CN107579595A

CN107579595A - 一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***

Info

Publication number: CN107579595A
Application number: CN201710760955.0A
Authority: CN
Inventors: 郑春秋
Original assignee: Suzhou Cisco Electronics Co Ltd Zhe Mai
Current assignee: Suzhou Cisco Electronics Co Ltd Zhe Mai
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-12

Abstract

本发明公开了一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，包含设置在开关柜内的凝露检测模块、反激式开关电源和监控终端；所述凝露检测模块包含依次连接的数据采集模块、多路复用开关、整流稳压模块、模数转换模块、控制器模块、无线发送模块；反激式开关电源，所述反激式开关电源包含EMI滤波模块、AC/DC转换装置、高频变压器以及环路补偿模块；本发明电路结构简单，器件数量较少，元器件具备高温作业环境要求，体积紧凑，整体散热量较小，适合安装在井下设备细长、封闭的内部空间。实现对高温环境下宽电压、宽频率信号进行调节、限制及保护。

Description

一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***

技术领域

本发明属于智能检测领域，尤其涉及一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***。

背景技术

我国信息请登陆:输配电设备网在开关柜中采用自动加热除湿控制器防止凝露已有十几年历史，这种加热除湿控制器在抗潮湿、防凝露保证高压设备可靠运行起到了积极作用，但在有的地区应用中也出现了一些问题，例如：在南方的梅雨季节，有时开关柜内部的空气湿度较高，甚至开关柜内局部已有结露现象，由于安装在柜体内部的凝露传感器的位置并没有到达凝露的程度，或者，凝露传感器长期受空气中灰尘和气体侵蚀，使传感器的灵敏度受到影响，凝露控制器不能及时地启动加热器。致使凝露控制的作用失灵，给开关设备的安全带来威胁。新型高压开关柜内部空间十分紧凑，为保证在高湿地区内部绝缘水平,保证装置可靠工作,对柜内防潮、防凝露提出了更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的不足提供了一种用于开关柜的凝露检测及监控装置，该测量仪通过阵列式凝露传感器以及微弱信号调理电路，能实时精确的监测高压开关柜内的凝露强度，可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提示用户清除凝露。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，包含设置在开关柜内的凝露检测模块、反激式开关电源和监控终端；

所述凝露检测模块，用于实时采集开关柜内的凝露参数；

所述反激式开关电源，用于提供开关柜所需电能；

所述监控终端，用于开关柜凝露检测及供电数据的监控；

所述凝露检测模块包含依次连接的数据采集模块、多路复用开关、整流稳压模块、模数转换模块、控制器模块、无线发送模块；

所述数据采集模块包含由多个HDP-07传感器构成的传感器网络，用于实时采集开关柜内的凝露参数；

数据采集模块依次经过多路复用开关、整流稳压模块、模数转换模块连接控制器模块，用于将采集的凝露参数进行预处理，进而上传至控制器模块；

控制器模块与无线发送模块连接，用于将采集的凝露参数上传至监控终端；

整流稳压模块包含MPU处理单元、可控硅整流单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元、温度反馈单元和电压电流变量反馈单元；

MPU 处理单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元及可控硅整流单元依次连接，温度反馈单元和电压电流变量反馈单元分别与MPU处理单元连接；

所述MPU处理单元根据温度反馈单元所测量的温度值、电压电流变量反馈单元所测量的电压值和电流值，输出调整脉冲触发频率的控制信号和控制脉冲触发控制单元的通断的控制信号；

反激式开关电源，所述反激式开关电源包含EMI滤波模块、AC/DC转换装置、高频变压器以及环路补偿模块；

其中，市电接入EMI滤波模块，用于滤除市电电网中的共模与差模干扰；

所述EMI滤波模块通过AC/DC转换装置连接高频变压器，用于将输入的交流电转换成直流电，进而经过高频变压器完成变压；

所述环路补偿模块分别与高频变压器的输出端和AC/DC转换装置的输入端连接，用于高频变压器的输出电压进行环路补偿；

所述AC-DC转换装置包含反激式变压器、整流滤波模块、启动电路、启动控制和低压锁定模块、峰值电流检测、采样保持模块、误差放大器、CV控制模块、退磁时间检测模块、CC控制模块、PFM逻辑控制模块、驱动模块、功率开关管M1；所述启动电路包含一功率开关管Q1，所述反激式变压器的原边绕组Np的上端连接外部输入电压Vin端，原边绕组Np的下端连接启动电路；所述反激式变压器的次边绕组Ns连接外部整流滤波模块；所述变压器的辅助绕组Naux经电阻分压分别连接采样保持模块和退磁时间检测模块的输入端，所述反激式变压器的辅助绕组Naux经二极管送入VDD端连接启动控制和低压锁定模块；所述启动电路的一端也送入VDD端连接启动控制和低压锁定模块，另一端连接功率开关管M1的漏端；所述功率开关管M1的源端经CS端连接峰值电流检测的输入端；所述峰值电流检测的输出端连接PFM逻辑控制的输入端；所述整流滤波模块的输出端连接电压输出Vout端；所述采样保持模块的输出端依次通过误差放大器、CV控制模块连接PFM逻辑控制模块的输入端；所述退磁时间检测模块的输出端经CC控制模块也连接到PFM逻辑控制的输入端，PFM逻辑控制模块的输出端通过驱动模块控制功率开关管M1和功率开关管Q1的通断，从而控制反激式变压器原边电路的通断。

作为本发明一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***的进一步优选方案，所述监控终端包含无线接收模块、单片机模块、触摸屏输入与显示模块、时钟芯片和声光报警电路；

所述无线接收模块与单片机模块连接，用于将接收的凝露参数上传至单片机模块；

所述触摸屏输入与显示模块与单片机模块连接，用于实时显示接收的凝露参数，以及预先设定凝露参数阈值；

时钟芯片与单片机模块连接，用于记录时间；

声光报警电路与单片机模块连接，用于当采集的凝露参数不在正常阈值范围内时发出警报。

作为本发明一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***的进一步优选方案，所述多路复用开关的芯片型号为AMC4601。

作为本发明一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***的进一步优选方案，所述模数转换模块的芯片型号为AD7794。

作为本发明一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***的进一步优选方案，所述无线发送模块和无线接收模块的芯片型号均为nRF905。

作为本发明一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***的进一步优选方案，所述单片机模块的芯片型号为STM32。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过凝露传感器网络以及微弱信号调理电路，能实时精确的监测高压开关柜内的凝露强度，可实现分级别通过液晶显示和声光报警及时提示用户清除凝露，大大提高开关柜防凝露的可靠性和工作寿命；

本发明提出的智能化高压柜凝露测量仪具有低功耗、微型化、成本低、精度高的特点，稳定性好，同时具有数据实时显示，报警阈值分级别设定、数据无线远距离传输以及报警提示等功能，由于采用多个数据采集与传输***阵列式多点测量，能够高效地对高压柜内凝露状况做全面监测；

本发明电路结构简单，器件数量较少，元器件具备高温作业环境要求，体积紧凑，整体散热量较小，适合安装在井下设备细长、封闭的内部空间。实现对高温环境下宽电压、宽频率信号进行调节、限制及保护；

本发明通过对蓄电池工作过程中电压和电流的变化进行分析，合理控制蓄电池的工作进程，从而保证和提高了蓄电池的循环使用寿命；

本发明的AC-DC转换装置省去了外部启动电路，大大降低启动部分的功耗；本发明采用合封三极管实现启动，待机功耗低，速度快，本发明采用合封技术，无需高压工艺，易于实现、节约成本；本发明当输出短路时，***自动进入固定频率模式，提高稳定性。

附图说明

图1是本发明整流稳压模块原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

所述凝露检测模块，用于实时采集开关柜内的凝露参数；

所述反激式开关电源，用于提供开关柜所需电能；

所述监控终端，用于开关柜凝露检测及供电数据的监控；

如图1所示，整流稳压模块包含MPU处理单元、可控硅整流单元、脉冲触发控制单元、脉冲触发单元、温度反馈单元和电压电流变量反馈单元；

如图2所述AC-DC转换装置包含反激式变压器、整流滤波模块、启动电路、启动控制和低压锁定模块、峰值电流检测、采样保持模块、误差放大器、CV控制模块、退磁时间检测模块、CC控制模块、PFM逻辑控制模块、驱动模块、功率开关管M1；所述启动电路包含一功率开关管Q1，所述反激式变压器的原边绕组Np的上端连接外部输入电压Vin端，原边绕组Np的下端连接启动电路；所述反激式变压器的次边绕组Ns连接外部整流滤波模块；所述变压器的辅助绕组Naux经电阻分压分别连接采样保持模块和退磁时间检测模块的输入端，所述反激式变压器的辅助绕组Naux经二极管送入VDD端连接启动控制和低压锁定模块；所述启动电路的一端也送入VDD端连接启动控制和低压锁定模块，另一端连接功率开关管M1的漏端；所述功率开关管M1的源端经CS端连接峰值电流检测的输入端；所述峰值电流检测的输出端连接PFM逻辑控制的输入端；所述整流滤波模块的输出端连接电压输出Vout端；所述采样保持模块的输出端依次通过误差放大器、CV控制模块连接PFM逻辑控制模块的输入端；所述退磁时间检测模块的输出端经CC控制模块也连接到PFM逻辑控制的输入端，PFM逻辑控制模块的输出端通过驱动模块控制功率开关管M1和功率开关管Q1的通断，从而控制反激式变压器原边电路的通断。

述反激式变压器用于实现能量传输和电器隔离；整流滤波模块用于输出电压滤波；启动控制和低压锁定模块用于限制芯片内部供电端电压的大小，以防误操作；采样保持模块用于实现对反馈电压的采样，用于后面与基准电压的比较；误差放大器用于实现采样电压与基准电压的误差放大；PFM逻辑控制用于实现电压对频率的控制；峰值电压检测用于原边电流反馈；驱动模块用于驱动Q1和M1，实现原边通断。

本发明的目的解决传统原边反馈开关电源***，由于***元器件功耗导致***待机功耗较大，启动速度慢的问题。为此提供了一种超低待机功耗原边反馈开关电源电路，其与现有的开关电源不同的是：***省去外部启动电路，通过合封三极管实现启动。

该超低待机功耗的原边反馈开关电源的具体电路图如图2所示：基于反激式原边反馈开关电源拓扑结构，外部包括反激式变压器（包括原边绕组Np，次边绕组Ns，辅助绕组Naux），整流滤波电路，电阻R1、R2分压；控制部分包括启动控制和低压锁定模块，采样保持模块、误差放大器，CV控制模块，退磁时间检测，CC控制模块，PFM逻辑控制，峰值电流检测，基极驱动模块，栅极驱动，功率开关管M1，合封三极管Q1。改进了芯片供电端启动方式，集成了功率开关管，采用了合封技术。

工作原理：

外部输入电压Vin通过反激式变压器原边绕组Np连接合封三极管Q1和电阻R_BC，电阻R_BC给三极管Q1的基极提供电流，Q1导通，经二极管D₂，给控制芯片VDD端电容C₁充电，当VDD电压升高到内部设定电压VH时，UVLO信号翻转，***启动完成，芯片开始工作，此时VDD电压由辅助绕组Naux提供。

电路中的R_BC是一个大电阻，通常为10MΩ，给合封三极管的栅极提供电流。大电阻R_BC在***工作时消耗的功耗很小，且在原边导通阶段R_BC两端电压为零，不消耗功耗，同时电容C1的充电电流为Q1的栅极电流，为电阻R_BC电流的β倍（β约为30），启动时间大大缩短。

芯片开始工作以后，首先栅极驱动和基极驱动使M1，Q1导通，原边导通，根据变压器原理，次边绕组电压相反，输出二极管D_O阳极为低电平，截至，次边不导通。原边导通时，输入电压通过原边绕组，Q1，M1，R_CS联到地，原边电感充电，原边电流逐渐上升，这一电流通过R_CS以电压的形式从电流检测（CS）端反馈到芯片内，当CS端电压达到内部设定时，峰值电流检测比较器输出翻转，通过逻辑电路控制驱动模块使M1，Q1关断，原边关断。根据电感原理，电感电流不能突变，次边电压反转，输出二极管D_O导通，次边导通。次边导通阶段，即退磁阶段，次边绕组Ns的电压也就是输出电压反映到辅助绕组Naux上，通过电阻分压R₁，R₂，得到FB电压，FB电压经采样保持与基准电压比较等一系列电路，从而控制Q1，M1的开关频率，进而控制输出电压。所以反激式变压器的原边绕组Np和次边绕组Ns不同时导通。

芯片的工作分为三种工作模式：固定频率模式，CC（恒流）模式，CV（恒压）模式。当FB电压V_FB<0.5V时，工作在固定频率模式（38KHz），0.5V<V_FB<2V时（Vref1=2V），切换至CC工作模式。芯片启动阶段完成时切换至CV工作状态，当负载继续增大时，***重新切换至CC工作模式。

当芯片开始工作，固定频率控制信号驱动Q1和M1导通，输入电压加载在原边绕组两端，原边支路导通，称为导通阶段。原边电流逐渐上升，电流检测端（CS）电压逐渐上升，当其上升至内部基准电压Vref2时，峰值电流检测比较器输出翻转，Q1、M1关断，次边绕组导通，能量释放，退磁阶段启动。

在退磁阶段，输出电压以一定比例反映在原边辅助绕组Naux上，经电阻R1、R2分压，送入电压反馈端（FB）。再通过采样保持电路，得到退磁阶段3/4处的电压（此处的电压更加准确的反应输出电压），和基准电压一同送入误差放大器。阶梯上升电压由振荡器产生，经PFM 脉冲频率调制，产生频率控制信号，控制驱动电路。

所述监控终端包含无线接收模块、单片机模块、触摸屏输入与显示模块、时钟芯片和声光报警电路；

时钟芯片与单片机模块连接，用于记录时间；

所述多路复用开关的芯片型号为AMC4601。

所述模数转换模块的芯片型号为AD7794。

所述无线发送模块和无线接收模块的芯片型号均为nRF905。

所述单片机模块的芯片型号为STM32。

如图2所示,信号采集是采用的凝露传感器HDP-07，综合精度相对较高，适合环境温度为0℃~+60℃，本结露(凝露)传感器是正特性开关型元件，对低湿不敏感而仅对高湿敏感, 最适合于需要控制高湿度、结露的场合，很符合高压柜的凝露测量。本发明利用同相比例运算电路将传感器采集的信号做前置放大处理。

凝露的检测一般都是采用单个传感器测量，由于某点凝露可能变化很大且传感器出厂参数等略有差异，这些因素均增加了测量误差。本发明对传统的基于凝露传感器测量***进行改进。硬件上利用HDP-07凝露传感器组成2*2的阵列，采用分布阵列式多点平均测量方式，有效地消除了由于传感器个体本身的缺陷带来的测量误差和减少了由于传感器芯片蠕变而产生的随机误差或重复性误差，显著减少了年漂的影响。这样阵列式的测量方式能实时监测高压柜里的凝露情况。此外，在该阵列式测量方式中，采用多路复用模拟开关选择分时输出给后续的信号处理电路模块。

如图3所示，本发明采用发射频点多、发射距离远、抗干扰能力强的远距离无线收发芯片nRF905，工作在433/868/915MHz3个ISM频段，频段之间收发模式切换时间小于650us。TRX_CE、PWR_UP、TXEN、CSN、SCK、MISO、MOSI等端口与单片机相连，CSN、SCK、MISO、MOSI组成SPI接口。发射数据时，将nRF905设置为发射模式，单片机通过SPI接口将接受点地址和有效数据写入芯片缓存区，然后配合TRX_CE电平生成CRC和前导码，并发射数据。接收数据时，将nRF905设置为接受模式，等待数据的到来，当接受到对方的前导码、有效地址和CRC后，将数据储存在寄存器中，产生中断，让单片机读取。

如图4所示，触摸屏输入与显示电路由TFT触摸液晶屏构成显示控制电路，高压柜内露水凝结量，可以通过液晶屏实时显示出来，对于报警阈值，用户也可以根据自己的要求通过触摸屏输入设置。

如图5所示，声光报警电路采用黄色、橙色和红色3种颜色不同的二极管以及蜂鸣器进行报警提示，其中三种不同的颜色代表不同的阈值警告，当达到红色最高预警时，控制蜂鸣器进行警报提示管理员进行凝露的清理与高压柜内部的防护。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，其特征在于：包含设置在开关柜内的凝露检测模块、反激式开关电源和监控终端；

所述凝露检测模块，用于实时采集开关柜内的凝露参数；

所述反激式开关电源，用于提供开关柜所需电能；

所述监控终端，用于开关柜凝露检测及供电数据的监控；

2.根据权利要求1所述的一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，所述监控终端包含无线接收模块、单片机模块、触摸屏输入与显示模块、时钟芯片和声光报警电路；

时钟芯片与单片机模块连接，用于记录时间；

3.根据权利要求1所述的一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，其特征在于：所述多路复用开关的芯片型号为AMC4601。

4.根据权利要求1所述一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，其特征在于：所述模数转换模块的芯片型号为AD7794。

5.根据权利要求2所述一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，其特征在于：所述无线发送模块和无线接收模块的芯片型号均为nRF905。

6.根据权利要求2所述一种基于开关柜的蓄电池充放电监控***，其特征在于：所述单片机模块的芯片型号为STM32。