山東省諸城繁華中學 邴 松

昆明理工大學電力工程學院 杜炎城

關于雙電源自動轉換控制器的設計

山東省諸城繁華中學 邴 松

昆明理工大學電力工程學院 杜炎城

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供電連續(xù)性、可靠性的要求越來越高。本文提出一種新型雙電源供電系統(tǒng)控制器的設計方案，該控制器采用宏晶公司單片機STC15F2K60S2作為主控芯片，通過信號采集和處理電路對常用和備用電源的狀態(tài)進行實時檢測和實時控制，實現(xiàn)對負載的穩(wěn)定、連續(xù)供電。

雙電源；自動轉換；自投自復

1. 引言

隨著電力事業(yè)的發(fā)展，電力質量日益受到人們的重視。而供電的連續(xù)性是電力質量的一個重要方面，對于某些特殊的用電部門(如醫(yī)院、機場、大型生產線等)尤為重要。保證供電連續(xù)性通常的解決辦法是，給供電對象提供主、備兩路獨立的電源，對兩路電源都進行實時監(jiān)控。當主電源發(fā)生故障時，能根據(jù)設定的切換程序準確完成主、備用電源間的切換，從而最大限度地保證供電的連續(xù)性。

在我國，早期的常規(guī)雙電源轉換裝置設計一般由斷路器，繼電器等機構組合而成，實現(xiàn)簡單的監(jiān)測功能，無法分辨出各種不同的異常情況。因此，重新設計一種新型智能的雙電源自動轉換器是非常有必要的。

本文研制的智能雙電源自動轉換器以國內宏晶公司最新款單片機STC15F系列作為主控芯片，通過實時監(jiān)測兩路電源，判斷當前兩路電源的狀態(tài)，并在液晶顯示器上顯示出來。當常用電源出現(xiàn)異常情況（停止供電，電壓長期不穩(wěn)，電壓過高或過低）時，能快速反應，安全可靠的轉換至備用電源供電模式，在常用電源恢復正常后，能再次安全快速地切換為常用電源供電模式，實現(xiàn)自投自復功能，以保證重要負荷的持續(xù)穩(wěn)定供電。

2. 雙電源自動轉換控制器的硬件系統(tǒng)設計

圖1 自動轉換器示意圖

本設計符合標準GB 14048.11-2002自動轉換開關電器?？蓪崟r檢測常用電源和備用電源的每相電壓（共6路，采用多路選擇開關），并在LCD1602上顯示每相電壓值，每隔3秒刷新一次。兩組LED燈用來分別指示兩路電源的運行狀況（“正常”、“運行”、“異?！保??？刂苹芈返碾娫矗?20V50Hz）取自常用電源或備用電源（也需要自動轉換）。

圖2 雙電源自動轉換器硬件結構框圖

雙電源自動轉換器硬件結構如圖2所示，主要由電源模塊、信號調理模塊、單片機控制模塊、顯示模塊（液晶顯示和LED顯示）幾部分構成。

2.1 單片機控制芯片及最小系統(tǒng)

STC15F2K60S2單片機作為系統(tǒng)主控芯片，該型單片機具有超強的抗干擾能力，運算速度快（1T），可省掉外部EEPROM，利用IAP技術，可在線編程，無需仿真器，內部集成高速10位A/D轉換器，可省掉外部獨立的A/D轉換模塊。

2.2 系統(tǒng)供電模塊

電源模塊為整個系統(tǒng)提供電能，為兩路供電方式，由JQX-13F型交流繼電器（圖4所示）控制，分別從常用電源U1和備用電源U2取電，繼電器后面接入MTW5-D5C型電源模塊，能輸出穩(wěn)定的+5V和-5V直流電。可以保證整個系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定供電。

圖3 雙電源自動轉換器電源模塊

繼電器線圈K1端子分別接常用電源U1_L和U1_N，其中兩個常開觸點接常用電源U1，對應常閉觸點接備用電源U2。正常情況下，線圈K1得電，常開觸點吸合，常閉觸點斷開，系統(tǒng)由常用電源供電，當常用電源出現(xiàn)異常無法持續(xù)供電時，線圈K1失電，常開觸點斷開，常閉觸點復位，系統(tǒng)繼而由備用電源供電。

圖4 JQX-13F型交流繼電器

MTW5-D5C為小型開關電源模塊，該系列電源具有輸入電壓范圍寬（85～265VAC，165～265VDC，50/60Hz），交直流兩用，低功耗，高效率，安全隔離等優(yōu)點。它可以為專用集成電路(ASIC）、數(shù)字信號處理器(DSP)、微處理器、存儲器等數(shù)字或模擬負載提供電源。因此，它為本系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5、-5直流電壓以及GND結點。

2.3 信號調理電路

信號調理電路分為220V交流到交流小信號轉換電路（圖5所示）和交流小信號抬升電路（圖7所示）。

2.3.1 交流到交流小信號轉換電路

圖5 220V交流到交流小信號轉換電路原理圖

220V交流到交流小信號轉換電路包含ZMPT101B型交流互感器和UA741ID型運放：

ZMPT101B為電壓型電流互感器，其輸入端Vin+接200K限流電阻，它能將220V交流信號轉換為2mA低壓交流小信號，供下一級負載使用。

UA741ID為高增益運算放大器（單運放），管腳7和4分別接直流+5V、-5V，1、5、8號管腳空置，管腳3為正相輸入端接地，管腳2為負向輸入端，與電流互感器的輸出端Vout+相連，并通過1.5K電阻R2與輸出端管腳6相連，達到電壓跟隨的效果。

經(jīng)過轉換，得到如圖6所示的信號波形：

圖6 小信號輸出波形圖

2.3.2 交流小信號抬升電路

圖7 交流小信號抬升電路原理圖

交流小信號抬升電路如圖7所示。CD4051為單8通道數(shù)字控制模擬電子開關，通過A、B、C三個二進制輸入端來控制選通X0～X7號輸入通道，輸出端X接由1K電阻R5、R6，二極管D1以及UA741ID組成的信號抬升電路，實現(xiàn)對信號的抬升。UA741ID的輸出端管腳6接二極管D2和D3，實現(xiàn)電壓鉗位作用，把輸出信號的電壓控制在0～+5V之間，供單片機使用，防止因電壓過高損壞單片機。

其輸入單片機的電壓為：

經(jīng)過信號抬升，可以得到圖8所示信號波形。

圖8 抬升后電壓波形圖

2.4 狀態(tài)顯示模塊

顯示模塊由LCD1602液晶顯示器和LED狀態(tài)指示電路組成。

圖9 1602液晶顯示器接線圖

如圖9所示，LCD1602液晶顯示器的數(shù)據(jù)通道D0～D7接單片機I/O口，引腳VSS和VO之間接2.2K電阻來調節(jié)顯屏亮度。

圖10 LED狀態(tài)指示模塊電路原理圖

如圖10所示，LED狀態(tài)指示燈每組有3個不同顏色的LED，分別為紅色、綠色、黃色，共兩組，分別顯示常、備用電源的不同狀態(tài)。每個LED的功能為：

3. 雙電源自動轉換控制器軟件設計

設計采用C語言作為編程語言，主程序框圖如圖11所示。首先對單片機的定時器，AD轉換器，以及液晶顯示器等模塊初始化，分別采集常用電源和備用電源的電壓信號，并將兩者的實時電壓值顯示在液晶顯示器上，然后進入邏輯判斷階段，根據(jù)邏輯判斷的結果，控制相應的LED的亮滅狀態(tài)。

當常用電源與備用電源均正常時，電力系統(tǒng)由常用電源供電，一旦常用電源出現(xiàn)異常（停電或者電壓波動超過正常電壓220V的10%，并且波動持續(xù)時間超過3秒）時，自動轉換到備用電源供電模式。當常用電源恢復正常，且維持時間超過3秒，切換到常用電源供電模式，實現(xiàn)自投自復的工作方式。

常用電源任一相電壓被監(jiān)測到超出-10%～10%范圍時，延時3秒，如果恢復正常，則不動作；如果仍不正常，則發(fā)出指令使Q1分閘并使常用電源的“異常”燈閃爍（報警信號）、“正?！睙艉汀斑\行”燈熄滅；如果此時備用電源正常，則發(fā)出指令使Q2合閘并使備用電源的“運行”燈點亮，自動轉換至備用電源。

常用電源恢復正常，則點亮常用電源的“正常”燈，同時延時3秒，如果仍正常，則發(fā)出指令使Q2分閘，并使常用電源的“異常”燈和備用電源的“運行”燈熄滅，自動返回轉換到常用電源。

圖11 主程序框圖

4. 結論

實驗研究表明本設計提供的雙電源轉換控制器能夠對雙路電源的過壓、欠壓和缺相等故障進行檢測，實現(xiàn)兩路電源間的可靠切換。使用該型控制器，當主電源發(fā)生故障時能準確完成主、備用電源間的切換，從而最大限度地保證供電的連續(xù)性。

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[7]行業(yè)標準JBJ 6-1996機械工廠電力設計規(guī)范[S].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

杜炎城，山東日照人，昆明理工大學在讀研究生。

邴松，山東濰坊人，現(xiàn)就讀于山東省諸城市繁華中學。