CN104201762A - 一种电力箱变专用操作电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业备用电源，尤其是一种电力箱变专用操作电源。该电源包括安装内部组件并设有接口的机箱、连接蓄电池进行充电的蓄电池充电管理模块、连接两路交流输出线路并控制切换的电源输入切换模块、控制蓄电池进行备用电源输出的逆变输出电源模块、控制交流输出线路和蓄电池供电切换的旁路模块以及用于温度调节的温控模块。本发明的电力箱变专用操作电源提供了宽范围工业运行环境、效率提高，各模块分区温度控制，待机功耗小于2W；提供冲击性感性负载带载能力，最大输出功率1s内可达到200％；可根据铅酸蓄电池的环境温度提供充电电压补偿，可侦测电池的工作状态；采用在线切换实现自动热备用，不同于在线式或后备式UPS。

Description

一种电力箱变专用操作电源
技术领域
本发明涉及一种工业备用电源，尤其是一种电力箱变专用操作电源。
背景技术
目前电力交流操作系统的备用电源通常选用普通的UPS电源，该电源适用于计算机系统或数字设备掉电后作为备用电源系统投入，分为在线式和后备式两种，共同的问题是：
1.现有产品不具备工业运行条件，一般该类产品的使用条件是-5℃到40℃，湿度20％～90％；而工业环境要求为-25℃到60℃。
2.现有产品不具备过冲能力，不能带载具有冲击性负荷的负载，如电动机，电磁线圈负载等；
3.现有产品不具备智能电池维护功能；
4.现有大部分输出为方波交流电，对负载会产生有害的影响：如发热增加，效率低等。
发明内容
本发明提出一种电力箱变专用操作电源，解决了现有技术中运行环境限制大的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
该操作电源包括：
机箱：用于安装内部部件，并设有两个外部交流电源输入接口、蓄电池输入输出接口以及负载输出接口；
蓄电池充电管理模块：与蓄电池输入输出接口连接，用于对蓄电池的充电进行管理；
电源输入切换模块：与两个外部交流电源输入接口连接，根据两路外部交流电源的通断或电压情况选择其中一路外部交流电源供电；
逆变输出电源模块：与电源输入切换模块连接，在两路外部电源全部失电或电压不符合要求时控制蓄电池供电；
旁路模块：连接电源输入切换模块和逆变输出电源模块，控制电源输入切换模块供电和逆变输出电源模块供电之间进行切换；
温控模块：根据机箱内部运行环境对箱体内部的温度进行调节。
优选地，所述的蓄电池充电管理模块包括第一微控制器，所述的第一微控制器连接有高频开关直流电源电路单元、电压调节电路单元、电流调节电路单元、输出电压和电流测量单元及环境温度测量单元，其中第一微控制器采用PWM调制方式输出0～5V模拟量控制电压调节电路单元和电流调节电路单元，实现对电池的充电电压和电流的调节，输出电压和电流测量单元对电池的电压采用差分放大进行测量、对充电电流采用锰铜电阻过流的压降测量。
优选地，高频开关直流电源电路单元包括依次连接的交流整流滤波电路、功率开关管和变压器。
优选地，所述的电磁充电管理模块有浮充和均充两种工作模式，其中，浮充电压为电池组标称电压的1.125倍，均充电压为电池组标称电压的1.175倍，充电电流限制在电池容量的0.1C。
优选地，所述的均充与浮充之间的切换有两种模式，第一种模式为定期转换，即每720小时进行一次；第二种模式为交流输入时，测量到电池电压仅为电池组标称电压的1.042倍时直接进行均充，在充过程中先恒流充电，当电压达到均充电压时，自动转为恒压充电，当充电电流小于0.01C时转成浮充方式，转换结束。
优选地，微控制器通过环境温度测量单元对电池的环境温度的测量，以25℃为基准，温度上升将换算规则进行降低充电电压，温度下降将换算规则上调充电电压，以此确保电池在不同温度环境下不会过充和欠充。
优选地，所述的电源输入切换模块包括一输入检测回路，所述的输入检测回路根据外部电源是否合格判断是否自动转入旁路运行状态。
优选地，逆变输出电源模块由升压DC/DC单元，逆变单元，第二微控制器和辅助开关电源组成，电池电压先输入至DC/DC单元，通过其高频开关电路和变压器，将电压升至400V，做为逆变单元的稳定直流电压输入，逆变单元由逆变开关桥和SPWM驱动电路组成，接受第二微控制器控制，输出220V/50HZ的交流电。
优选地，所述的旁路模块包括旁路检测单元和功率切换单元，旁路运行时，备用电源处于自动充电和热备用工作模式，在两路外部电源全部失电或电压范围不合格时由电源输入切换模块供电转为逆变输出电源模块供电。
由于采用了上述技术方案，本发明的电力箱变专用操作电源具有如下技术效果：
1、提供了宽范围(-25℃到65℃)的适合工业运行环境的系统设计：由于采用模块设计核心部件采用工业级器件，模块化设计，各模块有独立的控制系统，有独立的微控制器分别控制电源切换、电池组充电维护，逆变电源输出和保护，各模块的接口明确，按不同的运行工况自动调整工作状态。
2、效率提高，各模块分区温度控制，待机功耗小于2W。
3、采用高频技术设计的逆变输出可提供冲击性感性负载带载能力，最大输出功率1s内可达到200％，适合电力系统对开关设备的操作应用。
4、自动蓄电池管理，可根据铅酸蓄电池的环境温度提供充电电压补偿，可侦测电池的工作状态。
5、采用在线切换实现自动热备用，不同于在线式或后备式UPS。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例的整体模块结构示意图；
图2为本发明的一个实施例的蓄电池充电管理模块的模块结构示意图；
图3为本发明的一个实施例的切换模块的模块结构示意图；
图4为本发明的一个实施例的高频开关直流电源电路单元模块结构示意图；
图5为本发明的一个实施例的逆变输出电源模块模块结构示意图；
图6为本发明的一个实施例的旁路模块的模块结构示意图。
图中：
机箱1、第一外部交流电源输入接口101、第二外部交流电源输入接口102、蓄电池输入输出接口103、负载输出接口104；
蓄电池充电管理模块2、第一微控制器201、高频开关直流电源电路单元202、电压调节电路单元203、电流调节电路单元204、输出电压和电流测量单元205、环境温度测量单元206、交流整流滤波电路2021、功率开关管2022、变压器2023；
电源输入切换模块3、输入检测回路301、一切换单元302；
逆变输出电源模块4、升压DC/DC单元401，逆变单元402、第二微控制器403、辅助开关电源404；
旁路模块5、旁路检测单元51、功率切换单元52。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，本发明的一个实施例的电力箱变专用操作电源包括：
机箱1：用于安装内部部件，包括第一外部交流电源输入接口101、第二外部交流电源输入接口102、蓄电池输入输出接口103以及负载输出接口104；工作时，第一外部交流电源输入接口101和第二外部交流电源输入接口102分别连接一路交流输入线路，蓄电池输入输出接口103连接外部蓄电池，蓄电池在两路交流输入线路均失电或电压不符合要求时提供备用电源，负载输出接口104连接用电设备。本实施例中蓄电池采用2到4节12V24AH至150AH长寿命高效铅酸蓄电池组。本实施例的机箱上的提供电源输入，电源输出和电池接口采用标准快速插件元件，现场安装方便，并标配接口电缆，杜绝了人为现场接错线的可能。
蓄电池充电管理模块2：与蓄电池输入输出接口103连接，用于对蓄电池的充电进行管理；当外部有电，且蓄电池电压大于有效值时开始充电，例如铅酸蓄电池电压小于有效值时，蓄电池可能异常，一直到蓄电池电压恢复到浮充电压值时则由均充，自动转为浮充，均充状态下充电电流最大为0.1倍电池容量，，浮充充电电压为1.15倍电池组电压，充电电流最小为零的涓流充电，并带有温度系数补偿功能；
电源输入切换模块3：分别与第一外部交流电源输入接口101、第二外部交流电源输入接口102连接，根据两路外部交流电源的通断或电压情况选择其中一路外部交流电源供电；
逆变输出电源模块4：与电源输入切换模块3连接，在两路外部电源全部失电或电压不符合要求时控制蓄电池供电；当外电消失后，逆变电源投入工作，由蓄电池提供后备供电，并完成负荷部分的正常供电，提供200％的过负荷冲击(1S)，短路和过载保护，过压、欠压保护等，输出波形为纯正弦波；
旁路模块5：连接电源输入切换模块和逆变输出电源模块，控制电源输入切换模块供电和逆变输出电源模块供电之间进行切换；
温控模块6：根据机箱内部运行环境对箱体内部的温度进行调节。负责其他模块和整机空间内的温度调节，按照工作模块不同工作区，分为充电器独立散热，逆变器独立散热和整机散热；
本实施例中，所述的蓄电池充电管理模块2包括第一微控制器201，所述的第一微控制器201连接有高频开关直流电源电路单元202、电压调节电路单元203、电流调节电路单元204、输出电压和电流测量单元205及环境温度测量单元206，其中第一微控制器201采用PWM调制方式输出0～5V模拟量控制电压调节电路单元203和电流调节电路单元204，实现对电池的充电电压和电流的调节，输出电压和电流测量单元205对电池的电压采用差分放大进行测量、对充电电流采用锰铜电阻过流的压降测量。
具体的，上述模块中，高频开关直流电源电路单元202包括依次连接的交流整流滤波电路2021、功率开关管2022和变压器2023。
工作时，第一微控制器201通过电压调节电路单元203、电流调节电路单元204实现浮充和均充两种工作模式，其中，浮充电压为电池组标称电压的1.125倍；均充电压为电池组标称电压的1.175倍，充电电流限制在电池容量的0.1C。
在进行充电管理时，所述的均充与浮充之间的切换有两种模式，第一种模式为定期转换，即每720小时进行一次；第二种模式为交流输入时，测量到电池电压仅为电池组标称电压的1.042倍时直接进行均充，在充过程中先恒流充电，当电压达到均充电压时，自动转为恒压充电，当充电电流小于0.01C时转成浮充方式，转换结束。
为了对蓄电池的充电进行精确控制，需要考虑到环境温度对充电的影响，当进行恒压充电时，环境温度较高会造成蓄电池的过充，环境温度较低会造成蓄电池的欠充，为了解决这种问题，本实施例中，第一微控制器201通过环境温度测量单元对电池的环境温度的测量，以25℃为基准，温度上升将换算规则进行降低充电电压，温度下降将换算规则上调充电电压，以此确保电池在不同温度环境下不会过充和欠充。
本实施例中，所述的电源输入切换模块3包括一输入检测回路301及一切换单元302，所述的输入检测回路判断两路外部交流电源是否合格，切换单元302切换到合格的外部交流电源进行输入。所述的合格包括外部电源的通断情况和电压是否符合要求。电压符合要求是指电压是否在正常的供电电压范围之内，一般为标准电压的±10V至±20V范围内。
本实施例中逆变输出电源模块4主要负责在蓄电池进行备用供电时，将蓄电池的直流输出转换为交流输出，在逆变输出电源模块4的设计上，逆变输出电源模块4由升压DC/DC单元401，逆变单元402，第二微控制器403和辅助开关电源404组成，蓄电池先输入至升压DC/DC单元401，升压DC/DC单元401包括高频开关电路和变压器，第二微控制器升压DC/DC单元401将电压升至400V，作为逆变单元403的稳定直流电压输入，逆变单元403由逆变开关桥和SPWM驱动电路组成，接受第二微控制器控制，输出220V/50HZ的交流电。
工作时，第二微控制器403为工业级16位高性能微处理器，利用内部ccp模块的pwm工作模式直接从引脚输出2路spwm信号，通过非门逻辑电路74h000的变换，为驱动电路提供了4路对应的spwm脉冲控制逆变单元。
输出电压通过电压互感器和微处理器内部的高精度12位a/d进行测量。同时，为了防止输出电流过高而损害电源，设计了短路、过流、过载、输出欠压及温度保护电路，为了防止电池过度放电，设计了输入过欠压等保护。
本实施例中，所述的旁路模块5包括旁路检测单元51和功率切换单元52，旁路运行时，备用电源处于自动充电和热备用工作模式，在两路外部电源全部失电或电压范围不合格时由电源输入切换模块供电转为逆变输出电源模块供电。
本实施例中，根据各模块的散热需要，所述的温控模块6包括充电模块散热单元、逆变模块散热单元以及整机散热单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电力箱变专用操作电源，其特征在于，包括：
机箱：用于安装内部部件，并设有两个外部交流电源输入接口、蓄电池输入输出接口以及负载输出接口；
蓄电池充电管理模块：与蓄电池输入输出接口连接，用于对蓄电池的充电进行管理；
电源输入切换模块：与两个外部交流电源输入接口连接，根据两路外部交流电源的通断或电压情况选择其中一路外部交流电源供电；
逆变输出电源模块：与电源输入切换模块连接，在两路外部电源全部失电或电压不符合要求时控制蓄电池供电；
旁路模块：连接电源输入切换模块和逆变输出电源模块，控制电源输入切换模块供电和逆变输出电源模块供电之间进行切换；
温控模块：根据机箱内部运行环境对箱体内部的温度进行调节。
2.如权利要求1所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：所述的蓄电池充电管理模块包括第一微控制器，所述的第一微控制器连接有高频开关直流电源电路单元、电压调节电路单元、电流调节电路单元、输出电压和电流测量单元及环境温度测量单元，其中第一微控制器采用PWM调制方式输出0～5V模拟量控制电压调节电路单元和电流调节电路单元，实现对电池的充电电压和电流的调节，输出电压和电流测量单元对电池的电压采用差分放大进行测量、对充电电流采用锰铜电阻过流的压降测量。
3.如权利要求2所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：高频开关直流电源电路单元包括依次连接的交流整流滤波电路、功率开关管和变压器。
4.如权利要求3所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：所述的电磁充电管理模块有浮充和均充两种工作模式，其中，浮充电压为电池组标称电压的1.125倍，均充电压为电池组标称电压的1.175倍，充电电流限制在电池容量的0.1C。
5.如权利要求4所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：所述的均充与浮充之间的切换有两种模式，第一种模式为定期转换，即每720小时进行一次；第二种模式为交流输入时，测量到电池电压仅为电池组标称电压的1.042倍时直接进行均充，在充过程中先恒流充电，当电压达到均充电压时，自动转为恒压充电，当充电电流小于0.01C时转成浮充方式，转换结束。
6.如权利要求5所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：微控制器通过环境温度测量单元对电池的环境温度的测量，以25℃为基准，温度上升将换算规则进行降低充电电压，温度下降将换算规则上调充电电压，以此确保电池在不同温度环境下不会过充和欠充。
7.如权利要求6所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：所述的电源输入切换模块包括一输入检测回路，所述的输入检测回路根据外部电源是否合格判断是否自动转入旁路运行状态。
8.如权利要求7所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：逆变输出电源模块由升压DC/DC单元，逆变单元，第二微控制器和辅助开关电源组成，电池电压先输入至DC/DC单元，通过其高频开关电路和变压器，将电压升至400V，做为逆变单元的稳定直流电压输入，逆变单元由逆变开关桥和SPWM驱动电路组成，接受第二微控制器控制，输出220V/50HZ的交流电。
9.如权利要求8所述的电力箱变专用操作电源，其特征在于：所述的旁路模块包括旁路检测单元和功率切换单元，旁路运行时，备用电源处于自动充电和热备用工作模式，在两路外部电源全部失电或电压范围不合格时由电源输入切换模块供电转为逆变输出电源模块供电。
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