張凱，杜云

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對(duì)于依賴電池電源的移動(dòng)式設(shè)備至關(guān)重要。通過(guò)降低組件閑置時(shí)的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L(zhǎng)兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱電源控制技術(shù)，它屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換，現(xiàn)代電子，網(wǎng)絡(luò)組建，自動(dòng)控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)，能源，交通，信息，航空，國(guó)防，教育，文化等諸多領(lǐng)域。

本次研究的主要目的是通過(guò)控制電路的合理工作，實(shí)現(xiàn)提高電源20%的有效利用率。對(duì)于電路控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制模塊主要任務(wù)是根據(jù)指令穩(wěn)定可靠地控制電源運(yùn)行。此外，控制模塊擔(dān)負(fù)著供電任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)任務(wù)。盡量采用成熟的技術(shù)和器件，確保質(zhì)量和進(jìn)度。適當(dāng)采用新技術(shù)，新器件，提高可靠性。

1 終端控制原理

1.1 指導(dǎo)思想

電源控制是按照預(yù)定順序改變主電路和控制電路的接線和改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。電動(dòng)百葉窗，它由窗框，電機(jī)，控制器，轉(zhuǎn)動(dòng)片，玻璃夾，玻璃片組成，電機(jī)及控制器裝在窗框上；長(zhǎng)軸穿在窗框上，短軸穿過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)片與連接片的一端連接，連接片的另一端連接電機(jī)的偏心軸；玻璃片夾在玻璃夾中。具有結(jié)構(gòu)新穎，采光效果好，式樣美觀，開(kāi)啟關(guān)閉方便自如等優(yōu)點(diǎn)；由于沒(méi)有窗扇及窗柱，故可節(jié)約材料、改善采光；在玻璃片上可繪制圖案，作室內(nèi)裝飾用。特別適合賓館、辦公、商場(chǎng)及家庭使用。

1.2 方案選擇

以PLC可編程器為核心部件，首先完全滿足任務(wù)書提出的控制邏輯與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信的要求，其次方案顯得十分簡(jiǎn)單。

1.3 方案特點(diǎn)

PLC以微處理器為核心，將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有機(jī)融為一體，目前已得到廣泛應(yīng)用的自動(dòng)控制裝置。它不僅具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。由于采用以PLC為核心部件，不僅使方案變得十分簡(jiǎn)單，而且提高了設(shè)備的可靠性。前面板示意圖如圖1所示。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)

圖1 終端控制單元前面板示意圖Fig.1 Terminal control unit front panel schematic diagram

搞好電磁兼容設(shè)計(jì)是保證分機(jī)各項(xiàng)指針和功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。我們?cè)陔姶偶嫒菰O(shè)計(jì)上重點(diǎn)采取以下幾項(xiàng)措施。

2.1 電源隔離、屏蔽、濾波

驅(qū)動(dòng)功率取自三相動(dòng)力電源。在三相動(dòng)力電源與整流裝置之間采用變壓器隔離。在變壓器的設(shè)計(jì)上采取一次繞組和二次繞組之間加一層銅膜板屏蔽，可直接消除一次繞組和二次繞組之間的靜電耦合。為防止電源干擾使用電源濾波器EMI，這種濾波器使電源頻率通過(guò)，對(duì)0.1 MHz～10 GHz的干擾，衰減大于 100 dB[1]。

2.2 信號(hào)隔離、屏蔽

ACU與驅(qū)動(dòng)柜的控制控制命令和狀態(tài)，輸入輸出均采用光電隔離。模擬控制信號(hào)（測(cè)速機(jī)信號(hào)、速度指令信號(hào)）選用屏蔽線聯(lián)接，速度指令信號(hào)采用差分放大器接口電路，以消除同相分量的干擾。

2.3 瞬態(tài)電壓抑制

對(duì)所選的直流繼電器、直流接觸器、直流制動(dòng)器，當(dāng)電源的接通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很高的瞬態(tài)電壓，這種瞬態(tài)電壓也是一種干擾源，抑制瞬態(tài)電壓加裝二極管抑制電路或阻容吸收電路。

2.4 接地設(shè)計(jì)

接地設(shè)計(jì)的基本目的是消除各支路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓，避免受磁場(chǎng)和地電位差的影響。在電源分機(jī)電子設(shè)備中有數(shù)字地，模擬地，功率地，弱信號(hào)地。除按信號(hào)電平的大小接入分開(kāi)的地線外，對(duì)各種電源以及繼電器，接觸器，開(kāi)關(guān)電路，電動(dòng)機(jī)等噪聲電平較高的部件和控制電路均應(yīng)引出各自獨(dú)立的地線、分組并聯(lián)單點(diǎn)接地。為使各類信號(hào)自成回路，減少共阻抗耦合，系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間或系統(tǒng)內(nèi)部都采用把大電流回路與信號(hào)回路隔開(kāi)[2]。數(shù)字地和模擬地要避免有公共回路。A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等芯片均提供了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地的引腳，應(yīng)將所有芯片的模擬地和數(shù)字地引腳分別相連，而其公共點(diǎn)僅在一點(diǎn)相接，該公共點(diǎn)盡量靠近信號(hào)源。

3 可靠性設(shè)計(jì)

3.1 可靠性指標(biāo)分配

可靠性數(shù)學(xué)模型

λi為各單元的失效率

系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間：MTBF=1/λ

系統(tǒng)可靠度R=e-λt

電源分機(jī)的可靠性指標(biāo)要求為：MTBF=1 200 h

電源分機(jī)由控制臺(tái)（ACU、誤差顯示器、電源）、電源驅(qū)動(dòng)（ADU、變壓器、馬達(dá)）、保護(hù)開(kāi)關(guān)等?？煽啃苑峙渚褪前逊謾C(jī)可靠性指針合理地分配給電源系統(tǒng)的三個(gè)組成部分[3]。

可靠性模型

圖2 可靠性模型Fig.2 The reliability model

其中，A1為 ACU；A2為 ADU；A3為電源座。

分機(jī)失效率

λ=λ1+λ2+λ3

=（177.6+362+257）×10-6/H

=796.6×10-6/H

平均無(wú)故障時(shí)間

MTBF=1/λ=1 211.3 h

3.2 可靠性保證措施

根據(jù)分機(jī)可靠性指標(biāo)要求，我們對(duì)分機(jī)各單元進(jìn)行了可靠性指標(biāo)分配和預(yù)計(jì)，同時(shí)對(duì)同類工程可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，數(shù)據(jù)表明本分機(jī)可靠性指標(biāo)要求較高。為了實(shí)現(xiàn)可靠性目標(biāo)，必須全面加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)[4]。

3.3 正確選用元器件

正確地，合理地選用元器件是可靠性設(shè)計(jì)措施之一。在電源中關(guān)鍵組件選用進(jìn)口產(chǎn)品，如可控硅放大器、電機(jī)、可編程控制器PLC、計(jì)算機(jī)主板、硬盤功能接口板。以上組件經(jīng)過(guò)工程使用證明集成度高、可靠性好，有利于提高整機(jī)的可靠性指標(biāo)。

3.4 降額設(shè)計(jì)

在元器件和組件參數(shù)選取時(shí)，采用降額設(shè)計(jì)。

3.5 儲(chǔ)備設(shè)計(jì)

當(dāng)元器件的可靠性水平不能滿足系統(tǒng)對(duì)它要求時(shí)儲(chǔ)備設(shè)計(jì)是提高可靠性的有效措施。

3.6 熱設(shè)計(jì)

電子元器件性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度的升高會(huì)使其失效率增加[5]。采用熱設(shè)計(jì)技術(shù)，控制環(huán)境溫度，減小元器件承受的熱應(yīng)力，提高可靠性。熱設(shè)計(jì)措施有：

1）合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。

2）合理設(shè)計(jì)風(fēng)道，保持環(huán)境溫度穩(wěn)定。

3）采用高效能元件、電路、減小發(fā)熱量。

4）充分利用機(jī)殼進(jìn)行散熱。

3.7 電磁兼容性設(shè)計(jì)

1）正確設(shè)計(jì)接地回路。

2）大電流、弱信號(hào)的隔離、屏蔽。

3）過(guò)電壓抑制。

3.8 維修性設(shè)計(jì)

維修性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)同等重要。良好的維修能補(bǔ)充產(chǎn)品可靠性的不足，提高產(chǎn)品的可用性。

維修性設(shè)計(jì)是從可測(cè)性、可達(dá)性和可更換性等方面來(lái)保證維修的準(zhǔn)確、迅速、安全、可靠。

3.9 故障診斷設(shè)計(jì)

ADU單元每個(gè)可控硅放大器內(nèi)部設(shè)置有關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)（如電流反饋、電流整定、測(cè)速反饋）。關(guān)鍵保護(hù)狀態(tài)指示（如電源缺相、過(guò)載、測(cè)速機(jī)信號(hào)丟失）。每個(gè)驅(qū)動(dòng)支路的狀態(tài)邏輯電路完成全支路的狀態(tài)檢測(cè)和故障連鎖指示。狀態(tài)邏輯的檢測(cè)狀態(tài)有：天線開(kāi)關(guān)狀態(tài)、馬達(dá)過(guò)熱狀態(tài)、可控硅放大器工作狀態(tài)、直流電源狀態(tài)、主交流接觸器狀態(tài)[6]。各狀態(tài)有LED指示燈顯示，狀態(tài)邏輯根據(jù)輸入狀態(tài)進(jìn)行邏輯編程實(shí)現(xiàn)故障連鎖。當(dāng)以上狀態(tài)發(fā)生變化，影響系統(tǒng)正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)柜面板故障指示燈點(diǎn)亮并閃爍。操作手和維修人員根據(jù)狀態(tài)指示燈可迅速查明故障點(diǎn)。ACU設(shè)計(jì)有自動(dòng)巡檢界面，自檢結(jié)果在界面顯示。

3.1 0 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

ADU結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)首先以操作人員使用和維護(hù)的安全、方便為目的。驅(qū)動(dòng)柜、配電柜強(qiáng)電部分的導(dǎo)線有顏色區(qū)分，接頭不裸露、加防護(hù)、并有高壓提示。驅(qū)動(dòng)柜操作開(kāi)關(guān)、指示燈、監(jiān)視表頭布置在面板水平視線的前方，并與強(qiáng)電器件距離隔離，保證操作和維護(hù)人員的安全。

電源控制器包括電源變換電路、微控制器 （單片機(jī)orDSPor其他處理器）和信號(hào)輸入輸出電路，控制器內(nèi)存貯有控制器的工作程序，它能準(zhǔn)確地控制、通過(guò)檢測(cè)直流電機(jī)的位置傳感器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效控制（如電機(jī)啟動(dòng)停止、轉(zhuǎn)速控制、方向控制、位移控制）控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、有效保護(hù)電機(jī)，解決了無(wú)法對(duì)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制不準(zhǔn)確、保護(hù)不可靠的技術(shù)問(wèn)題[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為專門為IDC、ISP、企事業(yè)單位數(shù)據(jù)中心或設(shè)備控制中心及其遠(yuǎn)程基點(diǎn)而設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)智能電源分配控制單元，它集機(jī)房配電、過(guò)載保護(hù)、隔離、接地、監(jiān)測(cè)、管理于一體，能顯著提升機(jī)房供電系統(tǒng)的安全性。與傳統(tǒng)的電源分配單元相比，傲視恒安的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)能提供網(wǎng)絡(luò)管理接口，不再是單一的導(dǎo)電和控電產(chǎn)品，而是可以提供智能化電源管理的新一代智能電源分配管理系統(tǒng)。它不僅能夠給設(shè)備供電，而且兼?zhèn)鋽嚅_(kāi)、連接、查詢、監(jiān)測(cè)、備案、智能管理等強(qiáng)大功能，可以輕松幫助用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)/重啟操作，減少維護(hù)工作量，增加網(wǎng)絡(luò)的可管理性，彌補(bǔ)了網(wǎng)管軟件所不能涉及的電源管理部分。

通過(guò)對(duì)電源的合理分配，可實(shí)現(xiàn)利用率20%的提高。電源控制電路分本控、遠(yuǎn)控兩種工作方式。在本控工作方式下，通過(guò)面板控制開(kāi)關(guān)切換終端方式。到位后，狀態(tài)信息返回，分別送往終端控制單元前面板顯示、以及監(jiān)控微機(jī)。在遠(yuǎn)控工作方式下，面板控制鍵均無(wú)效，終端開(kāi)關(guān)的切換由監(jiān)控微機(jī)遠(yuǎn)控命令來(lái)控制完成。電源控制電路一般應(yīng)用在多媒體會(huì)議室、電化教室、監(jiān)控及指揮中心，新聞發(fā)布室等環(huán)境控制。

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