本發(fā)明涉及開關(guān)電源,特別是一種智能恒功率整流控制的開關(guān)電源。
背景技術(shù):
高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極 - 大地運(yùn)行方式時(shí),直流接地極處有高達(dá)幾千安培的 電流入地。如此大的電流,可能會(huì)對(duì)幾十公里甚至上百公里范圍內(nèi)的埋地油氣管道及站內(nèi) 設(shè)備產(chǎn)生干擾 :影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行;會(huì)在埋地管道上形成流入、流出的雜散電 流,在流出部位很短時(shí)間內(nèi)即可發(fā)生管道的腐蝕穿孔 ;在流入部位會(huì)大大增加管道的過保護(hù)風(fēng)險(xiǎn),引發(fā)防腐層剝離、管材氫脆及氫損傷等安全問題。
為避免直流干擾對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕,抑制管道受到直流輸電系統(tǒng)單極大地回流而產(chǎn)生的短時(shí)大電流沖擊,需對(duì)管道大范圍的電位偏移進(jìn)行強(qiáng)制糾偏,確保強(qiáng)直流干擾狀態(tài)下陰極保護(hù)電源設(shè)備的正常運(yùn)行,需使用大功率的雙向強(qiáng)制排流電源設(shè)備 (以下簡(jiǎn)稱“排流 電源設(shè)備”)。
目前油氣管道常用的陰極保護(hù)恒電位儀,是一種自動(dòng)控制的整流器,其輸出量可以調(diào)節(jié),由閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)穩(wěn)定通電點(diǎn)通電電位的直流供電設(shè)備。它主要適用于構(gòu)筑物/電解質(zhì)的電位經(jīng)常波動(dòng)的地方。恒電位儀的工作原理,是用參比電極來(lái)采集一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)筑物/電解質(zhì)的電位訊號(hào)源,將采集到的訊號(hào)送進(jìn)比較放大器,通過比較放大后,調(diào)整主回路的輸出電流,維持一個(gè)恒定的電位。
如果將現(xiàn)有的陰極保護(hù)恒電位儀用于抑制管道受到直流輸電系統(tǒng)單極大地回流而產(chǎn)生的短時(shí)大電流沖擊,對(duì)管道大范圍的電位偏移進(jìn)行強(qiáng)制糾偏,將存在如下不足:
1、單臺(tái)設(shè)備功率太小。有案例表明,直流輸電系統(tǒng)單極大地回流可產(chǎn)生3000A的入地電流,管道上可產(chǎn)生約高達(dá)+200V的電位。常規(guī)恒電位儀功率通常在1000W(20A/50V)以內(nèi),強(qiáng)干擾區(qū)內(nèi)的管道沿線需布設(shè)數(shù)十臺(tái)、甚至上百臺(tái)的恒電位儀方能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制糾偏,這在工程上難以實(shí)施。
2、恒電位控制范圍受限。當(dāng)碳鋼和低合金鋼陰極保護(hù)采用Cu-CuSO4參比電極時(shí),常規(guī)恒電位儀的恒電位控制范圍為0~-3V。一旦管道受到雜散電流干擾而產(chǎn)生的電位超過此范圍,常規(guī)恒電位儀將自動(dòng)轉(zhuǎn)換成恒電流工作方式,難以實(shí)現(xiàn)正常穩(wěn)定的保護(hù)。
3、不具備待命監(jiān)測(cè)與自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)功能。直流輸電系統(tǒng)單極大地回流運(yùn)行具有發(fā)生及持續(xù)時(shí)間不確定、短時(shí)強(qiáng)電流等特點(diǎn),大部分時(shí)間下管道無(wú)雜散電流干擾。這就需要陰極保護(hù)電源設(shè)備長(zhǎng)期處于待命監(jiān)測(cè)狀態(tài),一旦發(fā)生大電流干擾可以自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)。常規(guī)恒電位儀不具備該項(xiàng)功能。
4、設(shè)備抗干擾能力不足。常規(guī)恒電位儀具有抗交流50Hz、30V工頻持續(xù)干擾功能,參比線、零位線之間瞬間能承受4J、1500V過電壓。直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極大地回流的持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí),管道上可產(chǎn)生約高達(dá)+200V的電位。常規(guī)恒電位儀在這種工況下明顯存在抗雜散電流干擾能力不足的問題。
5、不具備極性轉(zhuǎn)換能力。直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極大地回流時(shí),入地電流的極性是CN105337512A說(shuō)明書32/5頁(yè)4隨機(jī)的,既可能是正極入地,也可能是負(fù)極入地。因此,如果要對(duì)管道電位偏移進(jìn)行強(qiáng)制糾偏,陰極保護(hù)電源設(shè)備輸出電流極性應(yīng)根據(jù)干擾源的極性進(jìn)行轉(zhuǎn)換。常規(guī)恒電位儀的恒電位極性為負(fù),不具備極性轉(zhuǎn)換能力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本發(fā)明提供了一種智能恒功率整流控制的開關(guān)電源。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種智能恒功率整流控制的開關(guān)電源,包括MCU單片機(jī)和分別與MCU單片機(jī)相連的小電流輸出單元、正極性輸出觸發(fā)單元、負(fù)極性輸出觸發(fā)單元、數(shù)據(jù)采集隔離變換模塊、對(duì)外通訊接口、鍵盤及操作開關(guān)、液晶顯示器及聲光報(bào)警裝置;所述正極性輸出觸發(fā)單元和負(fù)極性輸出觸發(fā)單元分別與整流電路的恒電位變流器連接;所述小電流輸出單元與整流電路的切換電路連接;所述數(shù)據(jù)采集隔離變換模塊與整流電路的防雷抗直流干擾單元連接;MCU單片機(jī)控制電流及電壓在電源整機(jī)額定值范圍內(nèi)做智能調(diào)整而功率輸出值穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的積極效果是:
1、運(yùn)用單片機(jī)輸入程序,實(shí)現(xiàn)電源的電流電壓及功率在隨機(jī)調(diào)節(jié)過程中,隨著功率值的變化,電源電流及電壓在電源整機(jī)額定值范圍內(nèi)做智能調(diào)整而功率輸出值穩(wěn)定調(diào)節(jié),廣泛應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏等加熱領(lǐng)域及行業(yè)內(nèi)的特殊領(lǐng)域,可大大提高效率,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
2、排流電源設(shè)備功率大幅提高。常規(guī)的陰極保護(hù)用恒電位儀功率通常在1000W(20A/50V)以內(nèi)。本發(fā)明創(chuàng)造提出的排流電源設(shè)備通過使用可控硅整流電路,采用可控硅整流恒電位變流器作為功率輸出器件,變壓器采用油冷卻方式,實(shí)現(xiàn)了最大功率20kW的穩(wěn)定輸出。同時(shí),結(jié)合防護(hù)等級(jí)的提升,滿足了戶外安裝使用的要求。
針對(duì)直流輸電系統(tǒng)單極大地回流而產(chǎn)生的短時(shí)大電流沖擊,排流電源設(shè)備可對(duì)管道大范圍的電位偏移進(jìn)行強(qiáng)制糾偏,從而確保強(qiáng)直流干擾狀態(tài)下陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。
3、恒電位控制范圍大幅擴(kuò)大。常規(guī)恒電位儀的恒電位控制范圍為0~-3V,一旦管道受到雜散電流干擾而產(chǎn)生的電位超過此范圍,將自動(dòng)轉(zhuǎn)換成恒電流工作方式或故障停機(jī)。本發(fā)明創(chuàng)造提出的排流電源設(shè)備通過使用可控硅整流電路,將輸出電壓范圍擴(kuò)大至-200V~+200V,并能連續(xù)調(diào)節(jié)。
4、具備待命監(jiān)測(cè)與自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)功能。直流輸電系統(tǒng)單極大地回流運(yùn)行是小概率事件,大部分時(shí)間下管道無(wú)雜散電流干擾,正常陰極保護(hù)所需的電流量?jī)H在數(shù)安培的范圍內(nèi)。本發(fā)明創(chuàng)造提出的排流電源設(shè)備設(shè)置了可控硅整流和小電流輸出兩套輸出單元。正常情況下,電源設(shè)備運(yùn)行小電流輸出單元,單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路將對(duì)管/地電位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)管道受到強(qiáng)直流干擾,排流電源設(shè)備多個(gè)采樣控制點(diǎn)的管/地電位算數(shù)平均值正于-0.85V或負(fù)于-1.5V時(shí),通過單片機(jī)芯片自動(dòng)切換到可控硅整流輸出單元運(yùn)行模式,進(jìn)行大電流輸出。
5、輸出電壓的極性可隨管地電位的極性而自動(dòng)轉(zhuǎn)換。常規(guī)恒電位儀的恒電位控制范圍為0~-3V,輸出電壓的極性恒定為負(fù)。直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極大地回流時(shí),入地電流的極性是隨機(jī)的。因此,如果要對(duì)管道電位偏移進(jìn)行強(qiáng)制糾偏,排流電源設(shè)備輸出電流極性應(yīng)根據(jù)干擾源的極性進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本發(fā)明創(chuàng)造提出的排流電源設(shè)備采用橋式整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可根據(jù)實(shí)際輸出電壓極性的需要,通過采用單片機(jī)芯片進(jìn)行智能處理,自動(dòng)切換可控硅器件的觸發(fā)信號(hào),來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的極性改變。
6、具備智能化功能。常規(guī)恒電位儀多為機(jī)械式,不能實(shí)現(xiàn)智能化管理操作。本發(fā)明創(chuàng)造提出的排流電源設(shè)備采用單片機(jī)(MCU)技術(shù),利用在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)輸出電壓極性轉(zhuǎn)換、管/地電位待命監(jiān)測(cè)和自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等功能。具有操作人性化、程控能力強(qiáng)、性能可靠、易于拓展等優(yōu)點(diǎn)。
7、抗干擾能力強(qiáng)。相對(duì)于常規(guī)恒電位儀,本發(fā)明創(chuàng)造提出的排流電源設(shè)備進(jìn)出線纜均進(jìn)行了防雷擊過電壓保護(hù),設(shè)置了對(duì)應(yīng)規(guī)格的電源電涌保護(hù)器。防止強(qiáng)電沖擊狀態(tài)下排流電源設(shè)備的意外損壞。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1為排流電源設(shè)備原理方框圖;
圖2為橋式整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為交流輸入端電涌保護(hù)器安裝示意圖;
圖4為直流輸出端電涌保護(hù)器安裝示意圖。
具體實(shí)施方式
一種大功率的雙向強(qiáng)制排流電源設(shè)備,如圖1所示。主體包括:智能控制、信息交換和整流電路三部分,輔助部分包括鍵盤及操作開關(guān)、液晶顯示器及聲光報(bào)警。
智能控制部分的核心是MCU單片機(jī)(MicroControllerUnit),還包括小電流輸出單元、正極性輸出觸發(fā)單元、負(fù)極性輸出觸發(fā)單元三個(gè)單元。MCU單片機(jī)接收信息交換裝置的電子信號(hào),對(duì)應(yīng)地對(duì)小電流輸出單元、正極性輸出觸發(fā)單元、負(fù)極性輸出觸發(fā)單元三個(gè)單元發(fā)出指令,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路的元件的控制;MCU單片機(jī)控制電流及電壓在電源整機(jī)額定值范圍內(nèi)做智能調(diào)整而功率輸出值穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
信息交換部分包括數(shù)據(jù)采集隔離變換模塊、對(duì)外通訊接口。直流電壓隔離變送器模塊對(duì)通過參比電極和電壓表采集的直流電壓信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)隔離的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào),作為MCU單片機(jī)的重要基礎(chǔ)信息。同時(shí),對(duì)外通訊接口可將MCU單片機(jī)記錄的排流電源設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)外傳輸。
整流電路部分的核心是恒電位變流器,還包括防雷單元、切換電路、防雷抗直流干擾單元三個(gè)單元。排流電源設(shè)備采用可控硅整流恒電位變流器作為功率輸出器件。交流電源輸入側(cè)、直流輸出側(cè)均附加了防雷單元,確保設(shè)備的抗強(qiáng)電沖擊性能。正極性輸出觸發(fā)單元和負(fù)極性輸出觸發(fā)單元分別與恒電位變流器連接,MCU單片機(jī)可根據(jù)采集的不同電位信號(hào),及時(shí)對(duì)正/負(fù)極性輸出觸發(fā)單元發(fā)出指令,控制恒電位變流器的輸出極性。小電流輸出單元與切換電路連接,當(dāng)需要設(shè)備小功率輸出時(shí),MCU單片機(jī)對(duì)小電流輸出單元發(fā)出指令,控制切換電路。
主要部件的性能包括:
1、MCU單片機(jī)。
單片機(jī)是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片級(jí)的在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)輸出電壓極性轉(zhuǎn)換,管地電位待命監(jiān)測(cè)和自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng),數(shù)據(jù)采集,遠(yuǎn)程控制等功能,采用單片機(jī)既保證了諸多功能的實(shí)現(xiàn),又提高了設(shè)備的可靠性。
可采用8位單片機(jī),工作頻率0~20MHz,具備3個(gè)定時(shí)器,要求對(duì)于電位信號(hào)的采集頻率達(dá)到2次/s以上。同時(shí),單片機(jī)的穩(wěn)定性、抗干擾性等參數(shù)應(yīng)滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的需要。
系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì),單片機(jī)具有基于中斷操作的睡眠模式,具有待命監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)管/地電位)和自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)功能。當(dāng)通過3處采樣控制點(diǎn)采集到的管/地電位算數(shù)平均值處于預(yù)設(shè)的規(guī)定值(-0.85V~-1.5V)范圍內(nèi)時(shí),排流電源設(shè)備進(jìn)入睡眠模式,啟用小電流輸出單元。當(dāng)管道受到強(qiáng)直流干擾,并通過3處采樣控制點(diǎn)采集到的管/地電位算數(shù)平均值超出預(yù)設(shè)(-0.85V~-1.5V)的范圍時(shí),單片機(jī)芯片自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng),切換到可控硅整流輸出單元運(yùn)行模式,響應(yīng)時(shí)間小于3秒。自動(dòng)觸發(fā)啟運(yùn)行后,以恒電位模式自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流大小。
2、數(shù)據(jù)采集隔離變換模塊:
在管道上安裝3處采樣控制點(diǎn)及在管道附近土壤中預(yù)設(shè)3處對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)效硫酸銅參比電極。采樣控制點(diǎn)間距宜為30m,對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)效硫酸銅參比電極與采樣控制點(diǎn)間距不大于1m。零位接陰電纜與參比電纜之間均連接高內(nèi)阻的數(shù)字電壓表,實(shí)現(xiàn)直流電壓信號(hào)采集。再通過模塊式直流電壓隔離變送器,能將采集的直流電壓信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)隔離的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。輸入直流電壓信號(hào)范圍是0~200VDC,輸出信號(hào)有4~20mA、0~20mA、0~5VDC和0~10VDC等多種形式。數(shù)據(jù)采集隔離變換模塊需實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、輔助電源之間3000VDC三隔離,有效解決大地回路串?dāng)_。
3、恒電位變流器:
1)設(shè)備選型
由于單臺(tái)排流電源設(shè)備的輸出功率大,為得到可靠、穩(wěn)定的電流輸出,應(yīng)使用可控硅整流電路。該電路采用可控硅整流恒電位變流器作為功率輸出器件。交流電壓經(jīng)變壓器降壓,可控硅削波,得到脈動(dòng)的直流輸出。將參比電極電位作為反饋控制信號(hào),經(jīng)誤差放大處理,調(diào)整可控硅導(dǎo)通角,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的調(diào)整。
可控硅削波是通過改變可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)輸出電壓(-200V~+200V)、輸出電流(2A~100A)的連續(xù)調(diào)節(jié)。
2)小電流輸出單元
但該功率輸出器件在輸出電流較小時(shí)(流經(jīng)可控硅的電流小于器件的維持電流,可控硅將關(guān)斷),將無(wú)法提供輸出電流。為此,在小電流段(0~2A),應(yīng)增加小電流輸出單元。該單元能夠根據(jù)電位極性變化,自動(dòng)調(diào)整輸出電流的極性。
為保證功率輸出系統(tǒng)的可靠有效運(yùn)行,需通過單片機(jī)芯片進(jìn)行智能處理,自動(dòng)切換可控硅整流輸出單元和小電流輸出單元的運(yùn)行狀態(tài)。
3)極性轉(zhuǎn)換
為實(shí)現(xiàn)排流電源設(shè)備輸出電壓的極性可隨管地電位的極性而自動(dòng)轉(zhuǎn)換,采用圖2所示的橋式整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際輸出電壓極性的需要,通過采用單片機(jī)芯片進(jìn)行智能處理,自動(dòng)切換可控硅器件的觸發(fā)信號(hào),來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的極性改變。
當(dāng)圖中負(fù)載(RL)上端需要正極性電流輸出時(shí),MCU單片機(jī)為正極性輸出觸發(fā)模式,觸發(fā)信號(hào)對(duì)可控硅V1、V3、V6、V8進(jìn)行控制。在交流電壓輸入電流的正半周,V1、V6導(dǎo)通,V3、V8截止,電流由TR次級(jí)上端經(jīng)n→V1→c\d\e→RL→p\q→V6→k回到TR次級(jí)下端;在交流電壓輸入電流的負(fù)半周,V3、V8導(dǎo)通,V1、V6截止,電流由TR次級(jí)下端經(jīng)k→V3→d\e→RL→p\q\s→V8→n回到TR次級(jí)上端。
當(dāng)圖中負(fù)載(RL)上端需要負(fù)極性電流輸出時(shí),MCU單片機(jī)為負(fù)極性輸出觸發(fā)模式,觸發(fā)信號(hào)對(duì)可控硅V2、V4、V5、V7進(jìn)行控制。在交流電壓輸入電流的正半周,V4、V7導(dǎo)通,V2、V5截止,電流由TR次級(jí)上端經(jīng)n\m→V7→s\q\p→RL→e→V4→j\k回到TR次級(jí)下端;在交流電壓輸入電流的負(fù)半周,V2、V5導(dǎo)通,V4、V7截止,電流由TR次級(jí)下端經(jīng)k\j→V5→p→RL→e\d\c→V2→m\n回到TR次級(jí)上端。
4)防雷抗直流干擾
(1)排流電源設(shè)備的交流輸入端采用標(biāo)稱放電電流為20kA的電源電涌保護(hù)器對(duì)設(shè)備進(jìn)行防護(hù),電路形式為并聯(lián)型。
電源電涌保護(hù)器主要技術(shù)指標(biāo):最大持續(xù)工作電壓385V,標(biāo)稱放電電流20kA,最大放電電流40kA,限制電壓(8/20μs)≤1.8kV,漏電流≤20μA,響應(yīng)速度≤25ns。
電涌保護(hù)器靠近電源設(shè)備進(jìn)行安裝,與排流電源設(shè)備的安裝距離不大于10m,連接導(dǎo)線的截面積不小于10mm2。電涌保護(hù)器的前端應(yīng)安裝標(biāo)稱電流值為32A的斷路器或熔斷器。交流輸入端電涌保護(hù)器安裝見圖3。
(2)排流電源設(shè)備的直流輸出端采用標(biāo)稱放電電流為40kA的電源電涌保護(hù)器對(duì)設(shè)備進(jìn)行防護(hù),電路形式為并聯(lián)型。
電源電涌保護(hù)器主要技術(shù)指標(biāo):最大持續(xù)工作電壓275V,最小導(dǎo)通電壓100~150V,標(biāo)稱放電電流40kA,最大放電電流60kA,限制電壓(8/20μs)≤1.3kV,漏電流≤20μA,響應(yīng)速度≤25ns。
電涌保護(hù)器靠近電源設(shè)備進(jìn)行安裝,與排流電源設(shè)備的安裝距離不大于10m,連接導(dǎo)線的截面積不小于10mm2。電涌保護(hù)器的前端應(yīng)安裝標(biāo)稱電流值為32A的斷路器或熔斷器。直流輸出端電涌保護(hù)器安裝見圖4。
(3)排流電源設(shè)備的數(shù)據(jù)采集部分線纜(參比電纜、零位接陰電纜)采用標(biāo)稱放電電流為20kA的電涌保護(hù)器對(duì)設(shè)備進(jìn)行防護(hù),電路形式為串聯(lián)型或并聯(lián)型。
電涌保護(hù)器主要技術(shù)指標(biāo):最大持續(xù)工作電壓275V,標(biāo)稱放電電流20kA,最大放電電流60kA,限制電壓(10/700μs)≤50V。
5)冷卻方式
通過采用恒電位變流器,確保了本排流電源設(shè)備的輸出功率為20kW,輸出電壓范圍-200V~+200V,額定輸出電流最大為100A。
采用變壓器油冷卻的恒電位變流器,可滿足室外安裝及大功率輸出的需要。系統(tǒng)滿載運(yùn)行24h后,變壓器、電抗器的線圈、鐵芯的極限溫升不超過60℃。
排流電源設(shè)備正常運(yùn)行條件下連續(xù)工作壽命不低于10年。
6)防護(hù)等級(jí):
排流電源設(shè)備的機(jī)殼防護(hù)等級(jí):室外型IP55及以上,室內(nèi)型IP31及以上,且滿足GB4208要求。
排流電源設(shè)備機(jī)殼采用厚度不小于1.5mm的冷軋鋼板成形,表面采用靜電噴塑防腐處理。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施方式,本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式,只要以基本相同手段實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。