储能系统设计方案范文

导语：如何才能写好一篇储能系统设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】：森林防火；远程智能监测；技术方案

现阶段在云物大智移技术的支撑下，组建森林防火远程智能监测系统，将具有实效，是解决传统监测手段当中所遇到问题的重要方案。

1、项目概况

江苏省金坛茅山旅游度假区总面积128平方千米，是当地自然景观的核心区域，人为活动频繁，地处丘陵山区，森林植被茂盛，日照时间长，全年有150d以上为橙色防火预警等级。目前，金坛茅山森林防火压力大，火险发生概率高，防火形势严峻，常规森林防火预警监测手段已经不适应当前工作需要。金坛区林业主管部门和茅山管委会决定对景区实施重点预警监控，促进森林防火科技和管理水平，以全天候自动监管模式代替人工巡护，提高森林防火工作效率。

2、功能需求分析

针对项目的实际情况，以及森林防火的实际应用特性，所建设的远程智能监测系统应具备以下基本功能。

1.1信息采集

从以往针对森林火灾的研究经验来看，发生森林火灾时，空气湿度、烟雾浓度、光强度、大气压力、风向风速等将发生显著变化，系统设计时可考虑这些因素，将它们作为主要的判断森林火灾发展趋势的主要依据。那么系y功能中就需要至少满足能够实时采集上述因素的信息。现阶段的视频图像技术以及传感器技术能够满足要求。

1.2信息存储与传输

在满足实时信息采集的同时，还要能够满足海量信息的存储和信息的实时传输，因为要实现全天候的自动监管，分布在林区的传感设备将收集大量的实时信息数据，加之以往的监控系统的数据，这将需要PB级别的信息储存能力。同时这些信息传输对网络要求高，至少要保证监控智慧中心能够第一时间接收到来自林区传感器等设备的信息。尤其是火灾初期，要能够及时让指挥中心知晓情况，只有这样才能在第一时间组织林火分析，并出台有效的扑救方案，以便控制火灾发展趋势，减少损失。当前的网络通讯技术基本满足要求，当然需要建立前端基站，组建专用网络才能保证效果。

1.3火灾定位与功耗低

要实现快速反应，关键是要实现精确快速的火灾定位，同时要能够预测火灾发生时间。目前3S技术可以为这项功能提供技术支撑。此外，森林环境恶劣，系统供电是一个难题，分散在林区的设备，应当具备良好的续航能力，功耗要低，且要具备自供给能力。

3、系统组建

3.1顶层设计

系统基本由前端智能采集站，信息传输系统以及后台监控中心组成，具体而言有四个层次，包括数据集合层、云平台、网络层以及感知层。首先，感知层，这是由分散在林区的传感设备、仪器仪表、视频采集站等组成。其中的关键是物联网，利用传感器技术、智能嵌入技术等来构筑森防火远程智能监测系统的感知层，为系统提供实时信息数据。

其次，云平台，基于云计算构建云平台，这种方式可以有效降低成本，因为云平台可以弱化数据中心的作用，并且能够比较有效地兼容现有的监控设备。云平台的分布式异构技术体系是最为可行的方案，也符合今后相当一段时间的技术发展趋势。

第三，网络层，系统组网是最为复杂的一个层面，虽然说当前网络通讯技术已经十分先进，可以运用有线网，也可以利用无线网，但是考虑到林区复杂的环境因素，若单纯采用有线网，为保证传输效率，当前可采用光纤。但是这样一来虽然能够保证信息的实时传输，但投资太大，工作量大，工期长。如果利用无线网络传输，需要建立通讯基站或是租借通讯基站，这些都需要投入成本，而且不一定能够保证信息传输效率，所以最好的方式还是有线和无线相结合。前端可以用无线网组网，争取最大的覆盖率，信息存储与分布式前端服务器，然后利用光纤网向指挥中心传输数据。

第四，数据集合层，要从大数据的角度，集成历史数据库、实时监控数据库构成数据集合层，这是实现智能监测的关键。对于基于大数据的数字平台来说，目前有很多可行的方案。比如greenplum，它是MPP（大规模并行处理）架构的数据产品，在应对海量数据和整合业务数据方面具有很大优势，而且它是开源的。

3.2技术方案

3.2.1物联网实践

集成物联网、大数据、互联网和云计算，突出感知能力、交互体验、决策能力和体系化，能够使森林防火工作智慧化运转，关键就是组建物联网。在森林防火领域，物联网主要用于林区管理、信息监测和自动化扑救（如果不计成本建设了自动喷淋系统的话）。物联网组建上，要满足上文提出的功能需求，至少要配置连续变焦红外热成像仪、热成像超温检测系统以及可见光图像检测系统。通过建立智慧防火专网和移动互联网实现相关设备的标定、管理以及监控。

森林防火关键点还是要做好组网工作，应当考虑林区地形地貌，尽可能选择高地势区域，保证监测站的视野范围，尽可能地以最小投入达到最大化的监控范围。可结合GIS定位林区现有的中继台、t望台、发射台等，将它们叠置到林区的火险等级区域，并将其组件成备用网络。然后利用DEM进行视域、通视及缓冲区分析最后利用分析数据优化组网方案。

3.2.2、智能控制系统

在后台监控系统中搭建智能控制系统，智能控制感知设备，充分利用专门的分析算法，利用各种感知设备的优势，有效地降低误报率。前端超温探测系统产生火险报警信号，并标注火焰区域坐标，热成像仪和可见光摄像机，重新映射坐标信息，然后通过网络提交到智能控制系统，由系统的视域定位算法，将坐标映射至可见光摄像机视域上计算报警点位置，并用可控制摄像机或是热成像仪详细观察疑似火焰区域，在GIS系统标注准确位置，发出报警信号，并通知各关联用户终端。

结束语：

综上所述，建设森林防火远程智能监测系统，在云物大智移技术的支撑下，是十分可行的。本文所研究的项目虽然尚未完全建立其该系统，但是由已完成的成果来看，极大地提高了防火工作的准确率和效率。当然本文的探讨的内容可能有不足，但是具备一定的参考价值，希望可以与业内一同探讨进步。

【参考文献】：

[1]田仲富，王述洋，黄英来.基于无线传感器的嵌入式森林防火智能监测系统[J].智能系统学报，2014，06：763-768.

篇2

1.1能源选择

能源是人类社会存在和发展的基础，目前为人类所用的能源主要是煤、石油、天然气等化石能源，而这些化石能源储量是有限的，且使用会造成严重的污染。太阳能、风能、潮汐能、地热能等各种清洁可再生能源成为能源的发展方向。在本设计方案中，独立的建筑物能使用的新能源包括太阳能、风能、沼气等。太阳能和风能的稳定性较差，能量密度低，受地理位置、季节变化、昼夜交替等因素影响较大。通常太阳能和风能在时间和地域上都有一定的互补性：当阳光强时风力较小，阳光弱时由于地表温差变大而使风力加强，因此采用风光互补型发电系统是最有效的供能方式。

1.2风、光互补发电系统

1.2.1风力发电机组

风力发电机组是将风能转换成电能的机械装置。其基本原理是利用一个风力机械装置来吸收风的动能，再利用发电机将风的动能转化为电能。本设计方案中使用小型水平轴风力发电机组，将发电机产生的交流电通过AC/DC变换为恒定的直流电输送给控制器。风力发电机的工作条件比较恶劣，风速的大小和风向都不确定，极端时可能引起发电机的严重过载，所以需要对发电机进行控制，使其能够安全运行和停机。风力发电机的风速功率曲线，表示风力发电机的运行特性。当风速小于启动风速时，风轮未能获得足够的能量而不能启动；风速达到启动风速后，风轮开始转动，带动电机发电，输出电能；在额定风速以下，风机输出功率随风速的增大迅速增长；当风速达到额定风速时，风机达到额定功率；风速在额定风速和截止风速之间时，风力发电机通过机械限速机构使电机保持在额定转速下转动，输出额定功率；当风速达到截止风速时，风机采取紧急制动措施刹车，输出功率为零，以保证风力发电机不至于损坏。

1.2.2太阳能发电装置

太阳能发电系统采用光伏发电方式，利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能，使用的主要元件是太阳能电池。在有光照情况下，电池两端产生电压，即产生“光生电压”，将多个电池串联后组成太阳能电池方阵提供电能。MPPT控制：在一定温度和光照下，光伏电池的输出电压和功率曲线，具有唯一的最大功率点。温度、光照等是影响光伏电池输出功率的因素，实际应用中采用最大功率跟踪（MPPT）迅速准确地跟踪太阳能电池阵列的最大功率点，使电池始终工作在最大功率点，太阳能得到充分利用。在实际应用中采用多支路并联工作方式，若某个电池组件受到损坏，只会影响到该组光伏电池，其他组不受影响。并联各支路各自独立实现MPPT控制，最大限度地利用太阳能。

1.2.3储能设备

由于太阳能和风能不稳定，在发电系统中需要有蓄电设备以平衡能量的供给和使用。目前所用的储能设备有各种化学电池、新型燃料电池及超级电容等。燃料电池成本较高；一般铅酸电池储能量大，但功率密度较低；超级电容作为储能器件可实现能量密度和功率密度的有机结合，但就目前的发展状况，超级电容能量密度只有铅酸电池的20%。因此，本设计方案中采用超级电容与铅酸电池混合储能的方式，可综合利用铅酸电池能量密度高和超级电容功率密度高的优点。超级电容与铅酸蓄电池并联储能方式，由风光互补控制器控制其充放电方式。在蓄电池和超级电容之间配置一电感器，电感器的作用是对蓄电池的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减少内部发热和能量损耗。

1.2.光互补发电系统

综合以上发电及储电设备的分析。系统分为3个环节：能量产生环节、能量储存环节和能量使用环节。其中，能量的产生环节包括光伏发电装置和风力发电机两部分，它们分别将风能和太阳能转化为高品质的电能，然后通过风电互补专用控制器进行并网；能量的存储环节为超级电容和蓄电池混合储能装置，它们作为一个整体，替代了传统风光蓄互补发电系统中的蓄电池，储存能量大且能提供瞬时大功率，在整个发电系统中起到能量调节和平衡负载的作用；能量使用环节就是各种用电负载，将发电装置提供的直流电能通过逆变器转换为可供用户使用的220V50Hz交流电。在实际应用中，需根据各方面因素来确定风光互补系统的配置。对普通住宅用户而言，每个月的用电量一般在300kWh以下，发电系统平均每天应发出不低于10kWh的电能以满足用户的需求，通常风电与太阳能发电按3∶1计算；在一般晴朗天气下，太阳能与风能日有效时间可分别取7h与10h；用户的瞬时用电负载功率最大取2kW。若用电负荷过大（如夏季空调耗电较大）或出现特殊天气（阴雨无风），此发电系统无法满足用户的用电需求，则可从电网中获取电能，系统设计中，采用并网控制方式，当系统提供能量不足时，将负载切换至电网，由电网供能。根据以上需求和市场上现有的各种设备的规格，可选用以下配置：a.1kW风力发电机1台，输出电压48V，尽量选用低风速启动性好，性能稳定的产品，成本5000元左右。b.60Wp单晶硅太阳电池组件8块，输出电压48V，成本大约为400×8元。c.风光互补控制器1台，规格为3kW48V，成本约2000元。d.3kW风光互补系统专用逆变器一台，可满足用户的瞬时负载最大功率，其输入为DC48V，输出AC220V50Hz，成本4500元左右。e.48V400Ah超级电容、蓄电池组，考虑到蓄电池及逆变器效率，放电率按50%计算，总的放电量可达9kWh，能够满足系统的需要，蓄电池成本在4000元左右。在一般天气情况下，若风力发电机与太阳能电池板发电均按照净发电量计算，每天可发电13kWh，考虑到控制器及逆变器的效率及损耗，按80%可用能量计算每天可得10.4kWh电量，基本可以满足用户日常需求。若出现其他情况，则可将负载切换至电网供电。

2配电及保护系统

在建筑的配电方面需考虑多方面的因素，包括供电的可靠性，线路和设备的过电压、过电流保护，电子设备和系统的电磁兼容、接地保护和防雷保护等。

2.1线路结构

在本设计中，因发电系统与用电设备距离很近，可直接从发电系统获得家用电源，输电线路短，结构也简单，可大大减少变配电系统投资。电源接入负载的线路结构图。电路工作在选择性保护方式，即QA1的动作延时时间大于各支路断路器，可保证某一支路出问题时只断开该支路，不影响其他负载。

2.2系统保护

建筑物中以计算机为代表的各种电子设备目前被广泛应用，给人们生活带来了极大方便，但如果这些设备不采取必要的保护措施，极易受到雷电、电磁波、谐波的影响。为确保设备的安全可靠，需采取适当的电磁兼容措施和雷电防护措施。电磁干扰主要包括建筑物内电子设备间的干扰，电子设备与供电系统间的干扰，以及各种信号线、导体、雷击等的干扰。在系统的保护方面，可以采取两种措施：接地和屏蔽。接地：接地保护措施包括设备金属外壳接地、信号线及屏蔽电缆的接地，可采用混合接地方式，将所有的电源地与所有的信号地分别汇总，然后把总的电源地与信号地接入公共参考地。此外，在建筑物建造时可将建筑结构中的钢筋、管道等金属构建连为一体，组成具有多层屏蔽的防雷体系，在房顶用接闪器组合形成网格型的避雷带，与建筑内部的金属网连接之后接地，在建筑物内形成等电位体，可有效地防雷及减小各种外部干扰。屏蔽：建筑笼形金属网结构可以很好地隔断建筑的外部干扰，在建筑物内部也可采取多种措施来减小电磁干扰，如在墙面上粘贴金属箔，天花板内侧粘贴延伸金属，地板采取简易双重地板下的磁屏蔽贴板，窗可使用电磁屏蔽玻璃等，这样可以减小建筑内部设备间的相互干扰。

3成本预算

根据以上设计方案，发电系统各设备投资约2~3万元，加上系统走线、配电设备、断路器、开关等器件以及避雷针等，整个电气系统的投资大概在5万元以内。

4结语

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关键词：汽车，制动与起动，涡卷弹簧，锥齿轮，液压缸，节能降耗

一、研制背景及意义

随着生活水平的提高，汽车已成为许多家庭的必备品。至2013年底，全国机动车数量突破2.5亿辆，且以10年增加亿辆的速度保持增长，汽车在给人们带来方便的同时，也加剧了能源的消耗，是雾霾天气的罪魁祸首。因此，国家越来越关注汽车方面的节能减排。

降低汽车油耗，也是人们越来越关心的问题，一般小汽车的运行动力几乎完全由汽油发动机提供，在起动瞬间，油耗量竟可达到惊人的30L-40L/100km，能量浪费严重；此时汽油不充分燃烧的可能性也大大提高，排放废气更多；这种工作模式下，不仅不节能，还增加了废气排放，实在不是一种好的方案[1]。如果能在汽车结构上做一些改动，哪怕仅仅降低一点的油耗，减少看似微不足道的排放，由于汽车数量基数巨大，也将会对能源节省、空气污染的治理做出巨大贡献。

二、设计方案

频繁的制动和起动是汽车耗油的主要原因。汽车制动时，动能以热能的形式损失掉，起动时耗油量比正常行驶耗油量大，因此本文设计了一个装置，把汽车制动时的动能储存起来，用于辅助汽车起动。

整个装置由液压控制部分，机械储能部分，电路控制部分，驱动轮轮轴带动锥齿轮部分组成。其中驱动轮轮轴部分的原理就是在汽车的驱动轮轮轴上固定安装两个锥齿轮，利用锥齿轮的变向作用，把涡卷弹簧在汽车制动过程中储存回收的能量在汽车启动或加速的时候再次进行利用，从而达到实现节能减排的目的。本装置整体设计简图如图2-1所示：

图2-1 装置结构简图

1、控制部分

我们从传统的汽车制动原理中得到启发，将整个装置的控制部分进行了改进，采用液压传动原理，让装置与汽车制动踏板连接起来，实现对能量回收与利用的控制。控制系统设计了一个由三个液压缸组成的装置，其中一个液压缸体的传动装置连接在安装有涡卷弹簧的能量盒上。液压缸1中的活塞需特殊设计，活塞的两面分别通过弹簧与端盖相连接，活塞处于中位时，左右两个弹簧都处于原长状态。

2、 机械储能部分

1）驱动轮上锥齿轮：在汽车的驱动轮的轮轴上，固定两枚小端相对放置的锥齿轮，如图2-6中的锥齿轮A和B，A和B之间留出一定的间隙用于给第三枚锥齿轮C在两锥齿轮间来回移动，当汽车制动时，锥齿轮B和锥齿轮C形成制动啮合，完成储能动作，当汽车加速时，锥齿轮A和锥齿轮C形成加速啮合，完成释能动作。同时保证储能和释能过程中后轮车轴同向转动。2）集能盒：本装置设计一个弹簧储能器，由多个齿轮连动以辅助能量收集与释放。弹簧储能器安放在一个特制盒子当中，通过一个传动轴（轴的另外一端安装一个锥齿轮）与驱动轮上的锥齿轮相作用。

三、理论设计计算

1、一般汽车起动所需牵引力的计算

本文以排量2.0、质量1.5吨的汽车作为研究对象，若起动瞬间只考虑摩擦力f的阻碍的作用，那么牵引力F和摩擦力的关系为：

而摩擦力的计算公式为：

其中为附着系数，是附着力与车轮法向（与路面垂直的方向）压力的比值，它可以看成是轮胎和路面之间的静摩擦系数。这个系数越大，可利用的附着力就越大，汽车就越不容易打滑[2]。

附着系数的大小，主要取决于路面的种类和干燥状况，并且和轮胎的结构、胎面花纹以及行驶速度都有关系。一般来说，干燥、良好的沥青或混凝土路面的附着系数最大，可达0.7一0.8，路面有水时附着系数会降低，而冰雪路面的附着系数最小，最容易打滑。车轮制动力和侧向力附着系数如图3-1所示。

这里，本文以干燥、良好的沥青或混凝土路面为汽车行驶路面进行计算，附着系数取0.75，易得：

综上，汽车起动所需最小牵引力大小是11025N。

3、从节能角度

通过查找文献不同驾驶操作方法下的汽车运行燃料消耗量分析，汽车在平路起步时，驾驶员反复多次不同程度地操控加速踏板并连续换挡，使车辆从静止状态加速，由以上文献摘要可见，一般汽车在起动时都会比较耗油。如果装上汽车制动能量再利用装置，每一辆车每起步一次就可以近百毫升的汽油。这对于现如今上亿辆的车来说，将为节约能源，减少排放做出巨大贡献[3]。

四、工作原理及其性能分析

1、传统汽车起步原理

传统汽车起步工作原理：钥匙点火，电池带动起动电机，起动电机带动压缩缸运动压缩。被压缩的雾化汽油点燃爆炸，爆炸产生动力，并提供下次循环的动力，发动机自己开始进入运作。

2、节能减排原理

本装置将涡卷弹簧安装在一根轴上，轴的另外一端装有锥齿轮，另外本装置将在汽车的驱动轮的轴上装上两个相对的锥齿轮。当汽车制动的时候，装有涡卷弹簧的轴上的锥齿轮与驱动轮轴上的一颗锥齿轮啮合，将汽车制动的能量存储到涡卷弹簧中。当汽车起动的时候由于涡卷弹簧释放能量将让轴向相反方向转动，所以我们让涡卷弹簧轴上的锥齿轮与驱动轮轴上的另外一个锥齿轮啮合，释放涡卷弹簧的能量从而驱动汽车起动。由于汽车起动瞬间需要较大动力，并且汽油燃烧不充分，所以该装置不仅降低了油耗，还减少了尾气排放。

3、结构原理

液压控制部分为装置动作提供动力，机械储能部分实现装置能量的储存和释放，电路控制部分实现动作的选择操作，驱动轮轮轴带动锥齿轮部分实现能量盒与车轴的可靠啮合，最终实现制动时节能而加速时释能的过程。能量盒的输出轴固定连接一锥齿轮，后轮车轴固定一对面对面放置的锥齿轮，能量盒位于双轨滑行轨道内，相对轨道中位的位置放置输出端连接有固定卡盘的液压缸，防止能量的自由释放，所有的动力来源于液压传动，控制回路控制电磁换向阀选择动作，最终完成整个装置的设计。

五、结论

本文介绍了基于涡卷弹簧的汽车制动能量再利用装置的设计思路及工作原理，以及如何实现节能减排的效果。具体有以下几点结论：1、整个装置由液压控制部分，机械储能部分，电路控制部分，驱动轮轮轴带动锥齿轮部分组成。2、整个装置利用涡卷弹簧进行储能和释能，利用锥齿轮的密切配合实现汽车制动和加速时能量的转化，利用液压控制部分为装置动作提供动力，利用电路控制部分实现动作的选择操作。3、整个装置带有速度选择控制回路，保证装置动作安全可靠。4、整个装置把涡卷弹簧在汽车制动过程中储存回收的能量在汽车启动或加速的时候再次进行利用，不仅减少了起动瞬间发动机的出力，还减少了因为汽油不充分燃烧引起的废气排放，既节能又减排。

参考文献

[1] 宋飞.降低汽油机油耗[M].现代企业文化，2009：362.

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【关键词】光伏电池;最大功率跟踪;H桥式电路;MSP430;PWM波

引言

光伏发电是可再生能源利用的重要技术方式，是近几年发展最快的产业之一。但是光伏发电存在两个主要问题：第一，光伏电池的输出特性受外界环境影响大，当温度和光照，辐射强度变化时，其输出特性会发生较大的变化;第二，光伏电池的转换效率低而且价格昂贵，初期投入较大.因此，为提高太阳能的利用率，通常在光伏电池和负载之间串联最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT）电路，简化了相关的硬件设计，且避免了功率等变量繁琐的控制算法，从而实现最大功率输出。

1.设计方案及基本原理

光伏电池输出特性具有非线性特征，其输出电压和功率受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以有不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率曲线的最高点，称之为最大功率点。光伏电池内阻受光照等影响而改变，从而流出光伏电池的电流是个变量。系统在光伏电池输出端设计了采样电阻，由A/D芯片采样其上的电流，再通过最大功率跟踪控制器找出太阳能电池最大功率点。

1.1 系统设计方案

系统由四个模块组成，如图1 系统设计方案所示。

（1）主电路

主电路实现了一个可控的电流恒定。由四IRF540 MOSFET管、两个电解电容四个二极管等组成的H桥电路。

（2）电流、电压采样电路

为了实现电流的恒流，对电流进行采样，在每一次给定的电流恒定时，采集负载两端的电压值。

（3）控制芯片

控制电流恒流并计算电流恒流下的功率P，得出光伏电池最大的输出功率P。并将该功率输送到电网上。

（4）驱动电路

驱动电路对控制芯片给出的信号进行功率放大，用来驱动主电路。

1.2 基本原理

主电路由四IRF540 MOSFET管、两个电解电容四个二极管等组成的H桥电路，其目的是为了实现一个可控的电流恒流.

IRF540 MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此选用了IRF540作为构成H桥电路的桥臂。H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。在本装置中，需要功率双向流动，也就是在Q1、Q4导通且Q2、Q3关断到Q1、Q4关断且Q2、Q3导通这两种状态间转换。因此要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，因此，运用单片机产生两组具有死区时间的互补PWM波来改变占空比，从而控制四个MOS管的通断（见图1）。

主电路输入侧并联一个大电容使得输入侧电压脉动很小，大电容具有储能作用，既保护输入端电路又可以使电压很稳定。两个332小电容可以消除输出波形的毛刺，使得输出波形稳定.然后经过LC滤波进一步使得波形更加的稳定.

2.系统软件设计

为了实现最大功率点跟踪（MPPT），采用了电流扰动法观察法（Perturb and Observe）主要分以下三步。

1）改变光伏电池的输出电流，间接改变光伏电池输出的。由MSP430输出一个占空比可调的两路互补的PWM波（带有死区时间1us），通过调节占空比控制信号，控制H桥式电路四个MOS管的通断时间，来改变光伏电池的输出电流。

2）PI调节实现电流恒定。根据设定的电流参考值Iref，和反馈的电流值I，得到误差通过?I，PI调节占空比，实现主电路中电流I的恒定（即实现了恒流环）。

3）MPPT算法实现光伏电池保持最大功率MPP的输出，通过MSP430调节PWM波实现恒流，在恒流条件下对电压采样，就能够得到对应电流下的功率P，即实现了对功率P的控制。本系统通过一定的MPPT算法（采用的是电流扰动观察法），即：通过PI控制器，控制主电路中的电流值Iref，从0给定开始，逐步增加电流给定值（步进大小为0.01A），在每一次

给定的电流恒定时，采集负载两端的电压值，计算出此时的功率P（n），与上次功率P（n-1），进行比较，若增大了，继续增大电流的给定，若减小了，则上次给定的电流的位置，即为最大功率点（MPP： Maximum Power Point）。

如果环境改变引起系统有扰动，重复上一次的工作，将主电路中的电流值Iref，从0给定开始，逐步增加电流，在每一次给定的电流恒定时，再次计算出最大功率点，实现最大功率点的跟踪。

该控制思想简单，控制易实现得到广泛的应用。

3.评测和结论

测试原理是将蓄电池等效为一个电压源和一个可变电阻，直流电网等效为一个电压源和一个固定电阻，根据理论分析可知如果蓄电池的输出电压是电压源额电动势等于的二分之一，此时，蓄电池输出功率最大。实验结果如表1所示。

表1 实验结果

电动势E（V） 电池输出电压（V） 电池输出电流（A） 内阻R（Ω） 负载电压（V） 负载电流（A）

10 5.14 1.31 3.92 6.6 0.45

11 5.34 1.53 3.49 7.13 0.486

12 6.37 1.51 4.21 7.99 0.548

13 6.75 1.69 3.99 8.652 0.589

14 6.92 1.90 3.64 9.14 0.622

由表1可知：

所以该系统达到设计要求。能够实现最大功率的跟踪。

参考文献

[1]车孝轩著.太阳能光伏系统概论[M].武汉人学出版社，2006.

[2]Jain S，Agarwal V.A new algorithm for rapid tracking of appropmate maximum power point in photovoltaic systems[J].IEEE Power Electronics Letters，2004，2（1）：16-19.

[3]赵庚申，王庆章，许盛之.最大功率点跟踪原理及实现方法的研 究[J].太阳能学报，第27卷第10期2006年10月.

[4]禹华军，潘俊民.光伏电池输出特性与最大功率跟踪的仿真分析[J].计算机仿真，第22卷第6期2005年6月.

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开展城市10kV配电工程设计，我们主要遵循安全可靠、自主创新、技术先进；标准统一、覆盖面广、提高效率；注重环保、节约资源、降低造价的原则。努力做到统一性与可靠性、适应性、先进性、经济性和灵活性的协调统一。设计的技术依据《35～110kV变电所设计规范》（GB50059-1992）、《供配电系统设计规范》（GB50052-1995）、《66kV及以下架空电力线路设计规范》（GB50061-1997）、《城市电力电缆线路设计技术规定》（DL/T5221-2005）、《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）等国家和电力行业有关66kV及以下输配电工程设计的标准、规程、规范及国家有关安全、环保等强制性标准。

2城市10kV配电工程设计

2.1 10kV开关站设计

10kV开关站的设计应满足防火、通风、防洪、防潮、防尘、防毒、防小动物和低噪声等各项要求。10kV地下开关站可参照DL/T5216-2005《35kV～220kV城市地下变电站设计规定》的有关要求设计。附设有配电变压器时，有关技术原则参照10kV配电站。开关站的设计分两大类系列：开关站站址选择应靠近负荷中心且电源进出线方便处，便于电网联络和配出负荷，满足设备运输方便和进出线方便的要求，还应满足防火、通风、防潮、防毒、防小动物等各项要求。根据供电区域的建筑条件，开关站应按独立建筑设计考虑，如受条件所限，可设置在地下一层，但不得设置在最底层。站内各种与本站无关的管道和线路不得从开关站内穿过，必须预留永久设备运输及检修通道。

2.2 开关设备选择：按开关设备分“负荷开关”和“断路器”两种方案

2.2.1“负荷开关”方案，适用于国家级开发区以外的的地区。配出线开关采用在大连地区有较好运行经验的六氟化硫负荷开关柜，考虑保护和配电自动化发展的需要，负荷开关配三相CT和电动机构，采用交流220伏操作电源。进线开关采用与出线负荷开关同型号配套的断路器柜。母线分段开关：两台分段柜均选用负荷开关。正常运行时，分段开关回路中一台负荷开关在关合位置，另一台处于分闸、热备用状态。开关站的出线回路应安装面板型电缆故障指示器。负荷开关操作机构应采用电动储能弹簧机构，开关合闸过程中自动给分闸弹簧储能，可实现自动控制要求。

2.2.2“断路器”方案，适用于国家级开发区。进线和配出线开关全部采用断路器，开关柜配三相CT和电动机构，采用交流220伏操作电源。配出线设零秒速断和过流保护。保护装置应力求简单，减少维护量和对运行环境的要求。电气设备外露可导电部分必须与接地装置有可靠的电气连接。成列的开关装置两端均应与接地装置相连。接地装置的设置及接地电阻值要满足有关专业规程的规定。

2.3 10kV配电站设计

2.3.1配电站高压母线一般采用单母线接线；配电站低压母线一般采用单母线分段接线，两台变压器分列运行。在符合并列运行条件时，可短时采用并列方式切换负荷，避免停电。

2.3.2变压器的容量和台数：变压器的容量及台数应根据供电区域的负荷确定。油浸变压器单台容量不宜超过630千伏安，树脂浇注绝缘干式变压器单台容量不宜超过800千伏安。每座配电站的变压器台数以两台为宜，特殊情况不得超过三台。

2.3.3变压器低压侧应设置主二次开关。主二次及母线联络开关采用智能型万能式低压断路器（即框架空气开关）。配出线开关采用塑壳式断路器（即塑壳开关）。

2.4 10kV柱上式变压器典型设计

10kV配电变压器台主要包括10kV柱上变压器、10kV屋顶变压器和10kV落地变压器。10kV配电变压器台采用低损耗变压器，根据有关规程、规定和本地区的运行经验选择无功补偿的配置。对于10kV柱上变压器台，变压器容量按400kVA及以下考虑，分三相变压器和小型单相变压器。低压配电箱应采用侧挂式或悬挂式安装，变压器台架及二次接线宜按最终容量一次建成。典型设计应包括10kV、380/220V侧配电设备及引线设计，连接部位绝缘密封设计和工作接地的设计。对于10kV落地变压器台，应装设安全围栏。

2.5 10kV电力电缆敷设典型设计

电缆敷设方式：电缆敷设方式应根据不同电压等级的电缆线路回路数、电缆截面、芯数和型式进行选择，主要敷设方式有：直埋敷设、排管敷设、电缆隧道敷设、电缆桥架敷设等。

考虑电缆接地方式、电缆支架和夹具以及电缆敷设中构筑物（如工作井）的典型设计；统一警示带、保护板、井盖、标志桩等的样式。

3城市10千伏配电工程设计的应用

整个典型推进了标准化设计，建立了滚动修订机制，并且能在今后不断更新、补充和完善。编制成功后更是得到了广泛地应用。

3.1开关站设计的应用

10kV区域开关站电网内开关站，在电网中通常是2路10kV电源引入开关站，开关站分配出12—16路10kV电源，增加10kV电源供电点，在电网中起到至关重要的作用。

3.2配电站设计的应用

10kV侧开关柜采用二进二出或者二进三出，单母线接线，干式带外罩；0.4kV侧采用单母线或单母线分段接线，低压开关柜采用抽屉柜GCS型。不设专门的二次设备间，二次设备与10kV开关柜同室布置；低压开关柜与配电变压器采用单列同室布置。

3.3柱上式变压器设计的应用

10kV柱上开关台运用典型设计，由于实际情况的多样性，设计工作效率也可以有效提高。10kV配电系统运行中的柱上开关台，形式多样，均为坐装式。

3.4 10kV电力电缆敷设的设计应用

10kV电缆敷设典型设计，由于各种敷设方式有不同的适用范围，并各有不同环境下的优缺点，该典型设计充分考虑了电缆线路工程的多样性，实际工程中，在电缆典型设计中考虑各方案调整后，相互组合，能适应各种复杂的电缆工程，使之电缆敷设典型设计能提高工作效率。直埋敷设（加电缆保护槽）适用于市区人行道、公园绿地等不易经常开挖的地段及公共建筑间的边缘地带和电缆根数较少的地段（不多于6根）。宜采用单槽单电缆的敷设方式；排管敷设适用于变电站和开关站的进出线端、不能直接埋入地下及有机动车负载的通道，通道内电缆根数不宜大于12根。如市区道路及穿越小型建筑等地段；沟道敷设（包括隧道和半通行沟）适用于变电站、开关站进出线端和同路径敷设电缆根数较多（一般在12根以上）的地段。

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关键词：太阳能、光伏发电、单片机

一、引言

灭蝇灯利用昆虫昼伏夜出、趋光性的特点，以光照吸引夜间活动的蚊蝇，并对其实施灭杀，在农田、公园、绿化带等区域应用的比较广泛。昆虫的主要活动、繁殖时期是从每年的春末至秋初，这段时期也是我国大部分地区日照最为充分的时期。以四川地区为例，全年日照时间1300小时左右，春早冬迟，夏季气温高、日照时间长，太阳能较为丰富。本文提出一种太阳能灭蚊灯的设计方案，在白天利用太阳能发电对蓄电池进行充电，夜间由蓄电池放电点亮灭蚊灯，起到了节能、环保的作用。

二、系统结构

在本设计中，由单片机作为控制器，当检测到的日照强度满足发电条件时，进入发电模式；当夜幕降临光照不足时进入夜间工作模式由蓄电池向灭蚊灯供电。为了避免因阴雨天气导致白天光照不足而进入夜间模式控制要进行定时，在白天期间禁止进入夜间模式，同时还对蓄电池的充电过程中进行充电保护，下图为本设计的结构原理图。

三、系统设计

1.灭蝇灯的选用

本系统采用蓄电池供电，因此选用的灭蝇灯须为直流电源型。目前市场的同类产品非常多，工作原理大同小异。以自动型农用光谱频振式杀虫灯为例，其工作电压直流12V，功率不大于20瓦，寿命在一万小时左右。该灯利用紫外光引诱害虫至光源处，光源外配置高压电网，电击害虫后掉落掉下方的容器中，对大部分常见的害虫有良好的扑杀作用，且对环境不造成任何影响。

2.电源系统

电源系统由光伏发电模块、太阳能控制器模块和蓄电池三部分组成。在本系统选用12v铅酸电池作为储能系统，根据系统的工作时间选择相应的光伏发电面板。夏季蚊虫的活动习性与天气有关，天气炎热时昆虫活动频繁，阴雨天气时昆虫活动较少，且夜晚昆虫的主要活动时间从夜间8点至凌晨5点，共10个小时，为了保证在连续阴雨情况下电池的电量可以至少工作3个夜晚，蓄电池的容量要足够大，在本系统中选用12V、36AH容量的铅酸蓄电池。

3.太阳能控制器

太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，在太阳能发电系统中，由它将面板输出的电力转换后对蓄电池进行充电，不能将光伏面板的输出直接接到直流用电设备上，选型时注意根据蓄电池的充电电压来选择，本设计中选择12伏、10安类型的控制器，其充电电流为10安，充电时分为快充和浮充，当电池内电量较低时处在快冲模式，电池充满后因电池自放电或其他损耗电量略微减少时，处于浮充模式补充电能，该类型产品适用于小型光伏发电系统，在连接过程中注意连接顺序，先接蓄电池再接光伏面板输出端，否则可能烧毁控制器；该产品具有防反接、防过充、防短路的有点，特别适合家用太阳能发电系统。

3.光伏面板

目前市场上的光伏发电产品种类繁多，输出功率从几十瓦到数百瓦，输出电压按电压等级从十几伏到几十伏不等。光伏面板的选型需根据当地日照情况、电池的容量和太阳能控制器来确定。本设计中选用100瓦的单晶太阳能板，输出电压18v、最佳工作电压6安，输出电压满足太阳能控制器的要求，夏季在光照正常的情况下可在6-8小时内将蓄电池充满。光伏面板输出的功率与日照强度、日照时间、气温、安装角度等有关，安装时需将面板调整至最佳角度。

4.控制系统

控制器在本设计中的主要作用是定时和检测光照强度，控制器采用单片机，光照强度检测有集成的模块可供使用，当前系统处在充电还是放电的状态由时间和光照强度共同决定，增加定时的作用是为了避免极端天气下尽管处在白天却因光照不足错误的进入放电状态，定时可有单片机内部的定时器实现。

5.其他硬件

系统中要有必要的安全保护，例如防雷、防雨及接地等，夏季自然灾害较多、工作的条件比较恶劣，系统在安装时注意安装强度，避免因狂风、暴雨、雷电、冰雹等强对流天气照成经济损失和人员伤害。

四、结束语

近年来人们的环保意识逐步建立，传统的化学药剂容易对作物造成污染。采用太阳能灭蚊器能减少病虫灾害，也避免了在农田中安装供电系统带来巨大的经济投入和管理成本，部分农业地区电力系统比较落后，采用太阳能发电可以有效的解决此问题，扑杀的蚊蝇可以作为非常好的蛋白质供鱼塘、饲养使用，有助于绿色农业的发展，。本方案也可用于小区绿化带、公园等地方使用，有很好的应用价值。

参考文献

[1]金步平 陈哲艮.《家用太阳能光电照明系统》 照明工程学报.2001

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关键词：温差电池；塞贝克效应；新型节能燃气灶

1研制背景及意义

目前我国燃气能源供应日趋紧张，仅就民用及商用燃气需求而言，全国数以万计的家庭、酒店、宾馆和食堂等每日即需消耗数以万立方计的燃气。但传统的燃气设备普遍存在燃气消耗量大，燃烧效率低，环境污染严重，热能有效利用率低下等缺陷。目前，我国环境污染问题十分严重，温室效应十分显著。如果家用、商用的节能灶大力推广，可以给国家省下大量的能源，使废气排放量大大降低。

目前市场使用的普通节能炉灶，主要通过将传统燃气灶多柱火源燃烧改造成单柱悬浮燃烧的方式，使火力均匀分布在锅底，高温全部集中于锅底，其热量大部分被锅底吸收，从而减少了热量损失。但是，即使这样也会有45%左右的热量白白损失。而基于温差电池的新型节能炉灶，是在普通节能炉灶的基础上，把损失的热量利用起来，通过风扇鼓风，进一步提高了燃烧效率，这项技术与其他的不同在于实现了能量使用率的最大化。

前苏联在1942年研制出世界上首台温差发电机，当时的发电效率约为1.5%―2%。此后，随着各国工业的发展，各领域对电力资源的需求呈几何增长。因此，温差发电技术得到巨大发展。从1960年开始，航空航天、军事以及远洋探索领域已经运用温差发电技术。随着科学技术的进步，其应用领域逐渐拓宽，除了军事和高科技领域外，民用、轻工业等领域也有了较好的发展。

进入21世纪以来，人类面临能源枯竭和环境污染的危险，因此，各国对清洁能源和再生能源发电方面研究投入巨大财力和物力，许多成果已经开始商用化。温差电池的技术性能稳定，有体积小、重量轻、无振动、无噪音等优点。可以方便地安装在燃气炉灶上，使燃气炉灶的节能率、节时率和热效率都有显著提高。面对目前能源供应紧张的大趋势，如果这种基于温差电池的新型燃气炉灶可以大力推广，那么对于国家的经济、环境等多方面都有巨大的意义。

2 设计方案

2.1基于夭畹绯兀ㄈ贝克效应）的新型节能燃气灶结构设计

一种基于温差电池（赛贝克效应）的家用节能炉灶包括温差电池、整流器、蓄电池、无叶鼓风风扇、普通节能燃气灶。

2.1.1温差电池原理

塞贝克效应，英文名称为Seebeck effect，它是指由于温度差异而产生的热电现象。电流的出现方法可以简要概括为：温度不同的两个金属点相连，组成回路，利用这种方式产生的电流叫做热电流。金属的电子逸出功和有效电子密度决定了接触电势差，而接触电势差的产生源于两种不同的金属的互相接触，这就是塞贝克效应的实质。不同种类的金属导体接触时，由于其自由电子密度有差异，电子扩散就会发生在两种金属的接触面上。电子密度和电子的扩散速率有关并和接触区域的温度成正比。因此，温差电池就是利用温度差异使热能直接转化为电能的装置。

2.1.2整流器

整流器是一种将交流电转化为直流电的装置。它除了能给负载供电的功能外，还可以为蓄电池充电。

2.1.3蓄电池

蓄电池是一种把化学能转化为电能的装置。首先把电能储存为化学能，电池没有电后使其内部活性物质再生，需要时再放电。

2.1.4无叶风扇

无叶电风扇，没有传统风扇的扇叶。其原理是从底部的吸风孔先吸入空气，圆环内部的叶轮把空气以圆形轨迹喷出，使其喷出空气的轨迹大致为圆形，利用这种方式产生的空气流比普通风扇更平稳。不会感到冲击和刺激。无叶电风扇同时带有变频风速大小调节装置，能耗低，约为普通风扇的50%。通过蓄电池给电，能够产生稳定的空气流为燃气灶鼓进充足空气让天然气充分燃烧，提高燃烧效率。

2.2 温差电池储能

所研制的温差电池储能系统主要有三部分构成，分别为温差电池、整流器、蓄电池。在制造便携电源中，由于半导体在使用寿命以及保护环境等方面拥有巨大优势，其成为现今温差电池储能中的最佳材料。只要保持组件两面的温度差异为600℃，就可发出3.5V的电压，0.6A的电流。在小于180℃的热面上，发电组件可以稳定的贴在表面上，需要注意的是，应该均匀地给发电组件受热。此外，为了保证把传过来的热量随时带走，必须在冷面中安装散热片，并采取一些其他的冷却措施以提高效果，保持组件两面间的温差。整流器将输出值控制在一定范围之内，由此可以安全便捷地将温差发电机发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池选择规格为6V /5A的锂电池，可以很好地给无叶鼓风风扇提供电力。

2.2.1 温差节能燃气灶实验模型制作详解

（1）温差电池储能系统所使用的温差电池（图2）

2.2.2 温差储能实验平台使用方案

温差电池储能系统主要由三部分构成，分别是发电、整流、储能，当燃气灶开始工作时，大量的余热不能充分利用，通过导气管导出的热气作为温差电池的热源，利用这些废热进行发电，通过整流器整流之后先存储在蓄电池中，同时由蓄电池为无叶风扇提供电能，源源不断地鼓进空气使天然气更加充分地燃烧。

2.2.3 温差储能实验平台分析

图6为元件的原理图。N型和P型半导体交替排列，每一对半导体的一端放置金属导体片，另一端连接负载电阻R。当电流在负载电阻上通过时，必须使回路中产生温差电动势，即一侧的温度加热至T1，而另一侧加热至T2时。根据塞贝克定律中α为电动势率之和，r为两臂的内阻之和。r=（ρ1/s1+ρ2/s2）中，ρ表示两臂的电阻率、s表示横截面积，温差发电效率的定义是外电路中得到的有用电能与热源所消耗的能量之比。热源消耗的能量包括以下几项：1. 热端吸收的珀尔帖热Q1Q1=α2T1（T1-T0）/（R+r） ；2.热端传导到冷端的热量QmQm=K（T1-T0） 3. 温差电池内，焦耳热从电流I中流过，其中1/5的热量转移到热端中，从而把功率还给热源。温差材料的品质因数为，当R=r时，在最大输出功率的条件下，温差电池的效率。

温差发电机中的品质因数Z由于热端和冷端温度和温差发电材料产生，Z值还对温度有强烈的依赖性，所以不同的工作温度需要不同的材料来匹配。我们使用温差发电材料为PbTe合金，用康铜片连接，其热端温度可达600℃。

3 技术经济分析

从表1可以看出，温差节能燃气灶可以大幅度提高燃烧率。可以大大节省时间和金钱，同时对环境的影响和其他两种燃气灶相比，具有非常大的优势。

在我国，每天数以万计的家庭、酒店、宾馆、食堂需消耗数以万立方计的燃气，而采用此新型节能燃气灶，将大大节省燃气量。目前，中国已成为世界第四大天然庀费国。2015年我国天然气进口量达900亿立方米。据专家预测，我国天然气消耗量将在未来十年内达到约3310亿立方米，成为全球第二大天然气消费国，占世界总消耗量的7%。面对这种局面，温差节能燃气灶的推广使用，将会给国家节省上百亿的资金，对于我国来说，意义十分巨大。

4 创新点及应用

基于温差电池新型节能燃气灶，将浪费的热量转化为电能储存起来，供给风扇从而实现给燃气灶鼓风来提高燃烧效率的目的。与普通的节能燃气灶相比，它很好的吸收了锅底吸收不到的那部分热量，将其有效地利用，通过温差储能系统，鼓风，提高烧效率。大大节省了家庭、酒店、食堂等的用气量。由于有安全、无噪音、稳定等这些优点，无论是家庭还是酒店，食堂都可以放心使用。全国数以万计的家庭、酒店、宾馆和食堂等每天即需消耗数以万立方计的燃气，而采用此新型节能燃气灶，将大大节省燃气量。从全国范围来看，可以非常有效地缓解我国用气紧张的问题。而且可以减少温室气体的排放量。

综上所述，此新型节能燃气灶的节能方式区别于传统技术，无论对普通家庭还是酒店，食堂等都可以节省很大一笔开销。对于国家来说，更是具有非常重要的现实意义。

参考文献：

[1] 钟伟. 新型鼓风完全预混式家用燃气灶热工性能研究[D]. 重庆大学 2013

[3] 王书鹏，李建新. 温差发电技术在低品位热能中的应用研究[J]. 宁波节能. 2009（04）

[4] 孟德奇. 预混燃烧 灶具燃烧技术升级方向[J]. 现代家电. 2010（08）

[5] 白忠恺. 中高温余热回收半导体温差发电热系统设计研究[D]. 南京航空航天大学 2009

[6] 种道坤. 温差发电技术用于工业废热利用的可行性分析[J]. 硅谷. 2013（01）

[7] 柳长昕. 半导体温差发电系统实验研究及其应用[D]. 大连理工大学 2013

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关键词：驱动控制；单片机；CPLD；压电陶瓷

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.055

1 引言

压电陶瓷式喷墨头具有可控制，精度高等优点，对于数字喷墨印刷系统喷印质量的提升以及打印速度的加快具有重要意义。压电式喷墨头喷出的墨滴大小以及喷射速度和均匀性都会对喷印质量产生影响，压电陶瓷形变的大小和频率是决定输出墨滴性能的主要影响因素，而驱动电源输出激励脉冲电压的大小决定了压电陶瓷片的形变量；激励脉冲的频率影响着陶瓷片的形变速度，因此驱动电源的性能决定了喷墨的质量。本文设计的是基于单片机和CPLD的压电喷墨头驱动电源系统，其中单片机和CPLD是核心处理芯片，基于DDS原理产生的数字可控低压脉冲激励波形，经集成放大模块放大后以驱动。

2 驱动电源的硬件设计

该系统以宏晶科技生产的STC89C52RC单片机，Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N CPLD芯片和基于DDS原理的波形生成电路为核心。图1是驱动电源控制系统结构框图。

在系统中，单片机作为主要控制器，基于DDS波形生成技术，由单片机和CPLD共同生成控制波形。单片机与计算机系统连接以实现数据通讯，CPLD和DAC在单片机控制下生成低压的激励脉冲，经过二阶有源低通滤波器滤波后，由PA84放大器将其脉冲放大，按照时序控制要求将高压脉冲传送到喷头接口芯片控制喷头工作。

2.1 STC89C52RC单片机和EPM240T100C5N CPLD

选用STC89C52RC单片机作为系统核心控制元件，其处理和存储能力强，运行速度快，可为控制系统提供良好的硬件平台。STC89C52RC单片机是基于8051的内核发展起来的，主要特性是加密性强不可解密；超强的抗干扰技术；功耗低；具有ISC在线编辑功能。

EPM240T100C5N CPLD芯片具有192个逻辑宏单元，可以满足我们的开发要求；每一个芯片都内置8Kb的Flash存储器，其中配置数据在存储器内部，可进行在线编辑，使得当整个硬件系统设计完成后，计算机还可以通过ISP接口对CPLD进行重新配置。

2.2 基于DDS原理的波形生成电路

DDS指的是直接数字频率合成技术。DDS具有超高频率的分辨率；可以根据不同的波形数据形成任意波形。基于DDS原理，使用CPLD进行电路设计的波形生成电路是驱动电源的核心。图2所示DDS的波形发生电路。由单片机向波形生成电路提供频率控制字K，通过在一定的范围内改变K的大小，进而改变脉冲频率的大小。CPLD模块生成地址累加器，通过频率控制字K的变化来改变地址。程序存储器ROM是用来储存波形数据的波形存储器，ROM中存储着波形的查找表，查找表中的对应地址随着K值的变化而变化，查找表将地址信息所对应的波形幅度信息传送到数模转换芯片，DAC就可以将CPLD所生成的波形数据转化成模拟波形，之后再经过滤波生成低压的激励脉冲。

3 系统硬件设计与实现

为了获取满足喷墨头工作要求的激励脉冲，需要设计完整的驱动电源硬件。驱动电源硬件系统包括单片机控制单元；波形生成单元；振幅控制单元；液晶显示单元；滤波单元；高压放大单元；串口转换单元；喷墨头的接口单元。前七个单元组合是为了实现振幅频率数字可控的高压激励脉冲的输出；最后一个单元可以完成数据信号与高压脉冲激励的匹配，处理有关于激励脉冲的电信号；喷墨头喷嘴的时序控制。单片机与计算机系统连接以实现数据通讯，主控电路由单片机控制CPLD和DAC生成低压的激励脉冲，低压脉冲经过二阶有源低通滤波器进行滤波后，由PA84放大器将其高压线性放大成高压脉冲，并送至喷头驱动芯片，由驱动芯片控制喷墨头的工作。

4 系统软件设计与仿真

驱动电源的软件设计包括在KeliuVison4中使用C语言对单片机的控制；在QuartusII环境中使用硬件描述语言VHDL对CPLD进行控制，以及使用Matlab软件对CPLD进行数字波形的仿真。

4.1 单片机C语言主程序

单片机程序包含在头文件#include中，其中包括了单片机的寄存器定义，引脚定义等功能。初始化程序void init（）包括变量和常量的幅值和初值定义；定时中断的初始化；串口初始化和液晶初始化。液晶显示函数void display（）是为了在LCD1602显示振幅和频率。主程序void main（）是函数的主体。定时中断函数是为了精准的定位。

4.2 基于VHDL语言的程序流程

图3为VHDL生成梯形波的程序图。在使能端有效时，程序执行。当需要的信号都有效时，累加器工作，累加器判断是否达到规定值M，如果达到，计数值清零，如果没有，则计数值加上步长K。之后ROM表根据累加器的值对应给出波形数据，并将其传送到寄存器中，在下一个数据到来时将数据输出到DAC。

4.3 使用Matlab软件对CPLD进行数字波形的仿真。

由于QuartusII进行功能仿真后形成的波形不易看出波形的形状，所以使用Matlab语言将仿真结果转换成Matlab中的波形曲线。利用QuartusII的表格文件（.tbl文件）仿真，即在功能仿真结束时，将波形文件另存为.tbl文件，然后再使用Matlab编写程序进行调用。

5 结束语

本文介绍了基于DDS原理，在单片机和CPLD的基础上的压电陶瓷喷墨头电压驱动电源系统，该设计方案开发周期短，硬件连接简单，可控行比较好，能够基本实现压电陶瓷喷墨头电源驱动。

参考文献：

[1]KIMD W，BOURIM E M.JEONG S H，et al.Piezoelectric electron emissions and domain inversion of LiNbNO single crystals [J]，physical B：2004，352（1-4）：200-205.

[2]Herman wijsboff.The dynamics of the piezo inkjet printhead operation [J].Physics Report，2010（491）：77-177.

[3]高宝彤.大幅面打印机接口与喷头驱动单元设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[4]杜晓兰，吴宝明，王强.PA系列高压功率放大器在医学仪器设计和应用中须注意的几个问题[J].医疗卫生装备，2004（06）：83-84.

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关键词：道岔、道岔融雪设备、地铁

中图分类号：U213.6 文献标识码：A 文章编号：

0、引言

地铁道岔是地铁线路的重要组成部分，是影响行车安全的关键部件。我国北方冬季降雪天气极易造成地铁道岔区域安全隐患，如积雪或冰冻可造成基本轨与尖轨不能密贴、尖轨冻结、基本轨与尖轨啮合冻结，导致道岔无法正常动作，危及行车安全。

传统的地铁道岔区清雪工作主要以人工铲除和清扫为主，但该做法费工耗时、效率低、不安全，同时影响车速及行车间隔。因此，如何高效、安全的解决岔区积雪结冰问题尤为重要。运营单位对道岔除雪措施以及人性化操作提出强烈需求。

15号线作为北京地铁首例引入道岔融雪设备的工程项目，为地铁线路的岔区融雪除冰提供了新颖的解决方案，也为后续其他地铁项目相关设计奠定了基础。

1、道岔融雪系统设计原则

为确保列车安全、平稳、舒适和准点运行，根据北京市市政府要求，经过现场调研和多次论证，确定率先选择在15号线以下露天道岔区段加装融雪装置：

1）正线高架及地面线折返线、常用道岔区段；

2）车辆段及停车场咽喉道岔、进出段常用道岔。

根据以上设计原则，在北京地铁15号线一期工程的高架车站后沙峪站北侧、马泉营车辆段、俸伯停车场三处共23组道岔处安装道岔融雪系统。

2、道岔融雪系统设计

（1）系统组成

15号线道岔融雪设备主要由远程监控计算机终端、电气控制柜、隔离变压器、接线盒、轨温传感器、雪传感器和道岔加热元件及其配套的电缆和信息通道等构成。

（2）系统功能

道岔电加热融雪系统具备自动控制功能、手动控制功能、监测功能，可以适合不同环境和不同的使用需求。所有室外控制柜和对应的车站控制室组成监控网络。

自动控制功能

系统自动检测环境条件，下雪时融雪设备系统能自动启动加热功能。当雪停、道岔处积雪融化后能自动停止加热。

当系统处于自动模式工作状态时，系统通过雪传感器及铁轨温度传感器采集到降雪信息和铁轨温度信息后，将信息传送到电气控制柜，控制柜把采集到的信息与系统预先设定“门限”值进行比较，当低于系统所设定的“门限”值时，系统自动启动预设的加热方案，对需要加热的道岔进行加热，当加热到符合停止加热条件时，系统自动停止加热。

操作者可以在自己权限下对系统进行各种操作，例如控制各加热回路开关、参数设定和改变、系统各种参数和工作状态的监测。

在后沙峪车站综控室、车辆段综合楼、停车场综合楼设置控制终端，能实现各种远程操作。控制终端采用壁挂箱结构，使用19寸触摸式液晶显示器、嵌入式工控机及实时操作系统来实现自动控制功能。

该设备系统共设置三套融雪装置控制终端：第一套控制终端位于后沙峪车站综控室，第二套控制终端位于车辆段综合楼控制室，第三套控制终端位于停车场综合楼控制室。每套控制终端独立设置，三套控制终端之间无数据传输和控制要求。

当自动系统出现故障后需要转到手动控制功能时，系统立即发出声光报警，提醒值班员。声光报警可人工投入或撤销。

手动控制功能

操作者可以将系统切换到手动加热模式，手动启动或关闭加热系统，包括启动或关闭任意一组道岔加热。一般情况下该功能在软件系统出现故障的情况下启用。操作者可以在融雪装置控制终端实现远程加热功能，也可以在室外就地控制柜上强行打开或关闭整个系统，必要时还能对任意回路进行开关控制，以利于维修人员检修。

监测功能

降雪状态及传感器工作状态监测；

供电电源的电压、频率监测；

总消耗功率、电流监测；

各道岔加热回路消耗功率监测；

各回路接触器的工作状态监测。

系统优先级

在现场将控制柜设置为本地手动状态，在车站只能查询运行数据和报警信息，远程加热控制此时失效（本地控制优先于远程控制）；非手动状态时，可通过远程控制进行状态转换。

5）其他功能

A自动温度控制功能

加热后控制柜对铁轨温度进行测试，当达到设定温度后自动停止加热，低于设定温度后自动启动加热，以此避免电力的浪费和高温造成的设备提前老化。

B过流、漏电保护功能

控制柜设置了漏电保护开关和过流保护开关，在设备发生故障时可以对设备本身和工作人员进行保护，以免造成更大的损失。

关键部件采用了漏电保护器、变压器保护器和防雷设计，同时对加热及用电设备进行电流和电压的监控，当发生突变时，系统自动切断电源，防止电路起火及烧坏器件，保护设备和人身安全。

C系统扩展功能可根据用户的特殊要求，在控制系统中预留备用回路。本次融雪工程共安装4台室外机柜（马泉营设置2台），每台机柜均预留了2个回路。例如后沙峪站，有6组道岔需要安装融雪设备，控制系统按8组道岔（实用6组、预留2组）进行设计和控制。

D远程设置与修改控制柜参数功能

在车站终端应能设置或修改各种参数（如下雪、雪停门限值等）。

（3）工作原理

道岔融雪系统是根据就地设置的气象站实时监控，通过控制端自动判断，实现全自动化道岔融雪控制。从而有效地节约人力资源，提高了工作效率、确保行车安全，是地铁车辆安全运营很好的辅助设施。

降雪时，系统进入加热状态的情况。雪在传感器的表面融化成水，传感器检测到模拟量变化，将数据发送给主控制模块，并且将温度和湿度数据发送给主控制模块，主控制模块根据用户设置的温度门限值判断下雪状态温度是否满足融雪条件，如果满足则进入加热状态。

不下雪时系统进入加热状态的情况。当环境温度较低，空气湿度很大时，有些地方可能会出现钢轨结霜或者冻雨现象，此时，道岔也需要加热。用户可根据当地的实际情况设置启动加热的温湿度门限，系统将根据门限自动进入加热状态。加热过程，轨温保持恒定温度。当系统进入加热过程，轨温传感器将钢轨温度的实时数据发送给主控制模块，主控制模块根据用户设置接通或断开加热回路，使钢轨维持在可以融雪的温度范围，以达到节能效果。

设计降雪结束后系统延时加热功能。降雪结束后钢轨上的积雪不会立刻融化，设置停雪后的加热延时时间，系统可以自动判断并且按照设置的延时时间进行延时加热。雪停后检测钢轨上积雪。雪停后系统进入停止加热状态，当钢轨上传感器检测到有雪时，重新进入加热状态，按照设定的延时时间进行延时加热。

道岔融雪系统电气防护。道岔融雪的电加热元件安装于道岔的尖轨处，可以防止对轨道电路的干扰；融雪设备电路均采用隔离变压器进行隔离，从而确保安全。

此设计方案力求在国际领先水平下保证安全可靠。该设备系统使用的道岔融雪设备是采用被国际上认可的新技术——电加热方式，在基本轨轨腰安装直型加热元件方案，此方式安装简便，对工务养护作业基本无影响。道岔融雪设备加热元件采用U型固定，通过防松螺母和储能弹簧固定，安装在尖轨和基本轨啮合后的缝隙处，经现场试验对尖轨和基本轨啮合无影响。

该设备系统设计所采用的道岔融雪设备除加热条材料以外均为我国自主研发生产的产品。

3、结束语

作为北京地铁首例引入道岔融雪设备的工程，15号线有效的节约了人力资源，实现道岔融雪的全自动化控制，适应于现代轨道交通高速、安全和自动化的要求。

该设备系统于2011年10月底在北京地铁15号线安装调试完成并投入应用，经两个冬季考验，发现其系统运转稳定可靠，操控方便，融雪效果明显。23组道岔均未发现异常，未发生因冰雪引发的行车事故。

道岔融雪设备是北京轨道交通道岔融雪领域引入的新技术，其设计起到里程碑作用，为道岔结冰积雪处理提供了最新的、有效的处理方案，为其他线路建设提供了范例，有效节约了运营管理成本，化解了困扰运营单位多年的冰雪季运营维护难题，实现了地铁道岔除雪除冰全自动化，有效化解了北京地铁在冰雪季节由于天气因素而无法保证客运密度的难题。通过在15号线的工作检验，目前该套设备已经在北京市其他新建地铁线路设计上进行了推广。

参考文献

[1] 樊福军.科技创新导报：浅谈地铁道岔融雪系统和施工. 科技创新导报编辑部，2012 N.34

[2] 李炎锋 胡世阳 武海琴 李俊梅 侯隆澍.北京工业大学学报：发热电缆用于路面融雪化冰的模型. 北京工业大学，2008年12期

作者：申樟虹

篇10

【关键词】矿井；供电；综合自动化；

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

文章对煤矿井下供电系统运行方式的技术要求进行了介绍，对矿井供电系统的自动化设计原则进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对实现矿井井下供电综合自动化的措施进行了探讨。

二、煤矿井下供电系统运行方式的技术要求

国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局颁发的《煤矿安全规程》中，第441、442条中明确规定，不仅井上需采取两回路电源供电运行方式，同时还将两回路供电运行方式技术规定延伸到井下采区变（配）电所中，这样可以确保井下供电系统运行的安全可靠性。同时，要求向局部通风机供电的井下变（配）电所必须采用分列运行方式等，这样可以确保井下通风系统运行的安全可靠性。井下两回路供电电源采取并列运行，即按照一用一备和分列运行方式进行供电。另外，要结合井下采区供电机电设备的种类和负荷等级，确定合理的供电方案和运行方式，提高矿井安全生产水平，确保井下作业安全可靠、节能经济的高效稳定进行。

三、矿井供电系统的自动化设计原则

1.在保证供电安全可靠的前提下，力求所用的开关、启动器和电缆等设备最少。

2.原则上一台启动器只控制一台低压设备；一台高压配电箱仅控制一个变压器。当高压配电箱或低压启动器3台及以上时，应设置进线开关。采区为双电源供电时，应设置2台进线高压配电箱。

3.当采区变电所的动力变压器多于一台时，应合理分配变压器的负荷，原则上一台变压器负担一个工作面的用电设备，且变压器最好不并联运行。

4.由工作面配电点到各用电设备宜采用放射式供电，上山及顺槽的输送机宜采用干线式供电。供电线路应走最短的路线，但应注意回采工作面（机采除外）、轨道上下山等处不应敷设电缆，溜放矿石、矸、材料的溜道中严禁敷设电缆，并尽量避免回头供电。

5.大容量设备的启动器应靠近配电点的进线端，以减小启动器间电缆的截面。

6.局部通风机无论在工作或交接班时都不准停风，因此设置双电源双专供的风机供电系统，采区变电所内分别由两台接在不同母线上的高压配电箱进行供电，两趟线路上分别设置专用变压器及专用开关，分别给两台风机供电，并将风机进行编号管理，1#风机和2#风机，进行单双日切换，单日开单号机，双日开双号机，每日进行切换，当其中一台风机因故障停机时另一台风机能够自动启动向工作面供风，以防止工作面停风。

四、实现矿井井下供电综合自动化的措施

1.改造高压供电系统：（1）将富力供电中心以前使用的SNI型断路器改为ZN28-10型断路器，ZN28-10型断路器以其中封式纵磁场真空灭弧室为显著特点，在很大程度上增加了高压开关自我保护的直来那个和性能，同时也提高了断路器的断流效果，通过计算可以发现该短路器的断流次数可达25次，机械寿命在一万次左右，具有十分优良的性能。（2）采用CT19型弹簧操作机构：CT19型弹簧操作机构的储能方式具有自动和人工两种方式，储能时间较小，合分闸同样有自动和手动两种方式供选择，同时该机构的结构比较简单，功能比较好，是改造供电系统的质量的有效设备之一。

2.改变接地方式：将使用的变压器改为SJD9型接地变压器，该变压器能够以Z型绕组方式提供一个中性接地点，并且具有零序阻抗低的特点，这使得当变压器工作时，大部分的电压都加在变压器的线圈上，增加其电压补偿能力，另外，SJD9型变压器的二次侧装的绕组与三角形的状态呈现，是整个绕组具有稳定性，在很大程度上降低采样信号以及外界信号对供电系统的干扰。（2）采用XHDZ型消弧线圈，它的工作性能稳定，可操作性强，且跟踪速度快，便于供电工作的完成。另外将开关改为DYZ型，DYZ型开关具有开关电压高，转换速度快，开快档位多等特点将其与XHDZ型消弧线圈配合使用，可大大提高供电系统的供电效果。

3.改变选线装置：应该选取在6KV中性点不接地或经电阻接地的选线系统，另外选线系统往往应该在小电流接地的条件下工作，但是小电流工作系统在发生故障的时候会使得所有有对地电容的电路上都有零序电流流过，这类电流具有小且散的特点，这给接地线路带来了一定的麻烦，再加上消弧线圈的影响就会使难度进一步加深。（2）在发生此类故障时应该及时的对发生故障的线路进行同步采样，并对采样的结果进行合理的分析，在分析的基础上对故障进行判断，选取适当的解决办法。值得注意的是分析时要结合信号幅值和相位的大小以及变化程度，综合分析之后在选取解决策略。

五、提高煤矿井下供电安全可靠性的技术措施

1.提高井下供电可靠性

当煤矿井下一类负荷出现供电中断时，将会引起严重的人身伤亡、设备损坏事故，不仅给煤矿带来巨大的经济损失，同时还会造成巨大社会负面影响。所以，必须保证井下供电的安全可靠性，每一矿井均必须采取两回电源进行供电，且对于通风系统、排水系统、立井提升系统等一类负荷，必须从井下变（配）电所中采取两路互为备用电源进行供电。井下供电双回电源回路，必须引自不同的发电厂或变电所，并配置完善可靠的自动切换装置，一旦工作电源回路出现故障，则会通过自动切换装置自动切换到备用电源回路，快速恢复供电，确保井下作业的安全可靠性。为了确保井下供电的安全性和可靠性，井下供电的两回电源回路应单独设置，不得与其他负荷进行分接共用。

2.完善继电保护设备系统

完善井下供电继电保护方案，改善继电保护装置系统，提高供电系统故障或事故工况下动作选择性、可靠性和速动性。井下高压电动机、动力变压器等高压动力设备、控制设备等，均需按照要求设置短路、过负荷、接地和欠压释放等保护功能。煤矿应根据井下作业用电负荷类型、保护等级、分布位置、使用频率等实际情况，有针对性地进行井下供电系统继电保护方案的优化设计，同时应采取各种先进的技术措施、设备装置等，提高井下供电的安全可靠性，减少供电故障或事故影响范围，同时提高故障或事故排除速度，确保井下供电的安全可靠性。

3.变电站自动化系统中的几种新型综合保护装置

电气控制与保护领域高速发展，从热电磁到电子智能保护，从PCS、ACS、CCS、DCS系统NFCS现场总线，己走向了系统化和智能化。目前电力系统中微机保护得到普遍应用，国外典型的有美国SEL公司的SEL-279、SEL-321型，GE公司的ALPS型，德国西门子公司的7sA531型微机保护装置等；国内有南自厂的WXB系列，南瑞继保集团的RCS系列，北京德威特集团的DVP-600系列，以及许继集团、南京因泰莱、陕西银河等都有成熟的自动化保护系统；煤矿系统在用的还有北京顺城电子公司的KJ67、煤科总院常州自动化所的KJ36电力监控系统等。

4.对矿用新型综合保护装置的建议

变电站综合自动化系统将在煤矿逐步推广应用。由于井下开关设备种类比较复杂，结构多种多样，空间非常狭小且要隔爆。故新型综合保护装置必须体积小，有标准的插接接口。保护模块应具有性能优、可靠性高、灵活性强、调试维护方便、性价比好、多功能化等特点。采用开放式软硬件系统、嵌入分布式结构与多CPU并行工作方式，丰富人机对话功能确保煤矿供电设备的安全运转。

六、结束语

矿井下生产的危险系数，相对于其他行业来说，是非常高的。加强矿井供电自动化设计，提高供电稳定性和安全系数，是一个非常迫切且重要的任务，需要投入更多的精力才行。

参考文献：

[l]金竹广煤矿井下采区变电站综合自动化设计方案[J]工矿自动化，2005（2）