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備用通信電源新設計

作者: 時(shí)間:2013-05-25 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
  在通信企業(yè)中,電源是通信系統的“心臟”, 是全程全網(wǎng)暢通的根本保障。供電系統的可靠性、穩定性和供電質(zhì)量,直接影響到通信網(wǎng)絡(luò )能否穩定的運行。應急、備用系統中不可缺少的部分。在特定的環(huán)境和特殊時(shí)期都發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用?,F階段的應急、備用,有的只采用了簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制,有的甚至還采用著(zhù)開(kāi)環(huán)控制系統,這必然會(huì )造成電源與市電的切換過(guò)程時(shí)間長(cháng)、輸出電源質(zhì)量差和消耗能源多的缺點(diǎn),并且難以滿(mǎn)足通信網(wǎng)絡(luò )的穩定運行的要求。而進(jìn)口應急、備用通信電源雖然能達到要求,但其價(jià)格昂貴,造成了企業(yè)開(kāi)支較大。本文提出了一種新型的應急、備用通信電源的設計方案,能夠達到可靠、穩定、操作簡(jiǎn)單和輸出電源質(zhì)量高的特點(diǎn)。并且由于本系統采用了模糊和神經(jīng)元等先進(jìn)的智能控制算法,在實(shí)際中必定能夠減少能源的消耗。

1硬件設計方案

  對于發(fā)電機輸出電壓U=Ceφ n

  其中,Ce:電動(dòng)勢常數;φ:勵磁磁通;n:轉速(r/min);而φ=KfIf (不考慮飽和影響),Kf為比例常數;If為勵磁電流。

  所以,在保證轉速不變的情況下調節勵磁電流的大小,才能保證輸出電壓的恒壓特性。

  本設計采用了雙閉環(huán)控制電路,如圖1所示。分別是轉速閉環(huán)和輸出電壓控制閉環(huán)。轉速閉環(huán)使發(fā)電機始終保持在額定轉速下運行;電壓控制閉環(huán)通過(guò)調節勵磁電流來(lái)動(dòng)態(tài)調整輸出額定電壓。主要控制器件選取如下:

  可編程邏輯控制器(PLC):可編程邏輯控制器已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中,它以極短的掃描周期,豐富的性能,極大地提高了生產(chǎn)效率。并且能夠適應于惡劣的工作環(huán)境,和很強的聯(lián)網(wǎng)和監控功能。本系統選用了SIMENS S7-200 CPU222 。

  IGBT:它既具有功率MOSFET高輸入阻抗、高速、熱穩定性好和驅動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn),又具有GTR通態(tài)電壓低,導通損耗小而耐壓值高的優(yōu)點(diǎn)。因此,IGBT在電氣傳動(dòng)、電源技術(shù)等方面獲得廣泛應用。

  光電編碼器:它實(shí)現了對轉速的高精度采樣。
比例電磁鐵:通過(guò)對它兩端的電壓控制達到對油機油門(mén)的線(xiàn)性控制。兩端的電壓大或內通有效電流大,油門(mén)拉大,則油機用油量大,轉速快。本系統選用了1T型直流可控電磁鐵。

  2.1轉速閉環(huán)設計

  轉速閉環(huán)如圖2由光電編碼器對轉速采樣,輸入到可編程邏輯控制器(PLC)的輸入側,PLC通過(guò)控制算法輸出脈寬調制(PWM)到IGBT,控制電磁鐵中流過(guò)電流大小,從而由比例電磁鐵控制油機的油門(mén)大小,達到轉速N的在線(xiàn)實(shí)時(shí)調節。

  2.2 輸出電壓控制閉環(huán)設計

  輸出電壓控制閉環(huán)如圖3,通過(guò)對電阻R1上的電壓采樣,即輸出實(shí)際電壓值。這樣,采樣電壓輸入到可編程邏輯控制器(PLC)的模數轉換模塊(AD/DA),PLC通過(guò)控制算法輸出脈寬調制(PWM)到IGBT,從而控制發(fā)電機勵磁繞組電流,達到輸出電壓U的在線(xiàn)調整。

  2. 3 流短路保護電路設計

  通過(guò)R2的壓降對輸出電流I采樣到PLC(AD/DA),由PLC判斷處理,例如:采樣電流在3 s內,一直達到2倍額定電流時(shí)切斷電路,起到保護作用。

  2.4 三相交流發(fā)電機的設計

  同樣,對于三相交流發(fā)電機的設計方案如圖5所示,加入了電壓、電流互感器,對電壓、電流進(jìn)行采樣,其控制過(guò)程與直流發(fā)電系統類(lèi)似,本文就不再敘述。

2軟件設計

  實(shí)際中被控系統具有非線(xiàn)性、時(shí)變性、時(shí)滯性、且由于噪聲、負載擾動(dòng)等因數的干擾,難以建立精確的數學(xué)模型或引起對象數學(xué)模型的改變,造成控制精度達不到要求。模糊算法和神經(jīng)元算法正是避免了對象的數學(xué)模型建立,就能達到快速、高精度的控制效果。實(shí)驗中證實(shí),對于被控量大起大落的情況需要模糊算法,它能夠起到快速調節的作用;對于高精度細調被控量,要用神經(jīng)元算法,它能夠使被控量在線(xiàn)實(shí)時(shí)調整到高精度。

  2. 1 速閉環(huán)軟件設計

  由于油機在運行中波動(dòng)較大,特別是啟動(dòng)過(guò)程,這就要求使用模糊算法。由于傳統的模糊算法需要建立高精度的模糊控制表,而建表要通過(guò)大量的計算與實(shí)驗才能建立。所以為避免復雜的計算與實(shí)驗,本設計提出了一種雙模糊控制算法。

  2.1模糊規則建立

將偏差E,偏差變化率EC和控制量U的論域都取為:
E=EC=U={-3,-2,-1,0,1,2,3}

  雙模糊控制算法在本實(shí)驗系統中有著(zhù)良好的控制效果。它具有非常短的過(guò)渡過(guò)程,轉速只有±3‰的偏差,并且PLC的運算周期短,對PLC 的性能要求要低很多,這在實(shí)際中會(huì )節省一大部分硬件投資。這在實(shí)際中也是最需要的簡(jiǎn)單、快速和高精度的控制算法。

  2. 2出電壓控制閉環(huán)設計

  由于勵磁電流變化范圍小,又要求有很高的精度控制,所以本系統選用了神經(jīng)元PID算法。

  其中: Kc、Ti、Td分別為模擬調節器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間;y(t)為調節器的輸出信號;e(t)為調節器的偏差輸入信號,是給定制與采樣值的差e(t)=r(t)-y(t)。

  其中:y(k)是第k次采樣時(shí)刻計算機的輸出;e(k)為第k次偏差;

  稱(chēng)為積分系數; 稱(chēng)為微分系數。

  采用B-P算法,使用非線(xiàn)性函數

網(wǎng)絡(luò )的輸入層為:
x1=e(k)
x2=e(k-1)
x3=e(k-2)
網(wǎng)絡(luò )的輸出層為:
Δu=ω1*x1+ω2*x2+ω3*x3

  其中,ωi為其系數。從表達式可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制器具有PID控制器結構,其權系數就等于PID控制器的三個(gè)參數??刂破鞯娜蝿?wù)就是就是調整控制量u(k),使得輸出y(k)等于r。

  由此,可以在線(xiàn)修正權神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系數。

  控制效果分析

  采樣周期T=50ms,學(xué)習步長(cháng)為0.001,神經(jīng)元PID在穩定狀態(tài)運行時(shí),讀取發(fā)電機系統輸出電壓值與額定值偏差小于±5‰,當有擾動(dòng)時(shí)也能很快的恢復到給定值。

  2. 3 保護電路

  對于電流短路保護,設置采樣周期為3秒,當在采樣周期內電流達到2倍的額定電流時(shí),停止運行程序,并有相應指示燈顯示為電流短路。

  同時(shí),系統還設有限速保護。例如,當在2秒內轉速一直達到2倍的額定轉速時(shí),停止運行程序,并且也設有相應的指示燈,并另設置限速開(kāi)關(guān)保護裝置。

3結束語(yǔ)

  本文提出的應急、備用通信電源的設計方案,既可以用于通信電源機房,也可以用于移動(dòng)式應急電源車(chē)。通過(guò)使用高精度的控制設備,與模糊、神經(jīng)元算法的應用,做過(guò)相關(guān)的模擬實(shí)驗。使本系統具有操作簡(jiǎn)單、運行可靠、輸出電源質(zhì)量高和環(huán)保節能的特點(diǎn),在備用電源設計中具有一定的通用性,而且本文的設計在實(shí)際中得到了較好的應用。


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