備用通信電源的設(shè)計方案

    通信企業(yè)中，電源是通信系統(tǒng)的“心臟”，是全程全網(wǎng)暢通的根本保障。供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，直接影響到通信網(wǎng)絡(luò)能否穩(wěn)定的運行。應(yīng)急、備用通信電源是通信電源系統(tǒng)中不可缺少的部分。在特定的環(huán)境和特殊時期都發(fā)揮著不可替代的作用。現(xiàn)階段的應(yīng)急、備用通信電源，有的只采用了簡單的閉環(huán)控制，有的甚至還采用著開環(huán)控制系統(tǒng)，這必然會造成電源與市電的切換過程時間長、輸出電源質(zhì)量差和消耗能源多的缺點，并且難以滿足通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行的要求。而進口應(yīng)急、備用通信電源雖然能達到要求，但其價格昂貴，造成了企業(yè)開支較大。本文提出了一種新型的應(yīng)急、備用通信電源的設(shè)計方案，能夠達到可靠、穩(wěn)定、操作簡單和輸出電源質(zhì)量高的特點。并且由于本系統(tǒng)采用了模糊和神經(jīng)元等先進的智能控制算法，在實際中必定能夠減少能源的消耗。

    1硬件設(shè)計方案
 
　　對于發(fā)電機輸出電壓U=Ceφn
 
　　其中，Ce：電動勢常數(shù)；φ：勵磁磁通；n：轉(zhuǎn)速（r/min）；而φ=KfIf（不考慮飽和影響），Kf為比例常數(shù)；If為勵磁電流。
 
　　所以，在保證轉(zhuǎn)速不變的情況下調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，才能保證輸出電壓的恒壓特性。
 
　　本設(shè)計采用了雙閉環(huán)控制電路，如圖1所示。分別是轉(zhuǎn)速閉環(huán)和輸出電壓控制閉環(huán)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)使發(fā)電機始終保持在額定轉(zhuǎn)速下運行；電壓控制閉環(huán)通過調(diào)節(jié)勵磁電流來動態(tài)調(diào)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(yīng)于惡劣的工作環(huán)境，和很強的聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控功能。本系統(tǒng)選用了SIMENSS7-200CPU222。
 
　　IGBT：它既具有功率MOSFET高輸入阻抗、高速、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動功率小的優(yōu)點，又具有GTR通態(tài)電壓低，導(dǎo)通損耗小而耐壓值高的優(yōu)點。因此，IGBT在電氣傳動、電源技術(shù)等方面獲得廣泛應(yīng)用。
 
　　光電編碼器：它實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的高精度采樣。
 
　　比例電磁鐵：通過對它兩端的電壓控制達到對油機油門的線性控制。兩端的電壓大或內(nèi)通有效電流大，油門拉大，則油機用油量大，轉(zhuǎn)速快。本系統(tǒng)選用了1T型直流可控電磁鐵。

2．1轉(zhuǎn)速閉環(huán)設(shè)計
 
　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)如圖2由光電編碼器對轉(zhuǎn)速采樣，輸入到可編程邏輯控制器（PLC）的輸入側(cè)，PLC通過控制算法輸出脈寬調(diào)制（PWM）到IGBT，控制電磁鐵中流過電流大小，從而由比例電磁鐵控制油機的油門大小，達到轉(zhuǎn)速N的在線實時調(diào)節(jié)。
 
　　2．2輸出電壓控制閉環(huán)設(shè)計
 
　　輸出電壓控制閉環(huán)如圖3，通過對電阻R1上的電壓采樣，即輸出實際電壓值。這樣，采樣電壓輸入到可編程邏輯控制器（PLC）的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（AD/DA），PLC通過控制算法輸出脈寬調(diào)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的在線調(diào)整。
 
　　2．3流短路保護電路設(shè)計
 
　　通過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3s內(nèi)，一直達到2倍額定電流時切斷電路，起到保護作用。
 
　　2.4三相交流發(fā)電機的設(shè)計
 
　　同樣，對于三相交流發(fā)電機的設(shè)計方案如圖5所示，加入了電壓、電流互感器，對電壓、電流進行采樣，其控制過程與直流發(fā)電系統(tǒng)類似，本文就不再敘述。
 
　　2軟件設(shè)計
 
　　實際中被控系統(tǒng)具有非線性、時變性、時滯性、且由于噪聲、負載擾動等因數(shù)的干擾，難以建立精確的數(shù)學模型或引起對象數(shù)學模型的改變，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(shù)學模型建立，就能達到快速、高精度的控制效果。實驗中證實，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(diào)節(jié)的作用；對于高精度細調(diào)被控量，要用神經(jīng)元算法，它能夠使被控量在線實時調(diào)整到高精度。

2．1速閉環(huán)軟件設(shè)計
 
　　由于油機在運行中波動較大，特別是啟動過程，這就要求使用模糊算法。由于傳統(tǒng)的模糊算法需要建立高精度的模糊控制表，而建表要通過大量的計算與實驗才能建立。所以為避免復(fù)雜的計算與實驗，本設(shè)計提出了一種雙模糊控制算法。
 
　　2．1模糊規(guī)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驗系統(tǒng)中有著良好的控制效果。它具有非常短的過渡過程，轉(zhuǎn)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，這在實際中會節(jié)省一大部分硬件投資。這在實際中也是最需要的簡單、快速和高精度的控制算法。
 
　　2．2出電壓控制閉環(huán)設(shè)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(tǒng)選用了神經(jīng)元PID算法。
 
　　其中:Kc、Ti、Td分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間、微分時間；y(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)為調(diào)節(jié)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次采樣時刻計算機的輸出；e(k)為第k次偏差；
 
　　稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)。
 
　　采用B-P算法，使用非線性函數(shù)
 
　　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(shù)。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(jié)構(gòu)，其權(quán)系數(shù)就等于PID控制器的三個參數(shù)。控制器的任務(wù)就是就是調(diào)整控制量u(k)，使得輸出y(k)等于r。
 
　　由此，可以在線修正權(quán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)。
 
　　控制效果分析
 
　　采樣周期T=50ms，學習步長為0.001，神經(jīng)元PID在穩(wěn)定狀態(tài)運行時，讀取發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓值與額定值偏差小于±5‰，當有擾動時也能很快的恢復(fù)到給定值。
 
　　2．3保護電路
 
　　對于電流短路保護，設(shè)置采樣周期為3秒，當在采樣周期內(nèi)電流達到2倍的額定電流時，停止運行程序，并有相應(yīng)指示燈顯示為電流短路。
 
　　同時，系統(tǒng)還設(shè)有限速保護。例如，當在2秒內(nèi)轉(zhuǎn)速一直達到2倍的額定轉(zhuǎn)速時，停止運行程序，并且也設(shè)有相應(yīng)的指示燈，并另設(shè)置限速開關(guān)保護裝置。
 
　　3結(jié)束語
 
　　本文提出的應(yīng)急、備用通信電源的設(shè)計方案，既可以用于通信電源機房，也可以用于移動式應(yīng)急電源車。通過使用高精度的控制設(shè)備，與模糊、神經(jīng)元算法的應(yīng)用，做過相關(guān)的模擬實驗。使本系統(tǒng)具有操作簡單、運行可靠、輸出電源質(zhì)量高和環(huán)保節(jié)能的特點，在備用電源設(shè)計中具有一定的通用性，而且本文的設(shè)計在實際中得到了較好的應(yīng)用。
 
　　參考文獻：
 
　　[1]閻平凡，張長水.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模擬進化計算[M].北京：清華大學出版社，2000.
 
　　[2]章衛(wèi)國,楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M]西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.
 
　　[3]顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997,第2版.
 
　　[4]SIMATICS7-200編程手冊 1999年8月產(chǎn)品編程手冊