鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測范文

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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控制系統(tǒng)對電力機車進行研究，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控制系統(tǒng)設(shè)計，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。試驗及檢測結(jié)果表明該裝置具有能量雙向流動、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。放電功率的可控性簡化了操作人員的工作，同時也提高了數(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，這是一種非線性負荷，會產(chǎn)生頻率為工頻頻率的整數(shù)倍的諧波。諧波危害十分嚴重，它會大大降低電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，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)品出廠老化試驗過程中和電池使用維護時，大多使用功率電阻、水電阻等能耗型負載充當(dāng)被試電池產(chǎn)品的負載。這些能耗型負載雖然工作原理簡單，價格比較低，但在使用中存在老化試驗過程中能量消耗大，測試條件設(shè)定調(diào)節(jié)繁瑣，測試數(shù)據(jù)不準確，測試結(jié)果分析時間長等缺點[1-4]。基于此，本文用15kVA鎘鎳堿性蓄電池充放電檢測控制系統(tǒng)對電力機車進行研究，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控制系統(tǒng)設(shè)計，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。試驗及檢測結(jié)果表明該裝置具有能量雙向流動、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。放電功率的可控性簡化了操作人員的工作，同時也提高了數(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變換器首先對外部被試直流電源的直流電壓進行變換處理，使之符合系統(tǒng)運行要求，此外將對輸入功率進行調(diào)節(jié)和控制，實現(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^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)；而隔離變壓器則實現(xiàn)蓄電池充放電裝置與電網(wǎng)的隔離，提高試驗系統(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

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嘟涣麟妷海ㄟ^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uru、urv和urw為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是一個正負方向變化的三角形波uc。A、B和C相自關(guān)斷開關(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)動信號，而給下橋臂V4以關(guān)斷信號。在uru<uc的各區(qū)間，給V1以關(guān)斷信號，V4以導(dǎo)通信號。圖3是三相橋式PWM逆變電路輸出三相對于負載中性點N的相電壓波形。

3控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計以TI公司的DSP-TMS320F2812PGFA為核心，可以實現(xiàn)反饋信號的處理、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)運行狀態(tài)的監(jiān)視和控制、故障保護和存儲、RS485通訊等功能，外部擴展了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、實時時鐘和EEPROM等，利用CPLD實現(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，八路模擬信號輸入及處理電路，對外串行接口包括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。控制系統(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)計下位機軟件設(shè)計主要模塊包括：DC/DC變換處理程序、電壓相序等中斷處理程序、功率保護處理程序、系統(tǒng)故障檢測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、用戶自定義程序初始化和中斷地址初始化，在主函數(shù)運行前，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)計流程圖如圖6所示。網(wǎng)壓捕獲函數(shù)的軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

4裝置試驗

試驗前必須做好試驗準備，包括查線、相位檢測、變流元檢查、整機檢查與上電準備，確保儀器能正常、安全運行。試驗分為空載試驗、負載試驗、放電試驗和溫升試驗四個部分。空載試驗數(shù)據(jù)如表1所示。負載試驗數(shù)據(jù)如表2(額定電阻R=1Ω)所示，放電試驗數(shù)據(jù)如表3所示，溫升試驗數(shù)據(jù)如表4所示。在試驗的基礎(chǔ)上，可以通過上位機監(jiān)測，測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。通過以上對裝置空載、負載、放電等情況的試驗測試以及裝置在工作過程中的溫升記錄，結(jié)果表明裝置運行正常，實際輸出電壓與參數(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：

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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