（1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 日照 2768 26；2. 新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271219）

三端穩(wěn)壓器在寬域穩(wěn)壓電路中的應(yīng)用

吳 健1，張華忠1，賈仟偉1，吳 偉2

（1.日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 日照 2768 26；2. 新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271219）

以無人值守的野外光伏泵站為例，講述了利用通過開關(guān)電源和三端穩(wěn)壓器進(jìn)行不同的電路組合實(shí)現(xiàn)電壓擴(kuò)展，構(gòu)建起100V以下的各種太陽能電源、蓄電池電源應(yīng)用的控制電源。

三端穩(wěn)壓器；寬域穩(wěn)壓電路；特種能源

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康快速發(fā)展離不開能源，許多用于開發(fā)特種能源的設(shè)備的控制系統(tǒng)必須在穩(wěn)定的電源下才能正常工作。市售的開關(guān)電源大多穩(wěn)壓特性不是很好，易對(duì)電路的正常工作造成干擾，并且一般只能工作在市電情況下。

一、三端穩(wěn)壓器構(gòu)建寬域穩(wěn)壓電路

三端穩(wěn)壓器具有較寬的工作電壓范圍，適用電5～16V，消耗電流小，78、79系列三端穩(wěn)壓器有多種規(guī)格，最大電流為1．5A。一般能滿足一個(gè)較大規(guī)模的控制電路的要求。對(duì)它們進(jìn)行不同的電路組合進(jìn)行電壓擴(kuò)展，就可以構(gòu)建起100V以下各種特種能源的控制電源。

圖1所示的電路，適用于30V以下的太陽能或蓄電池電源，最高輸入電壓可接近40V（40V是7824三端穩(wěn)壓器可承受的極限電壓）。

圖1 0～40V控制電源的一種基本搭配

一個(gè)標(biāo)稱值為30V的太陽能光伏板，其開路電壓接近39V，用圖1所示的電路作為控制電源一般是妥當(dāng)?shù)?。?dāng)輸入電壓從零開始上升時(shí)，輸出端電壓隨之上升。輸入端電壓上升至18．6V以上時(shí)，輸出端的電壓穩(wěn)定在15V不變。工程中通常使用的信號(hào)變送器、接近開關(guān)等一般使用24V直流電壓，而且對(duì)電壓值的要求并不嚴(yán)格，一般18～30V之間都能正常工作。15V的穩(wěn)定電壓用作分析判斷和控制電路。其中的C11、C13、C15是穩(wěn)壓模塊要求的最小匹配電容，也是濾除高頻干擾的必須電容。C12、C14、C16是低頻濾波電容，依負(fù)載大小而定，本文標(biāo)示的數(shù)值僅作參考。一般一百至幾百μf，前級(jí)應(yīng)大于后級(jí)，防止斷電后電流逆向通過穩(wěn)壓模塊。D11、D12是用于防止輸入端斷電時(shí)電流向VR1、VR2反流的補(bǔ)充措施。

TR1如果選用IRF530場(chǎng)效應(yīng)管，由于它有2．7V的導(dǎo)通閥值，與VW1（41V）穩(wěn)壓管配合，將在源極得到最高接近39V的電壓，使后級(jí)的穩(wěn)壓器VR22（7824）始終處于安全工作電壓之內(nèi)。理論上，圖2所示的輸入電壓還可以更高，但隨著輸入電壓的升高，TR1的發(fā)熱會(huì)更嚴(yán)重，必須配備合適的散熱片。電路中的R3和J1是為降低TR1的熱量而設(shè)，適用于工作電流較大或輸入電壓較高的場(chǎng)合。通過分析電路，測(cè)得輸入電壓高于某一定值時(shí)，使繼電器觸點(diǎn)J1斷開，由R3分擔(dān)部分熱量。對(duì)于一個(gè)標(biāo)稱電壓56V的光伏太陽能板而言，其開路電壓將達(dá)到大約72V。當(dāng)電壓從0升至23V時(shí)，太陽光線還很弱，尚不能提供有效的工作能量。而這時(shí)，其工作系統(tǒng)的控制器已經(jīng)被激活。圖2所示的電源能與這樣的光伏板實(shí)現(xiàn)較好的配合。

圖2 以源極輸出器為前級(jí)的穩(wěn)壓電源

在圖2源極輸出器的構(gòu)成中，VW1決定該輸出器的最高輸出電壓，R2用于防止VW1未擊穿時(shí)的TR1柵極懸空，VW2防止TR1柵極電壓超高，C27對(duì)VW1進(jìn)行噪聲濾波。

圖3所示的電路是一個(gè)市售的開關(guān)電源與一個(gè)7815三端穩(wěn)壓器配合而構(gòu)建的控制電源。開關(guān)電源的標(biāo)稱輸入電壓是交流100～240V，標(biāo)稱輸出電流是1．1A（或2．2A）。按圖3將輸入電壓的正極接開關(guān)電源的L端子，輸入電源的零線接N端子。再將N端子與輸出端的零端子連接，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出共零。共零連接會(huì)使測(cè)量得到簡(jiǎn)化。當(dāng)輸入端電壓從0升至27V時(shí)，開關(guān)電源啟動(dòng)并具有24V200mA以上的負(fù)荷能力。當(dāng)然，低輸入電壓下達(dá)不到額定負(fù)荷能力。但作為控制電源，此時(shí)提供的電流電壓已經(jīng)足夠。經(jīng)三端穩(wěn)壓器7815再次穩(wěn)壓，獲得理想的15V電壓。對(duì)于標(biāo)稱電壓60V以上的光伏太陽能板來說，光伏板電壓從0升至空載27V時(shí)，其能量還很小，這時(shí)激活控制器實(shí)施管理和控制一般是可行的。

圖3 一種開關(guān)電源與三端穩(wěn)壓器相搭配的穩(wěn)壓電源

開關(guān)電源的端子FG用于與市電的地線連接以消除強(qiáng)電工作狀態(tài)下的感應(yīng)靜電和電磁輻射。在直流低電壓條件下工作，感應(yīng)靜電和電磁輻射很弱，不對(duì)人身和環(huán)境產(chǎn)生不利影響，該端子可不接線。該端子與機(jī)殼是連通的，必要時(shí)可與大地連通，以消除機(jī)殼任何可能的靜電。

二、實(shí)例

圖4展示了一例野外無人值守的太陽能光伏泵站的完整設(shè)計(jì)：采用單相交流50Hz220V電源的普通水泵，利用太陽能光伏板提供的能量，將低處的水提升到高處。基本配置是：9塊太陽能光伏板按3串3并組合、1個(gè)逆變器、1個(gè)充電器、1組蓄電池、1個(gè)控制電源、1個(gè)標(biāo)稱R1的等效負(fù)載電阻、1個(gè)標(biāo)稱T1的輸出12V3W的反饋?zhàn)儔浩鳌?個(gè)以三端穩(wěn)壓器、集成運(yùn)放、400電路為主搭建的管理控制器（圖4虛線框內(nèi)的電路）、工作開關(guān)及接觸器。

每塊光伏板最大功率點(diǎn)電壓32V，電流7．5A，開路電壓40．8V。

整個(gè)系統(tǒng)的控制電源采用圖3所示的輸出24V2．2A開關(guān)電源。該24V電源在管理控制器內(nèi)經(jīng)過VR1（穩(wěn)壓塊7815）再次穩(wěn)壓后供分析判斷管理電路使用。

另外，教師在實(shí)踐中要引導(dǎo)學(xué)生自己摸索實(shí)驗(yàn)條件，想辦法改進(jìn)操作方法。例如，某小組探究“綠色蔬菜變黃過程中色素的變化”，預(yù)計(jì)提取、分離新鮮和放置變黃后的菠菜葉中的色素進(jìn)行比較，但時(shí)值5月，菠菜放在冰箱，沒變太黃前就腐爛了，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析原因，摸索儲(chǔ)存條件，或探尋其他的實(shí)驗(yàn)方法。某小組探究“紅花檵木紫色葉片中的色素種類”設(shè)計(jì)了用清水紙層析分離色素的實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，濾紙條吸水后變軟變重，會(huì)貼壁或倒入水中。因此，不能像平時(shí)實(shí)驗(yàn)中那樣把濾紙條靠在試管或小燒杯壁上，學(xué)生自主進(jìn)行了改進(jìn)：使用試管架和夾子把濾紙條固定并吊在液面上方，保證下端沒入水中而不會(huì)整根濾紙條倒入水中。

其工作機(jī)理是，當(dāng)光伏板提供的電壓越過控制電源的啟動(dòng)閥值后，管理控制器得電，接觸器KM3以間斷35s接通1s的循環(huán)往復(fù)探查太陽能光伏板的能量狀況。若接連7次探查都符合啟動(dòng)條件，便開始水泵啟動(dòng)程序：接觸器KM1接通逆變器輸入電源；KM2輔助觸點(diǎn)接通使逆變器啟動(dòng)；KM2主觸點(diǎn)接通將蓄電池電源接到逆變器，使蓄電池與光伏電源并聯(lián)供電以彌補(bǔ)啟動(dòng)時(shí)光伏板的供電不足。3s后KM2斷開，啟動(dòng)過程結(jié)束，轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。在運(yùn)行過程中如果光伏板供電不足，KM1自動(dòng)斷開，管理控制器再次進(jìn)入對(duì)光伏板能量的循環(huán)探查程序。

管理控制器由一個(gè)四運(yùn)放集成電路LM324（圖上代號(hào)IC1）和一個(gè)10進(jìn)計(jì)數(shù)器CD4017（圖上代號(hào)IC2）及其外圍電路構(gòu)成。由穩(wěn)壓塊7815提供的15V供電，其電流約10mA。

圖4 一個(gè)無人值守的光伏太陽能提水泵站

圖4中IC1的1、2、3腳及其外圍元件構(gòu)成能量檢測(cè)電路。在達(dá)到水泵啟動(dòng)條件之前，檢測(cè)F3端子上的電壓；在水泵運(yùn)行時(shí)檢測(cè)反饋?zhàn)儔浩鲝亩俗覨1、F2輸入的反饋電壓。如果被檢測(cè)的電壓〈設(shè)定值，則表明光伏板能量不足，IC1的第1腳輸出高電平；如果被測(cè)電壓≥設(shè)定值，表明光伏板能量足夠，IC1的第1腳輸出零電平。

IC1的5、6、7腳及外圍電路構(gòu)成振蕩器。在達(dá)到水泵啟動(dòng)條件之前，每隔35s第7腳產(chǎn)生一個(gè)1s的高電位探查脈沖，使KM3接通1s，將光伏電壓加到管理控制器的F3端子。等效負(fù)荷R1接在F3端子和電位零點(diǎn)之間，R1上的電流與逆變器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的輸入電流相等。端子F3呈現(xiàn)的電壓是光伏板滿載時(shí)的電壓值。

IC1第7腳的探查脈沖還直接送到IC2的第13腳使CD4017計(jì)數(shù)器在探查脈沖跌落時(shí)進(jìn)行“加1”計(jì)數(shù)；探查脈沖還通過R9和C10送到IC1的第13腳，在脈沖跌落時(shí)觸發(fā)由IC1的12、13、14腳及外圍元件構(gòu)成的“清零”電路，使其14腳出現(xiàn)清零脈沖。

清零脈沖能否送到IC2的第15腳使IC2清零，取決于能量檢測(cè)電路。在水泵啟動(dòng)條件達(dá)到以前如果光伏板能量不足，IC1的第1腳為高電位，則清零脈沖通過D11被送到IC2第15腳進(jìn)行清零；如果光伏板能量足夠，IC1第1腳電位為零，第14腳輸出的清零脈沖經(jīng)過R23后被消除，計(jì)數(shù)器的“加1”計(jì)數(shù)生效。

當(dāng)計(jì)數(shù)器遞加到“7”時(shí)，IC2第6腳由零翻轉(zhuǎn)為高電位，導(dǎo)致如下結(jié)果。

(1)泵運(yùn)行接觸器KM1吸合。

(2)觸發(fā)由IC1的8、9、10腳及外圍元件構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)器，使其輸出在3s后由高電位翻為零，從而使KM2吸通3s完成泵啟動(dòng)程序。

(3)封鎖探查脈沖使其保持零態(tài)。

IC2的“加1”計(jì)數(shù)從零遞加到7（也可設(shè)為其他數(shù)字），經(jīng)過了大約4min的7次成功計(jì)數(shù)。基本可判定光伏板接受的陽光是連續(xù)的，而不是亂云飛渡的云縫中透射的。

水泵啟動(dòng)后IC1第8腳保持的零態(tài)使IC1的第14腳輸出高電位，準(zhǔn)備計(jì)數(shù)器清零。若F1、F2端子上的反饋電壓足夠，則IC1的第1腳為零，使IC1第14腳的高電位清零作用失效；若反饋電壓不足，則IC1第1腳為高電位，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器清零，從而使泵的運(yùn)轉(zhuǎn)停止，系統(tǒng)返回到光伏板能量探查狀態(tài)。

本系統(tǒng)的充電器能適應(yīng)更大的輸入電壓范圍，能保證蓄電池時(shí)刻處于電滿狀態(tài)。

需要特別指明的是，這里使用的手動(dòng)開關(guān)、接觸器等開關(guān)元件必須符合現(xiàn)場(chǎng)直流電壓的要求。直流電路的斷電較為困難，一個(gè)交流開關(guān)元件，如果耐受的額定交流電壓為250V，它可耐受的直流電壓一般不超過30V。勉強(qiáng)地將交流開關(guān)部件用于直流電路很可能導(dǎo)致斷電失敗釀成事故。

三、結(jié)語

太陽能光伏板、風(fēng)電及多種電池性電源的大量應(yīng)用已經(jīng)擺在我們面前。為幅度變化大的低壓電源構(gòu)建管理、控制所需的穩(wěn)壓電源和配套的管理控制器已成我們的常遇課題。

本文中展示的電源模式和應(yīng)用舉例是一己之見，實(shí)踐中將面對(duì)更大的空間。可以通過更好的組合和創(chuàng)新使能源得到更充分利用。

[1] 閆福軍，梁永春． 一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中輔助電源設(shè)計(jì)[J]． 電力電子技術(shù)，2010(8)：14-16．

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2014-02-13）