镉镍碱性蓄电池充放电检测范文

《电源技术杂志》2015年第十一期

摘要：

用15kVA镉镍碱性蓄电池充放电检测控制系统对电力机车进行研究，完成了基于PWM整流逆变技术的蓄电池充放电装置与检测控制系统设计，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式解决了传统蓄电池充放电装置功率因数低、高谐波污染等不足。试验及检测结果表明该装置具有能量双向流动、网侧电流正弦化、功率因数高、功率灵活调控的特点。放电功率的可控性简化了操作人员的工作，同时也提高了数据的可靠性与设备的安全性。

关键词：

蓄电池充放电系统；脉宽调制；功率因素

传统的蓄电池充放电装置大部分采用可控硅整流，这是一种非线性负荷，会产生频率为工频频率的整数倍的谐波。谐波危害十分严重，它会大大降低电能的生产、传输和利用效率，使电气设备过热、产生振动和噪声，绝缘老化，缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁。此外，在传统的电池产品出厂老化试验过程中和电池使用维护时，大多使用功率电阻、水电阻等能耗型负载充当被试电池产品的负载。这些能耗型负载虽然工作原理简单，价格比较低，但在使用中存在老化试验过程中能量消耗大，测试条件设定调节繁琐，测试数据不准确，测试结果分析时间长等缺点[1-4]。基于此，本文用15kVA镉镍碱性蓄电池充放电检测控制系统对电力机车进行研究，完成了基于PWM整流逆变技术的蓄电池充放电装置与检测控制系统设计，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式解决了传统蓄电池充放电装置功率因数低、高谐波污染等不足。试验及检测结果表明该装置具有能量双向流动、网侧电流正弦化、功率因数高、功率灵活调控的特点。放电功率的可控性简化了操作人员的工作，同时也提高了数据的可靠性与设备的安全性。

1系统原理

蓄电池充放电装置的原理图如图1所示。蓄电池充放电装置主要由DC/DC变换器、三相脉冲整流器(PWM整流器)、隔离变压器、控制系统、电源和风扇等辅助电路共同组成。其工作原理是：DC/DC变换器首先对外部被试直流电源的直流电压进行变换处理，使之符合系统运行要求，此外将对输入功率进行调节和控制，实现蓄电池充放电装置调节功能，在DC/DC变换器的前端可设计有熔断器和真空继电器以提高系统的可靠性；三相PWM整流器则将DC/DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节和控制PWM整流器三相输出电压的大小以及与电网电压之间的相位差，可以将DC/DC变换器输送的能量馈入三相交流电网以及调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数；而隔离变压器则实现蓄电池充放电装置与电网的隔离，提高试验系统的安全性能和保障操作者的人身安全，提高蓄电池充放电装置对被试电源的适应性[5-6]；隔离变压器与交流电网之间的滤波器和断路器则是为了滤除PWM整流器工作产生的高频谐波污染和在需要的时候将蓄电池充放电装置从电网中完全切除。

2PWM变流器的设计

三相PWM整流器的作用是将DC/DC变换器输出的稳定直流电压逆变为三相交流电压，通过调节PWM整流器三相输出电压的大小以及控制与电网电压之间的相位差，PWM整流器不但可以将DC/DC变换器输送的能量馈入三相交流电网，而且还可以有效调控蓄电池充放电装置交流侧的功率因数，其原理图如图2所示。采用正弦脉宽调制(SPWM)方式，三相调制信号uru、urv和urw为相位依次相差120°的正弦波，而三相载波信号是一个正负方向变化的三角形波uc。A、B和C相自关断开关器件的控制方法相同，现以A相为例：在uru>uc的各区间，给上桥臂电力晶体管V1以导通驱动信号，而给下桥臂V4以关断信号。在uru<uc的各区间，给V1以关断信号，V4以导通信号。图3是三相桥式PWM逆变电路输出三相对于负载中性点N的相电压波形。

3控制系统的设计

3.1控制系统的硬件设计控制系统硬件设计以TI公司的DSP-TMS320F2812PGFA为核心，可以实现反馈信号的处理、AD转换、DC/DC变换器和PWM整流器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、RS485通讯等功能，外部扩展了CPLD、SRAII、双口RAM、四通道14位AD转换器、四通道12位DA转换器、实时时钟和EEPROM等，利用CPLD实现了16路数字输入通道和16路数字输出通道，另外还具有16路PWM输出通道，八路模拟信号输入及处理电路，对外串行接口包括RS-232串行数据接口、隔离的RS-485串行数据接口、符合CAN2.0A/B协议的隔离CAN总线接口、符合USBI.1协议的USB总线接口、SPI同步串口以及McBSP多通道缓冲串行口。控制系统的整体结构图如图4所示。

3.2控制系统的软件设计下位机软件设计主要模块包括：DC/DC变换处理程序、电压相序等中断处理程序、功率保护处理程序、系统故障检测与处理程序以及相关辅助器件等的控制程序。其主函数的设计流程图如图5所示。系统的初始化函数包括中断初始化、IO口初始化、工作初始化、外设初始化、用户自定义程序初始化和中断地址初始化，在主函数运行前，必须完成系统的初始化工作。网压相序判断函数的设计流程图如图6所示。网压捕获函数的软件设计流程图如图7所示。

4装置试验

试验前必须做好试验准备，包括查线、相位检测、变流元检查、整机检查与上电准备，确保仪器能正常、安全运行。试验分为空载试验、负载试验、放电试验和温升试验四个部分。空载试验数据如表1所示。负载试验数据如表2(额定电阻R=1Ω)所示，放电试验数据如表3所示，温升试验数据如表4所示。在试验的基础上，可以通过上位机监测，测得充电工况下输出侧的波形质量分析数据，其数据如表5所示。通过以上对装置空载、负载、放电等情况的试验测试以及装置在工作过程中的温升记录，结果表明装置运行正常，实际输出电压与参数设定的110V基本一致，输出电压稳定度高，纹波小，网侧的功率因素接近1，而输出电压总谐波畸变小于5，谐波污染小。

参考文献：

[1]邓木生，陈新喜，李华柏.基于PWM技术蓄电池充放电与检测系统设计[J].现代电子技术，2011(7)：207-209.

[2]杨杰，周佩华，黄坤.基于参数优化的负载电流前馈型三相PWM整流器控制系统研究[J].煤矿机械，2013，34(7)：75-77.

[3]刘辉.基于双闭环控制的三相三电平PWM整流器研究[J].工矿自动化，2013，39(8)：72-75.

[4]赵武玲，彭树文，王伟强，等.三相PWM整流器的研制[J].电气技术，2013(5)：41-44.

[5]荣智林.基于三相PWM整流器的蓄电池充放电装置研究[D].湖南：中南林业科技大学，2007.

[6]霍艳，张全柱，杨太石.机车蓄电池检测系统的地面分析软件[J].蓄电池，2007(1)：30-33。

作者：唐亚平 魏丽君 张敏三 单位：湖南铁道职业技术学院