【正文】 段，需要進行很多穩(wěn)步推進的試點工作，確定一條可行的發(fā)展路徑，確定電網(wǎng)數(shù)字化、智能化實踐的技術(shù)要點是其中的核心環(huán)節(jié)。其次是對傳輸數(shù)據(jù)的整合和采集體系 。 IBM提出的方案通過對電力系統(tǒng)運行的各個環(huán)節(jié)的進行優(yōu)化管理優(yōu)化管理，不但為相關(guān)企業(yè)降低成本，而且使運行效率和可靠性大大提高。著重開發(fā)智能電網(wǎng)，逐步實現(xiàn)美國太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿确植际侥茉?，湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 的統(tǒng)一入網(wǎng)管理 。 第三階段 :互動電網(wǎng) (InteractiveSmartGrid)的概念是由 中國能源專家武建東提出，它實質(zhì)上包含了智能電網(wǎng)的含義。集合了產(chǎn)業(yè)革命、技術(shù)革命和管理革命的智能電網(wǎng)將再造電網(wǎng)信息回路，構(gòu)建實時反饋系統(tǒng)，推動電網(wǎng)整體轉(zhuǎn)型為節(jié)能基礎(chǔ)設(shè)施，提高能源使用效率，減少客戶成本，減少二氧化碳氣體排放，最大限度創(chuàng)造電網(wǎng)價值。本課題就是通過分析開關(guān) 電源、電力電子技術(shù)的發(fā)展結(jié)合當今的 PC 技術(shù)等完成一款智能電表的設(shè)計與實現(xiàn)。 智能電表其實是為實現(xiàn)國家智能電網(wǎng)而推出的計量設(shè)備，是該系統(tǒng)建設(shè)重要環(huán)節(jié)。它建立在集成、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量等技術(shù)設(shè)備，實現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠和經(jīng)濟高效的目標，具有信息化、數(shù)字化、自動化和互動化等主要特征。 這種新型智能電表使電力用戶不用跑到屋外找電表查電量，直接可以通過電表上的液晶顯視屏查詢電費、告警、歷史用電、實時電價及供電曲線等信息，了解自家在不同時間的用電情況，在用電波峰的時候關(guān)閉某些電器，根據(jù)自己需求，制定用電計劃，在精打細算中節(jié)約用電。 本論文大致可分為 五 部分：第一部 分 設(shè)計任務(wù) 要求 ；第二部分第 一 章 介紹了湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 研究背景及意義。設(shè)計。 第 2 章 方案論證與設(shè)計 論證 1）開關(guān)電源工作形式的選擇： 在開關(guān)電源電路中 ,基本類型有 5種 :單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋式和 全橋式。反激式功率變換電路結(jié)構(gòu)比較簡單 ,輸出電壓不受輸入電壓的限制 ,亦可提供多路電壓輸出TOPSwitchⅡ系列應(yīng)用于單端反激式變換器 ,典型用法如圖 4 所示 圖 a 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 圖 b 圖 c 圖 d 圖 4 TOPSwitchⅡ四種典型反激式變換電路 在圖 4中 ,(a)將偏置線圈通過限流電阻直接作為 TOPSwitchⅡ控制極的輸入 。(c)中輸 出電壓通過光耦作用于TOPSwitchⅡ控制極 ,在輸出電壓反饋精度上有所提高 。 4種變換電路的效果如表 1所示 表 1 4 種變換電路參數(shù)比較 圖示 穩(wěn)壓精度（典型值） 負載調(diào)整率（典型值） a 177。 5 b 177。 c 177。 1 d 177。 采用單端反激式開關(guān)電源， 這種反饋控制電路的最大特點是：在輸入電壓和負載電流變化較大時，具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度，自動限制負載電流，補償電路簡單。 方案的確定：故在此次設(shè)計中選用單端反激式。傳統(tǒng)的開關(guān)電源多采用分立的高頻功率開關(guān)管和多引腳的 PWM 集成控制器，例如采用 UC3842+MOSFET 是國內(nèi)小功率開關(guān)電源中較為普及的設(shè)計方法。它的出現(xiàn)，大大降低了開關(guān)電源設(shè)計的復(fù)雜性，縮短了設(shè)計所需的時間，從而加快了產(chǎn)品進入市場的速度。其中，TEA1523P 二合一集成控制器件，是該類器件的代表性產(chǎn)品。使用該芯片設(shè)計的小功率開關(guān)電源 ,可大大減少外圍電路 ,降低成本 ,提高可靠性。 方案的確定：所以最終選擇 TOP224Y 構(gòu)成的應(yīng)用電路 。它具有非常低的AC/DC 變換損耗，轉(zhuǎn)換效率可達 90%。為了實現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全保護，芯片內(nèi)部還具有一個觸發(fā)式熱關(guān)斷電路；可構(gòu)成反擊式、正激式、升壓式降壓式結(jié)構(gòu)的電路；可工作于觸及反饋控制結(jié)構(gòu)或光耦合反饋控制結(jié)構(gòu)；可穩(wěn)定工作與連續(xù)不連續(xù)傳導(dǎo)模式。 技術(shù)參數(shù) 參數(shù)名稱 極限值 單位 DRAIN 端電壓 — 700 V DRAIN 端電流增加量（ △ ID） CONTROL 端電壓 — 9 V CONTROL 端電流 100 mA 儲存溫度 65— 150 ℃ 焊接溫度 260 ℃ 工作結(jié)點溫度 40— 150 ℃ TOPSwitchII 的性能特點 ： 1） TOPSwitchII 內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門電路、高壓功率開關(guān)管（ MOSFET）、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復(fù)位電路、湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 關(guān)斷／自動重啟動電路。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關(guān)電源。 2) 只有三個引出端：控制端 C、源極 S、漏極 D，可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美，能以最簡方式構(gòu)成無工 頻變壓器的反激式開關(guān)電源。以控制端為例，它具有三項功能： ① 該端電壓 VC 為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏壓；② 該端電流 IC 能調(diào)節(jié)占空比； ③ 該端還作為電源支路與自動重啟動／補償電容的連接點，通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率，并對控制回路進行補償。作固定電壓輸入時可選 220V177。開關(guān)電源的輸入頻率范圍是 47~440Hz。電源效率為 80%左右，最高可達 90%，比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。 5) TOPSwitchII 的基本工作原理是利用 C 控制端的 反饋電流 IC來調(diào)節(jié)占空比，達到穩(wěn)壓目的。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。 TOPSwitchII 可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、 VCD7和 DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領(lǐng)域，并能構(gòu)成各種小型化、高密度、低成本的開關(guān)電源模塊。 TOPSwitchⅡ 系列芯片的管腳功能與應(yīng)用： TOPSwitchⅡ 系列芯片有三個管腳，分別是 D（ 3 腳）、 S（ 2 腳）、 C（ 1 腳），其中 C 為控制腳，用于電壓反饋控制輸入； D 為內(nèi)部 MOS 管的漏極，也是芯片功率電路輸入端，一般經(jīng)過變壓器初級繞組與供電電源正端相連接 ； S 為內(nèi)部 MOS 管的源極，一般接輸入電源的負端。其中開關(guān)電源的系統(tǒng)圖如下： 單片機及相關(guān)電路 方框圖 ： 繼電器開關(guān) 三相半波整流 鉗位，慮濾波 高 頻 變 壓 器 鍵盤 5V/ MCU5V/ 主路 5V/1A 正負 15V A/D、單片機 TOP224Y 脈沖控制 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 系統(tǒng) 控制 流程圖 電壓采樣 電流采樣 A D E 7 7 5 3 單片機 LCD 顯示 光隔離 485 通訊接口 RF通訊接口 E2PROM 鍵盤掃描 看門狗 RTC 脈沖輸出 電源 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 開關(guān)電源外圍元件設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵在于高頻變壓器的設(shè)計 , 高 頻變壓器設(shè)計的參數(shù)很大程度上決定了開關(guān)電源的性能參數(shù) . 因此在設(shè)計高頻變壓器時 ,需要確定以下九個參數(shù) :變壓器初級電感量 Lp、 磁心氣隙寬度 δ、 初級匝數(shù) Np、 次級匝數(shù) Ns、 反饋繞組匝數(shù) NF、 初級裸導(dǎo)線直徑 Dpm、 初級導(dǎo)線外徑 DpM、 次級裸導(dǎo)線直徑 Dsm、 和次級裸導(dǎo)線外徑 DsM。磁路有效長度L=57mm 磁芯不留間隙時的等效電感 AL=1800nH/T178。 6＝匝 ，由于初級繞組上還存在導(dǎo)線電阻，實取 4匝。如果 J＞ 10A/mm178。 實際當中結(jié)合 POWER INTEGRATION的單片開關(guān)電源設(shè)計綜合上述的計算結(jié)果來確定變壓器的參數(shù)。 15用 ψ 線繞 2層 14匝 ,24V輸出用 ψ 1層 18 匝 ,反饋繞組用 ψ 9 匝 ,初級電感量 957μ H。為了滿足電器安全規(guī)則的要求，通常要在變壓器的初次級之間留有不低于 3mm 的絕緣邊距（爬電距離），如圖 23空隙的方 法。 怎樣才能取消令人深惡痛絕的變壓器中的邊沿空隙和初次級間的絕緣？問題的關(guān)鍵就是改進漆包線的質(zhì)量，單層絕緣的漆包線的最主要的缺陷是針孔（當然也不可否認絕緣電壓可能還不夠），那么在制造漆包線時可以在漆包線上多涂幾次絕緣漆，這樣不僅提高了絕緣電壓，最主要的是徹底的消除了漆包線的漆皮上的針孔，這就是三重絕緣的漆包線。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 實際上用三重絕緣漆包線繞制變壓器時，初次級之間可以不附加任何絕緣物（如絕緣膠帶）同樣可以保證絕緣強度。 變壓器磁芯的確定 可以選擇最常見而又最便宜的 EI40，這個磁芯可能會大一些，但是作為競賽，這種選擇也是可以的。 變壓器初次級繞組導(dǎo)線的選擇與繞法 初級繞組電流有效值。按每平方毫米流過 3A 有效值電流的電流密度，除級繞組需要 2的導(dǎo)線很難繞在框架中。由于電路為推挽式變換器，僅初級兩個繞組之間的漏感 做到最小就可以了。 表 1 各種磁芯特性比較表 磁芯類型 非晶合金 薄硅鋼片 坡莫合金 鐵氧體 鐵損 低 高 中 低 磁導(dǎo)率 高 低 高 中 飽和磁密 高 高 中 低 溫度影響 中 小 小 中 加工 難 易 易 易 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 第 3 章 硬件電路設(shè)計 與原理分析 開關(guān)電源的原理與應(yīng)用 基本構(gòu)成： Ui U0 工作原理： （ 單端反激式 ） 單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖三所示。所謂的反激，是指當開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時，高頻變壓器Ｔ初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負，整流二極管 VD1 處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為 20－ 100Ｗ，可以同時輸出不同的電壓，且 有較好的電壓調(diào)整率。 DC/DC 變換器 驅(qū)動器 PWM 比較放大 R1 R2 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21 單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管 VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在 20－ 200kHz 之間。 三相濾波采用三相半波整流， 快恢復(fù)整流管選用耐壓值 600 的 MUR160（ 是超快恢復(fù)二極管，1A,600V trr:50ns） .EMI 采用直流 EMI 濾波器。 f 為電網(wǎng)頻率， 實際電容耐壓值為 400V。 因此選擇瞬態(tài)電壓抑制器 （ TVS） 來吸收尖峰電壓的瞬間能量 ， 使 （ ULOR UU ?? 1）小于功率開關(guān)管 MOSFET的 DS擊穿電壓 UDS的值 700V。 TL431的偏置電流僅為 1mA這有助于降低空載損耗 反饋回路的形式依據(jù)輸出電壓精度而決定，本方案使用的“光耦” TL431可以把輸出電壓精度控 制在 %1。光耦工作在線性狀態(tài)，起隔離作用。相反，若 CTR的下限小于 E01，占空比將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導(dǎo)致過流。 輸出整流濾波電路的確定 整流管必須選擇恢復(fù)速度高的肖特基整流管 , 具體的選擇是依據(jù)各路的輸出電壓水平和輸出電流容量 ,整 流管的額定工作電流至少為該支路最大輸出電流的三倍以上 , 管子的反向耐壓也需要在最低耐壓值的基礎(chǔ)上留夠裕量。 輸出支路（ V） 整流管 設(shè)計最低耐壓值（ V） 實際反相耐壓（ V） 最大輸出電流（ A） 主路 5 MBR745 20 45 輔兩路 5 IN5822 20 40 3 177。