)制斷開(kāi)常用斷路器和備用斷路器或是閉合因故障而斷開(kāi)的斷路器。
硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)的選擇
控制器要求對(duì)交流電壓、頻率和相位進(jìn)行檢測(cè)，有多路控制信號(hào)的輸入和輸出，為了節(jié)約成本和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇自帶A/D轉(zhuǎn)換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的單片機(jī)。此外，控制器里的強(qiáng)電信號(hào)和繼電器等元件會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生很大的干擾，這就要求單片機(jī)能夠有較好的抗干擾能力。綜上考慮，本設(shè)計(jì)選擇了PIC16F884單片機(jī)。它是Microchip公司目前主推的產(chǎn)品，采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)機(jī)構(gòu)和一次性可編程(OTP)技術(shù)使得PIC16F884單片機(jī)具有高速的穩(wěn)定性和非常強(qiáng)的抗干擾能力;8 KB的閃存、256 B的EEPROM、10位A/D轉(zhuǎn)換器和CCP輸入捕捉，可以滿(mǎn)足本控制器的設(shè)計(jì)要求。
2.2 頻率檢測(cè)
單片機(jī)對(duì)常用和備用電源進(jìn)行頻率檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果來(lái)判斷電源是否發(fā)生故障，然后進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。頻率檢測(cè)電路主要以光耦TLP521-1和施密特觸發(fā)器CD40106為主要器件構(gòu)成。電網(wǎng)中的交流電經(jīng)變壓器后變換為電壓較低的交流信號(hào)U1，U1經(jīng)過(guò)光耦TLP521-1后就變成了同頻率的方波信號(hào)。為了防止光耦內(nèi)部的二管被反向電流擊穿，在光耦外部反向接了 1個(gè)二管。為了使光耦輸出的方波信號(hào)更加規(guī)整，為單片機(jī)測(cè)量頻率做好準(zhǔn)備，在光耦的輸出級(jí)加了施密特觸發(fā)器CD40106。利用PIC16F884單片機(jī)的輸入捕捉(CCP)功能記錄個(gè)上升沿的時(shí)間t1和下一個(gè)上升沿的時(shí)間t2，則信號(hào)的周期T=(t2-t1) s。為了提高測(cè)量的精度，采用多次測(cè)量取平均值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.3 電壓檢測(cè)
電壓檢測(cè)主要用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)常用和備用電源的電壓。PIC16F884單片機(jī)有14通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿(mǎn)足電壓采樣的精度。由于 PIC16F884單片機(jī)只能對(duì)0～5 V間的單性電壓進(jìn)行檢測(cè)，故需要對(duì)交流電壓進(jìn)行提升使它成為單性的電壓信號(hào)。電壓檢測(cè)電路如圖4所示 [1]。
電路采用單電源供電的運(yùn)放MCP604構(gòu)成無(wú)限增益多路反饋二階低通濾波器，除能夠?qū)涣餍盘?hào)進(jìn)行電壓提升外，還可以濾除交流信號(hào)中的高頻成分，防止交流采樣發(fā)生混疊效應(yīng)。交流工頻信號(hào)的采集，一般以其有效值進(jìn)行計(jì)算：
，其中，N為1個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)(本系統(tǒng)中取N=40)，ui為第i個(gè)采樣值。為了能夠在1個(gè)工頻周期內(nèi)采樣到40個(gè)點(diǎn)，需要每隔500 s啟動(dòng)1次 A/D轉(zhuǎn)換。此過(guò)程可以用CCP的觸發(fā)事件來(lái)完成。將CCP的觸發(fā)事件設(shè)置成啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，在程序中初始化CCP寄存器的值為 0X1F4(500 ?滋s)即可。上述方法的缺點(diǎn)是在1個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N為定值(40)，而由于電網(wǎng)的波動(dòng)，電網(wǎng)電壓的頻率可能會(huì)發(fā)生變化，會(huì)造成測(cè)量的誤差，因此，為了進(jìn)一步提高電壓采集的精度，還使用了頻率跟蹤法。首先利用單片機(jī)測(cè)出交流電壓的頻率，然后根據(jù)頻率來(lái)計(jì)算1個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N，這樣可以大大降低因頻率變換而造成的測(cè)量誤差。
2.4 通信接口
為了使控制器能夠方便地與上層控制平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)控制器的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，本設(shè)計(jì)為控制器添加了通信接口，采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的RS485總線(xiàn)與外界進(jìn)行通信。RS485采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，有較好的抗干擾能力，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊很容易實(shí)現(xiàn)從RS485到RS232 的信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而便于和上位計(jì)算機(jī)通信。選用了Maxim公司的MAX485芯片作為通信控制的主要器件，其工作電源為+5 V，采用半雙工通信方式，能夠?qū)TL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，內(nèi)部包含了1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)收發(fā)器，通過(guò)串口可以方便地與PIC16F884進(jìn)行通信。MAX485的接口電路如圖 5所示。
2.5 其他部分接口
消防檢測(cè)：控制器設(shè)有一組無(wú)源消防信號(hào)的輸入端子，信號(hào)輸入采用光耦隔離，以提高抗干擾能力。并且?guī)в幸唤M無(wú)源反饋信號(hào)輸出端子可將開(kāi)關(guān)的到位信號(hào)返回到消防設(shè)備。
LCD顯示：控制器的人機(jī)界面由LCD(1602)和發(fā)光二管(LED)組成?？刂破鞯母鞣N工作狀態(tài)和工作模式通過(guò)相應(yīng)的LED顯示。通過(guò)LCD和按鍵組成的人機(jī)交互方式對(duì)控制器的各種參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的查詢(xún)、修改和設(shè)定等操作。
電機(jī)切換：利用三管的開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等。
開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)：利用開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路可以使控制器對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便發(fā)出各種準(zhǔn)確的控制命令。
軟件設(shè)計(jì)
程序采用C語(yǔ)言，在MPLAB+ICD2的開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)，控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)。主要模塊有：系統(tǒng)初始化、A/D采集、CCP頻率測(cè)量、開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、顯示報(bào)警、輸出驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)整定和存儲(chǔ)等。系統(tǒng)的控制軟件流程圖如圖6所示。
可靠性和穩(wěn)定性分析
智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器主要運(yùn)用在一些對(duì)供電質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，因此，控制器的穩(wěn)定性和可靠性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本系統(tǒng)中有強(qiáng)電和弱電共存且相互影響的情況，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，各個(gè)部分都采用了光電隔離和濾波技術(shù)。在系統(tǒng)中增加專(zhuān)門(mén)的濾波模塊以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的電源采用雙線(xiàn)圈輸出的變壓器，使得系統(tǒng)電源和信號(hào)通道保持物理上的隔離。另外，還采用了軟件濾波和看門(mén)狗等技術(shù)以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的智能型雙電源開(kāi)關(guān)控制器能夠?qū)陕冯娫吹倪^(guò)壓、欠壓和缺相進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)和監(jiān)控，能夠自由、精確地在兩路電源中自動(dòng)切換，有廣泛的使用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 李海濤，儀維，吳筱堅(jiān)，等.PIC單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)典型模塊[M].北京:人民教育出版社，2007.
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[3] Microchip Technology Inc.PICl6F884 datasheet.2008.