孫前剛，潘李云，劉 剛

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電解法處理是獲得國際海事組織資助的一項非常有前景的去除船舶壓載水中生物和病原體的技術(shù)。現(xiàn)有電解法壓載水管理系統(tǒng)基本由活性物質(zhì)濃度檢測單元、電解電源、電解槽、控制單元組成，電解電源是整個系統(tǒng)的核心組成部分[1-2]。采用集中式供電的電解電源系統(tǒng)表現(xiàn)出其局限性，分布式直流供電系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)集中式供電存在的難以實現(xiàn)余度供電和不間斷供電等缺點[3]，且系統(tǒng)模塊化程度高，容易實現(xiàn)擴展，且具有較高的可靠性。

電解電源具有小電壓、大電流的特點，為了得到大的輸出電流，采用并聯(lián)均流技術(shù)可提高輸出電流。常用的均流技術(shù)有：主從設(shè)置法、平均電流自動均流法、自動主從控制法等。這些方法針對恒壓源使用，對于恒流源的并聯(lián)并不適用。采用數(shù)字方法實現(xiàn)均流調(diào)節(jié)，具有控制策略靈活多樣、均流精度高的優(yōu)點。數(shù)字方法由于不存在模擬電平的均流母線，干擾小，均流可靠性得以提高，并且很容易做到單個模塊故障時不影響與其并聯(lián)的其它模塊的正常運行[4-7]。

針對電解電源的需求，本文基于CAN通訊和分布式供電架構(gòu)設(shè)計了16臺恒流源模塊并聯(lián)的大功率恒流源系統(tǒng)，其中每臺電源輸出60 V 82.5 A，該電源系統(tǒng)輸出電流0～1 000 A范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1 基于CAN總線和分布式供電的大功率恒流源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體框架

大功率恒流源系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由監(jiān)控單元、功率變換單元構(gòu)成，功率變換單元由N個電源模塊并聯(lián)組成，實現(xiàn)對輸入交流380 V到直流電的轉(zhuǎn)換，輸出的直流電給電解槽供電。監(jiān)控單元一方面通過MODBUS與電解法壓載水處理系統(tǒng)控制單元通訊，獲取輸出電流基準(zhǔn);一方面通過CAN總線與功率變換單元中的電源模塊通訊，控制電源模塊的輸出。

圖1 大功率恒流源系統(tǒng)總體框圖

1.2 系統(tǒng)控制原理

圖2 大功率恒流源系統(tǒng)控制框圖

1.3 系統(tǒng)工作原理

控制單元通過MODBUS實時更新恒流源系統(tǒng)總輸出電流設(shè)定值；控制單元與各個電源模塊輪詢通訊，實時監(jiān)測電源模塊的狀態(tài)參數(shù)；電源模塊報故障或者通訊失去連接時，認(rèn)為電源模塊故障，根據(jù)該判定，統(tǒng)計出目前在線正常工作的電源模塊個數(shù)，得出電源模塊輸出電流設(shè)定值；控制單元通過CAN總線廣播下發(fā)電源模塊輸出電流基準(zhǔn)；電源模塊根據(jù)輸出電流設(shè)定值輸出相應(yīng)的電流。

2 電源模塊工作原理

電源模塊主拓撲采用有源因數(shù)校正(APFC)+DC/DC兩級變換方案，前級采用有源功率因數(shù)校正實現(xiàn)功率因數(shù)控制和電流諧波抑制，DC/DC模塊級完成隔離和降壓變換，輸出用戶所需要的電壓等級，這種方案既能滿足功率因數(shù)要求，又具有較高的設(shè)計靈活性和通用性。

APFC在電路結(jié)構(gòu)上主要包括三相電抗器、三相全控橋、輸出濾波、運算控制器、驅(qū)動器與采樣信號調(diào)理電路，三相電抗器對高頻開關(guān)信號呈高阻狀態(tài)，確保電網(wǎng)電流的諧波含量處于可控范圍，三相全控橋接收驅(qū)動器轉(zhuǎn)發(fā)的脈寬調(diào)制(PWM)信號，按照驅(qū)動波形進行開關(guān)變換，運算控制器處于采樣調(diào)理電路后端，根據(jù)采樣值產(chǎn)生合適的PWM波形，控制三相全控橋的動作行為。

DC/DC變換器采用適合中、大功率直流變換器的零電壓零電流開關(guān)(FB-PS-ZVZCS)移相控制，具有自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，適應(yīng)負載變化時不同的諧振軟開關(guān)要求。同時功率器件選用低導(dǎo)通電阻的MOS管，使得它的功耗更小，工作頻率更高，提高了變壓器利用率，降低了開關(guān)損耗。

圖3 電源模塊電路框圖

3 監(jiān)控單元

3.1 硬件設(shè)計

監(jiān)控單元是大功率恒流源系統(tǒng)的核心控制部分，需要具備如下功能：

(1) 總輸出電流采樣功能，獲取恒流源系統(tǒng)總輸出電流；

(2) 總輸出電壓采樣功能，獲取恒流源系統(tǒng)總輸出電壓；

(3) CAN通訊功能，完成與功率變換單元內(nèi)N個電源模塊的控制和狀態(tài)查詢；

(4) RS485通訊功能，完成與壓載水系統(tǒng)控制單元的通訊，獲取總輸出電流的基準(zhǔn)值和狀態(tài)上傳；

(5) RS232通訊功能，實現(xiàn)與觸摸串口屏通訊，實現(xiàn)恒流源系統(tǒng)狀態(tài)的本機顯示以及本機輸出電流基準(zhǔn)值設(shè)置。

根據(jù)上述功能設(shè)計了基于STM32F103C8T6的監(jiān)控單元硬件框圖，如圖4所示，包含電源電路、JTAG電路、時鐘電路、CAN接口電路、RS232接口電路、RS485接口電路、輸出電壓采樣電路、輸出電流采樣電路等。

圖4 監(jiān)控單元硬件框圖

3.1.1 控制器最小系統(tǒng)電路設(shè)計

本文選擇控制器型號為STM32F103C8T6，最小系統(tǒng)電路設(shè)計如圖5所示，包括STM32F103C8T6芯片、BOOT電路、晶振電路和復(fù)位電路，芯片供電電壓為3.3 V[8]。

圖5 控制器最小系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1.2 輸出電壓采樣電路設(shè)計

本系統(tǒng)輸出電壓為0～60 V，本文采用ACPL-C87B對輸出電壓進行隔離采樣。應(yīng)用ACPL-C87B的輸出電壓采集電路原理圖如圖6所示，調(diào)整分壓電阻R1/R2比值以按比例降低線路電壓值至ACPL-C87B的線性輸入范圍(0～2 V)。

圖6 輸出電壓采樣電路

Vin最大為60 V，R2選擇10 kΩ，計算得R1為290 kΩ，選擇294 kΩ阻值。C1選擇100 pF，R2和C1構(gòu)成低通濾波器，U1為ACPL-C87B，增益為1 V/V，U2、R3、R4、R5、R6構(gòu)成差分放大電路，將差分輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出信號，并構(gòu)成一個低通濾波器，運算放大器U2選擇OPA237，將輸入電壓0～60 V調(diào)理至0～2 V范圍送到STM32F103C8T6芯片的ADC_IN0進行采樣。

(1)

選擇R3=R4=10 kΩ，R5=R6=10 kΩ，則：

(2)

3.1.3 輸出電流采樣電路設(shè)計

本系統(tǒng)輸出電流最大值為1 000 A，本文選擇LEM公司的LT1005-S霍爾電流傳感器對輸出電流進行采樣。

輸出電流信號調(diào)理電路如圖7所示，運算放大器U4選擇NE5532，R93和C97構(gòu)成1個低通濾波器，U4A為一級跟隨器，U4B、R8、R9、R10、R11構(gòu)成差分放大電路把差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號，R12、C10構(gòu)成一級低通濾波器，將輸出電流0～1 000 A調(diào)理至0～2.5 V范圍內(nèi)連接至芯片的STM32F103C8T6的ADC_IN1進行采樣。

圖7 輸出電流采樣電路

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電或復(fù)位后，便開始執(zhí)行主程序，首先執(zhí)行初始化功能，其主要工作包括系統(tǒng)初始化(串口初始化，CAN控制器初始化，清除標(biāo)志寄存器，系統(tǒng)時鐘初始化，定時器初始化，中斷初始化)，清除中斷懸掛寄存器，設(shè)置中斷屏蔽寄存器等。主程序主要的任務(wù)是完成與電源模塊的CAN總線通信、與觸摸屏的RS232總線通信、與壓載水控制單元的RS485總線通信及恒流源系統(tǒng)輸出電流、輸出電壓采樣，監(jiān)控單元主程序流程圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)控單元主程序流程圖

4 實驗舉例

4.1 系統(tǒng)需求

大功率恒流源系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 大功率恒流源系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)

4.2 實驗結(jié)果

大功率恒流源系統(tǒng)輸出電流分別為320 A、600 A和1 000 A時電源模塊電流數(shù)據(jù)如表2所示。計算得輸出電流分別為320 A、600 A和1 000 A時電流均衡度為97.0%、97.1%和99.56%，均滿足系統(tǒng)電流均衡度大于95%的要求。

表2 輸出電流分別為320 A、600 A和1 000 A時電源模塊電流數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文以電解法處理船舶壓載水大功率恒流源系統(tǒng)作為研究對象，基于CAN總線和分布式供電設(shè)計了模塊并聯(lián)方式的大功率恒流源系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)輸出恒流精度和電流均衡度好，該技術(shù)可根據(jù)實際功率容量需要靈活變更并聯(lián)模塊數(shù)量，為大功率電源系統(tǒng)的設(shè)計提供了一個靈活、可靠的解決方案。