高校实验室智能弱电供电管理系统设计
作者 : 未知

  摘 要:为了丰富高校实验室现有供电模式,以适应日益增长的智能化、安全性要求,根据高校实验室供电安全现状,设计了一种主要应用于高校实验室的智能弱电供电管理系统,采用STM32系列高速低功耗微处理器为控制核心,以脉宽调制控制全桥隔离开关电源技术为基础,将应用输出端口电压控制在人体可承受的安全电压以内,并且具有检测、反馈、保护、显示、交互等多个辅助功能模块,研制出一种安全、高效、便捷、稳定的实验室智能化供电系统,有较大的实际应用价值。
  关键词:智能电源 STM32 PWM 开关电源
  中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)02(c)-0166-02
  高校实验室是理工类高等学校的重要组成部分。实验室受众面积大,用电频繁,如何有效安全用电成为了实验室建设和运行中不能忽视的课题。现行实验室用电标准基本为220 V交流市电供电,即使在线路布局、切断保护等各方面都进行了较多考虑,仍然有很大的安全隐患[1]。为了更好地加强物理实验室的用电安全,该文基于32位微型处理器和高效大功率开关电源技术,设计了一种实验室智能化弱电供电系统,彻底解决了实验室用电安全难题。
  1 智能弱电供电系统总体规划
  该实验室智能弱电供电管理系统基本性能指标(见表1)。
  系统采用单片机智能控制开关电源将交流市电转化成安全弱电供给输出使用端口。系统可以根据负载的变化,及时调节输出功率,提高用电效率。还可以监控各个供电支路和端口的使用情况,保障供电和用电安全。
  2 基于STM32的中央智能管理单元设计
  中央智能管理单元核心采用STM32系列低功耗、高稳定度微型处理器STM321
  03VET6(MPU),处理速度高达72 MHz,
  附加数据采集、输入控制、输出控制、限定
  保护等子模块构成中央控制单元。STM321
  03VET6处理器具有大量GPIO、中断、CAN、USB和AD转换端口[2],外设资源极其丰富,拥有内部存储单元,还可运行在低功耗模式。中央单元的主要功能有数据采样、运算处理、反馈控制、显示输出等。
  数据采样功能是指通过AD转换端口或相关电路采集相关端口的电压和电流、负载数量、即时功率、故障等数据并传递给MPU。运算处理功能是指通过MPU的指令系统将实时数据传入程序函数进行运算,并根据预先设定的程序进行处理,或者自主产生特定的信号,比如产生脉宽调制(PWM)波形,以供给其他功能模块。反馈控制功能基于MPU得到的运算结果,通过GPIO端口输出到各个相关控制电路,使相关模块产生相应动作以实现实时、快速、稳定、准确、高效的控制。显示输出功能可以将系统当前运行状态、即将执行动作等信息通过屏幕显示出来,也可以传输到计算机中进行显示和控制(见图1)。
  过载检测和保护电路共同协调,对于输入、输出电压、电流和模块运行温度数据进行分析和处理,产生相应动作,保障电源整体运行安全平稳。
  3 大功率开关电源转换单元设计
  开关电源转换单元设计开关频率为30 kHz,采用脉宽调制(PWM)全桥隔离式拓扑结构。整流电路使用大功率整流模块,根据本系统设计参数,最大输入功率为10 kW,最大输入电流应为46 A,基于安全经济等考虑,应选用工作电流100 A、耐压1000 V的整流桥堆。全桥逆变整流电路采用英飞凌公司的100 A/600 V大功率IGBT模组[3]。全桥IGBT驱动电路采用IR2133集成驱动芯片。高频变压器采用铁氧体磁芯,原副边变换比为10∶1。同时设计了滤波、保护、稳压等附属电路(见图2)。
  脉宽调制(PWM)波形由STM32微处理器产生,通过调节脉宽占空比,就可以控制输出功率,既可控制系统用电效率,也可以提高整体运行安全性。开关电源到用电终端之间还可选择连续可调电压输出应用模块或固定分立电压输出模块。检测保护部分可以采用UC3895控制芯片实现动态控制[4]。
  4 应用端口分布式设计
  实验室智能弱电供电管理系统应用端口采用分布式、模块化设计,其拓扑结构见图3。
  供电线路从总分线器出发,分别接驳到实验室各个房间的端口,再连接到房间内部的输出端子上。各个接插部分采用标准化即插即用型部件,有利于根据需要更改、扩充相应端口数量。每个端口具有独立的检测、保护装置,并可以根据需要在0~30V范围内调整供电电压。
  该文设计的智能弱电供电管理系统可以依托原有实验室供电系统(220 V市电)线路管道布线,并适当对现有实验台供电插口进行改装,或者加装新式弱电端口,即可正常使用,实现起来比较方便。
  5 结语
  智能弱电供电管理系统设计科学合理、安装实施方便、投入成本不高、控制管理有效,从根本上解决了实验室的用电安全问题,为实现实验室全面安全管理奠定了重要基础。但由于不兼容现有大部分实验设备的供电标准,目前仅适用于需要弱电电源进行支持的分立式仪器仪表的组合实验。当然对于现有实验仪器来说,通过努力更改内部电源电路以直接使用弱电电源供电也是可行的。
  参考文献
  [1] 贾贤龙.高等学校实验室安全现状分析与对策[J].实验室研究与探索,2011,12:193-195.
  [2] 张旭,亓学广,李世光,等.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2010,11:90-93.
  [3] 瞿世尊,王可亮,陈健.大功率开关电源的设计与实现[J].电子工程师,2004,4:38-41.
  [4] 惠露,李敏远.基于LabVIEW的分布式开关电源监控系统 [J].西安理工大学学报,2014,3:351-356.