鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測(cè)范文

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《電源技術(shù)雜志》2015年第十一期

摘要：

用15kVA鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)電力機(jī)車(chē)進(jìn)行研究，完成了基于PWM整流逆變技術(shù)的蓄電池充放電裝置與檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方式解決了傳統(tǒng)蓄電池充放電裝置功率因數(shù)低、高諧波污染等不足。試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果表明該裝置具有能量雙向流動(dòng)、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率靈活調(diào)控的特點(diǎn)。放電功率的可控性簡(jiǎn)化了操作人員的工作，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)的可靠性與設(shè)備的安全性。

關(guān)鍵詞：

蓄電池充放電系統(tǒng)；脈寬調(diào)制；功率因素

傳統(tǒng)的蓄電池充放電裝置大部分采用可控硅整流，這是一種非線性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生頻率為工頻頻率的整數(shù)倍的諧波。諧波危害十分嚴(yán)重，它會(huì)大大降低電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，絕緣老化，縮短使用壽命，甚至發(fā)生故障或燒毀。此外，在傳統(tǒng)的電池產(chǎn)品出廠老化試驗(yàn)過(guò)程中和電池使用維護(hù)時(shí)，大多使用功率電阻、水電阻等能耗型負(fù)載充當(dāng)被試電池產(chǎn)品的負(fù)載。這些能耗型負(fù)載雖然工作原理簡(jiǎn)單，價(jià)格比較低，但在使用中存在老化試驗(yàn)過(guò)程中能量消耗大，測(cè)試條件設(shè)定調(diào)節(jié)繁瑣，測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，測(cè)試結(jié)果分析時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)[1-4]?；诖耍疚挠?5kVA鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)電力機(jī)車(chē)進(jìn)行研究，完成了基于PWM整流逆變技術(shù)的蓄電池充放電裝置與檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方式解決了傳統(tǒng)蓄電池充放電裝置功率因數(shù)低、高諧波污染等不足。試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果表明該裝置具有能量雙向流動(dòng)、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、功率因數(shù)高、功率靈活調(diào)控的特點(diǎn)。放電功率的可控性簡(jiǎn)化了操作人員的工作，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)的可靠性與設(shè)備的安全性。

1系統(tǒng)原理

蓄電池充放電裝置的原理圖如圖1所示。蓄電池充放電裝置主要由DC/DC變換器、三相脈沖整流器(PWM整流器)、隔離變壓器、控制系統(tǒng)、電源和風(fēng)扇等輔助電路共同組成。其工作原理是：DC/DC變換器首先對(duì)外部被試直流電源的直流電壓進(jìn)行變換處理，使之符合系統(tǒng)運(yùn)行要求，此外將對(duì)輸入功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電裝置調(diào)節(jié)功能，在DC/DC變換器的前端可設(shè)計(jì)有熔斷器和真空繼電器以提高系統(tǒng)的可靠性；三相PWM整流器則將DC/DC變換器輸出的穩(wěn)定直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷海ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)和控制PWM整流器三相輸出電壓的大小以及與電網(wǎng)電壓之間的相位差，可以將DC/DC變換器輸送的能量饋入三相交流電網(wǎng)以及調(diào)控蓄電池充放電裝置交流側(cè)的功率因數(shù)；而隔離變壓器則實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電裝置與電網(wǎng)的隔離，提高試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性能和保障操作者的人身安全，提高蓄電池充放電裝置對(duì)被試電源的適應(yīng)性[5-6]；隔離變壓器與交流電網(wǎng)之間的濾波器和斷路器則是為了濾除PWM整流器工作產(chǎn)生的高頻諧波污染和在需要的時(shí)候?qū)⑿铍姵爻浞烹娧b置從電網(wǎng)中完全切除。

2PWM變流器的設(shè)計(jì)

三相PWM整流器的作用是將DC/DC變換器輸出的穩(wěn)定直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM整流器三相輸出電壓的大小以及控制與電網(wǎng)電壓之間的相位差，PWM整流器不但可以將DC/DC變換器輸送的能量饋入三相交流電網(wǎng)，而且還可以有效調(diào)控蓄電池充放電裝置交流側(cè)的功率因數(shù)，其原理圖如圖2所示。采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方式，三相調(diào)制信號(hào)uru、urv和urw為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號(hào)是一個(gè)正負(fù)方向變化的三角形波uc。A、B和C相自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件的控制方法相同，現(xiàn)以A相為例：在uru>uc的各區(qū)間，給上橋臂電力晶體管V1以導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)。在uru<uc的各區(qū)間，給V1以關(guān)斷信號(hào)，V4以導(dǎo)通信號(hào)。圖3是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對(duì)于負(fù)載中性點(diǎn)N的相電壓波形。

3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以TI公司的DSP-TMS320F2812PGFA為核心，可以實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的處理、AD轉(zhuǎn)換、DC/DC變換器和PWM整流器控制脈沖的產(chǎn)生、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制、故障保護(hù)和存儲(chǔ)、RS485通訊等功能，外部擴(kuò)展了CPLD、SRAII、雙口RAM、四通道14位AD轉(zhuǎn)換器、四通道12位DA轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和EEPROM等，利用CPLD實(shí)現(xiàn)了16路數(shù)字輸入通道和16路數(shù)字輸出通道，另外還具有16路PWM輸出通道，八路模擬信號(hào)輸入及處理電路，對(duì)外串行接口包括RS-232串行數(shù)據(jù)接口、隔離的RS-485串行數(shù)據(jù)接口、符合CAN2.0A/B協(xié)議的隔離CAN總線接口、符合USBI.1協(xié)議的USB總線接口、SPI同步串口以及McBSP多通道緩沖串行口?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.2控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要模塊包括：DC/DC變換處理程序、電壓相序等中斷處理程序、功率保護(hù)處理程序、系統(tǒng)故障檢測(cè)與處理程序以及相關(guān)輔助器件等的控制程序。其主函數(shù)的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。系統(tǒng)的初始化函數(shù)包括中斷初始化、IO口初始化、工作初始化、外設(shè)初始化、用戶(hù)自定義程序初始化和中斷地址初始化，在主函數(shù)運(yùn)行前，必須完成系統(tǒng)的初始化工作。網(wǎng)壓相序判斷函數(shù)的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。網(wǎng)壓捕獲函數(shù)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

4裝置試驗(yàn)

試驗(yàn)前必須做好試驗(yàn)準(zhǔn)備，包括查線、相位檢測(cè)、變流元檢查、整機(jī)檢查與上電準(zhǔn)備，確保儀器能正常、安全運(yùn)行。試驗(yàn)分為空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、放電試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)四個(gè)部分?？蛰d試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2(額定電阻R=1Ω)所示，放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)，測(cè)得充電工況下輸出側(cè)的波形質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)如表5所示。通過(guò)以上對(duì)裝置空載、負(fù)載、放電等情況的試驗(yàn)測(cè)試以及裝置在工作過(guò)程中的溫升記錄，結(jié)果表明裝置運(yùn)行正常，實(shí)際輸出電壓與參數(shù)設(shè)定的110V基本一致，輸出電壓穩(wěn)定度高，紋波小，網(wǎng)側(cè)的功率因素接近1，而輸出電壓總諧波畸變小于5，諧波污染小。

參考文獻(xiàn)：

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作者：唐亞平 魏麗君 張敏三 單位：湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院