導語：如何才能寫好一篇儲能系統設計方案，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關鍵詞】：森林防火；遠程智能監測；技術方案

現階段在云物大智移技術的支撐下，組建森林防火遠程智能監測系統，將具有實效，是解決傳統監測手段當中所遇到問題的重要方案。

1、項目概況

江蘇省金壇茅山旅游度假區總面積128平方千米，是當地自然景觀的核心區域，人為活動頻繁，地處丘陵山區，森林植被茂盛，日照時間長，全年有150d以上為橙色防火預警等級。目前，金壇茅山森林防火壓力大，火險發生概率高，防火形勢嚴峻，常規森林防火預警監測手段已經不適應當前工作需要。金壇區林業主管部門和茅山管委會決定對景區實施重點預警監控，促進森林防火科技和管理水平，以全天候自動監管模式代替人工巡護，提高森林防火工作效率。

2、功能需求分析

針對項目的實際情況，以及森林防火的實際應用特性，所建設的遠程智能監測系統應具備以下基本功能。

1.1信息采集

從以往針對森林火災的研究經驗來看，發生森林火災時，空氣濕度、煙霧濃度、光強度、大氣壓力、風向風速等將發生顯著變化，系統設計時可考慮這些因素，將它們作為主要的判斷森林火災發展趨勢的主要依據。那么系y功能中就需要至少滿足能夠實時采集上述因素的信息。現階段的視頻圖像技術以及傳感器技術能夠滿足要求。

1.2信息存儲與傳輸

在滿足實時信息采集的同時，還要能夠滿足海量信息的存儲和信息的實時傳輸，因為要實現全天候的自動監管，分布在林區的傳感設備將收集大量的實時信息數據，加之以往的監控系統的數據，這將需要PB級別的信息儲存能力。同時這些信息傳輸對網絡要求高，至少要保證監控智慧中心能夠第一時間接收到來自林區傳感器等設備的信息。尤其是火災初期，要能夠及時讓指揮中心知曉情況，只有這樣才能在第一時間組織林火分析，并出臺有效的撲救方案，以便控制火災發展趨勢，減少損失。當前的網絡通訊技術基本滿足要求，當然需要建立前端基站，組建專用網絡才能保證效果。

1.3火災定位與功耗低

要實現快速反應，關鍵是要實現精確快速的火災定位，同時要能夠預測火災發生時間。目前3S技術可以為這項功能提供技術支撐。此外，森林環境惡劣，系統供電是一個難題，分散在林區的設備，應當具備良好的續航能力，功耗要低，且要具備自供給能力。

3、系統組建

3.1頂層設計

系統基本由前端智能采集站，信息傳輸系統以及后臺監控中心組成，具體而言有四個層次，包括數據集合層、云平臺、網絡層以及感知層。首先，感知層，這是由分散在林區的傳感設備、儀器儀表、視頻采集站等組成。其中的關鍵是物聯網，利用傳感器技術、智能嵌入技術等來構筑森防火遠程智能監測系統的感知層，為系統提供實時信息數據。

其次，云平臺，基于云計算構建云平臺，這種方式可以有效降低成本，因為云平臺可以弱化數據中心的作用，并且能夠比較有效地兼容現有的監控設備。云平臺的分布式異構技術體系是最為可行的方案，也符合今后相當一段時間的技術發展趨勢。

第三，網絡層，系統組網是最為復雜的一個層面，雖然說當前網絡通訊技術已經十分先進，可以運用有線網，也可以利用無線網，但是考慮到林區復雜的環境因素，若單純采用有線網，為保證傳輸效率，當前可采用光纖。但是這樣一來雖然能夠保證信息的實時傳輸，但投資太大，工作量大，工期長。如果利用無線網絡傳輸，需要建立通訊基站或是租借通訊基站，這些都需要投入成本，而且不一定能夠保證信息傳輸效率，所以最好的方式還是有線和無線相結合。前端可以用無線網組網，爭取最大的覆蓋率，信息存儲與分布式前端服務器，然后利用光纖網向指揮中心傳輸數據。

第四，數據集合層，要從大數據的角度，集成歷史數據庫、實時監控數據庫構成數據集合層，這是實現智能監測的關鍵。對于基于大數據的數字平臺來說，目前有很多可行的方案。比如greenplum，它是MPP（大規模并行處理）架構的數據產品，在應對海量數據和整合業務數據方面具有很大優勢，而且它是開源的。

3.2技術方案

3.2.1物聯網實踐

集成物聯網、大數據、互聯網和云計算，突出感知能力、交互體驗、決策能力和體系化，能夠使森林防火工作智慧化運轉，關鍵就是組建物聯網。在森林防火領域，物聯網主要用于林區管理、信息監測和自動化撲救（如果不計成本建設了自動噴淋系統的話）。物聯網組建上，要滿足上文提出的功能需求，至少要配置連續變焦紅外熱成像儀、熱成像超溫檢測系統以及可見光圖像檢測系統。通過建立智慧防火專網和移動互聯網實現相關設備的標定、管理以及監控。

森林防火關鍵點還是要做好組網工作，應當考慮林區地形地貌，盡可能選擇高地勢區域，保證監測站的視野范圍，盡可能地以最小投入達到最大化的監控范圍。可結合GIS定位林區現有的中繼臺、t望臺、發射臺等，將它們疊置到林區的火險等級區域，并將其組件成備用網絡。然后利用DEM進行視域、通視及緩沖區分析最后利用分析數據優化組網方案。

3.2.2、智能控制系統

在后臺監控系統中搭建智能控制系統，智能控制感知設備，充分利用專門的分析算法，利用各種感知設備的優勢，有效地降低誤報率。前端超溫探測系統產生火險報警信號，并標注火焰區域坐標，熱成像儀和可見光攝像機，重新映射坐標信息，然后通過網絡提交到智能控制系統，由系統的視域定位算法，將坐標映射至可見光攝像機視域上計算報警點位置，并用可控制攝像機或是熱成像儀詳細觀察疑似火焰區域，在GIS系統標注準確位置，發出報警信號，并通知各關聯用戶終端。

結束語：

綜上所述，建設森林防火遠程智能監測系統，在云物大智移技術的支撐下，是十分可行的。本文所研究的項目雖然尚未完全建立其該系統，但是由已完成的成果來看，極大地提高了防火工作的準確率和效率。當然本文的探討的內容可能有不足，但是具備一定的參考價值，希望可以與業內一同探討進步。

【參考文獻】：

[1]田仲富，王述洋，黃英來.基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監測系統[J].智能系統學報，2014，06：763-768.

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1.1能源選擇

能源是人類社會存在和發展的基礎，目前為人類所用的能源主要是煤、石油、天然氣等化石能源，而這些化石能源儲量是有限的，且使用會造成嚴重的污染。太陽能、風能、潮汐能、地熱能等各種清潔可再生能源成為能源的發展方向。在本設計方案中，獨立的建筑物能使用的新能源包括太陽能、風能、沼氣等。太陽能和風能的穩定性較差，能量密度低，受地理位置、季節變化、晝夜交替等因素影響較大。通常太陽能和風能在時間和地域上都有一定的互補性：當陽光強時風力較小，陽光弱時由于地表溫差變大而使風力加強，因此采用風光互補型發電系統是最有效的供能方式。

1.2風、光互補發電系統

1.2.1風力發電機組

風力發電機組是將風能轉換成電能的機械裝置。其基本原理是利用一個風力機械裝置來吸收風的動能，再利用發電機將風的動能轉化為電能。本設計方案中使用小型水平軸風力發電機組，將發電機產生的交流電通過AC/DC變換為恒定的直流電輸送給控制器。風力發電機的工作條件比較惡劣，風速的大小和風向都不確定，極端時可能引起發電機的嚴重過載，所以需要對發電機進行控制，使其能夠安全運行和停機。風力發電機的風速功率曲線，表示風力發電機的運行特性。當風速小于啟動風速時，風輪未能獲得足夠的能量而不能啟動；風速達到啟動風速后，風輪開始轉動，帶動電機發電，輸出電能；在額定風速以下，風機輸出功率隨風速的增大迅速增長；當風速達到額定風速時，風機達到額定功率；風速在額定風速和截止風速之間時，風力發電機通過機械限速機構使電機保持在額定轉速下轉動，輸出額定功率；當風速達到截止風速時，風機采取緊急制動措施剎車，輸出功率為零，以保證風力發電機不至于損壞。

1.2.2太陽能發電裝置

太陽能發電系統采用光伏發電方式，利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變為電能，使用的主要元件是太陽能電池。在有光照情況下，電池兩端產生電壓，即產生“光生電壓”，將多個電池串聯后組成太陽能電池方陣提供電能。MPPT控制：在一定溫度和光照下，光伏電池的輸出電壓和功率曲線，具有唯一的最大功率點。溫度、光照等是影響光伏電池輸出功率的因素，實際應用中采用最大功率跟蹤（MPPT）迅速準確地跟蹤太陽能電池陣列的最大功率點，使電池始終工作在最大功率點，太陽能得到充分利用。在實際應用中采用多支路并聯工作方式，若某個電池組件受到損壞，只會影響到該組光伏電池，其他組不受影響。并聯各支路各自獨立實現MPPT控制，最大限度地利用太陽能。

1.2.3儲能設備

由于太陽能和風能不穩定，在發電系統中需要有蓄電設備以平衡能量的供給和使用。目前所用的儲能設備有各種化學電池、新型燃料電池及超級電容等。燃料電池成本較高；一般鉛酸電池儲能量大，但功率密度較低；超級電容作為儲能器件可實現能量密度和功率密度的有機結合，但就目前的發展狀況，超級電容能量密度只有鉛酸電池的20%。因此，本設計方案中采用超級電容與鉛酸電池混合儲能的方式，可綜合利用鉛酸電池能量密度高和超級電容功率密度高的優點。超級電容與鉛酸蓄電池并聯儲能方式，由風光互補控制器控制其充放電方式。在蓄電池和超級電容之間配置一電感器，電感器的作用是對蓄電池的輸出電流進行濾波，降低電流紋波，以減少內部發熱和能量損耗。

1.2.光互補發電系統

綜合以上發電及儲電設備的分析。系統分為3個環節：能量產生環節、能量儲存環節和能量使用環節。其中，能量的產生環節包括光伏發電裝置和風力發電機兩部分，它們分別將風能和太陽能轉化為高品質的電能，然后通過風電互補專用控制器進行并網；能量的存儲環節為超級電容和蓄電池混合儲能裝置，它們作為一個整體，替代了傳統風光蓄互補發電系統中的蓄電池，儲存能量大且能提供瞬時大功率，在整個發電系統中起到能量調節和平衡負載的作用；能量使用環節就是各種用電負載，將發電裝置提供的直流電能通過逆變器轉換為可供用戶使用的220V50Hz交流電。在實際應用中，需根據各方面因素來確定風光互補系統的配置。對普通住宅用戶而言，每個月的用電量一般在300kWh以下，發電系統平均每天應發出不低于10kWh的電能以滿足用戶的需求，通常風電與太陽能發電按3∶1計算；在一般晴朗天氣下，太陽能與風能日有效時間可分別取7h與10h；用戶的瞬時用電負載功率最大取2kW。若用電負荷過大（如夏季空調耗電較大）或出現特殊天氣（陰雨無風），此發電系統無法滿足用戶的用電需求，則可從電網中獲取電能，系統設計中，采用并網控制方式，當系統提供能量不足時，將負載切換至電網，由電網供能。根據以上需求和市場上現有的各種設備的規格，可選用以下配置：a.1kW風力發電機1臺，輸出電壓48V，盡量選用低風速啟動性好，性能穩定的產品，成本5000元左右。b.60Wp單晶硅太陽電池組件8塊，輸出電壓48V，成本大約為400×8元。c.風光互補控制器1臺，規格為3kW48V，成本約2000元。d.3kW風光互補系統專用逆變器一臺，可滿足用戶的瞬時負載最大功率，其輸入為DC48V，輸出AC220V50Hz，成本4500元左右。e.48V400Ah超級電容、蓄電池組，考慮到蓄電池及逆變器效率，放電率按50%計算，總的放電量可達9kWh，能夠滿足系統的需要，蓄電池成本在4000元左右。在一般天氣情況下，若風力發電機與太陽能電池板發電均按照凈發電量計算，每天可發電13kWh，考慮到控制器及逆變器的效率及損耗，按80%可用能量計算每天可得10.4kWh電量，基本可以滿足用戶日常需求。若出現其他情況，則可將負載切換至電網供電。

2配電及保護系統

在建筑的配電方面需考慮多方面的因素，包括供電的可靠性，線路和設備的過電壓、過電流保護，電子設備和系統的電磁兼容、接地保護和防雷保護等。

2.1線路結構

在本設計中，因發電系統與用電設備距離很近，可直接從發電系統獲得家用電源，輸電線路短，結構也簡單，可大大減少變配電系統投資。電源接入負載的線路結構圖。電路工作在選擇性保護方式，即QA1的動作延時時間大于各支路斷路器，可保證某一支路出問題時只斷開該支路，不影響其他負載。

2.2系統保護

建筑物中以計算機為代表的各種電子設備目前被廣泛應用，給人們生活帶來了極大方便，但如果這些設備不采取必要的保護措施，極易受到雷電、電磁波、諧波的影響。為確保設備的安全可靠，需采取適當的電磁兼容措施和雷電防護措施。電磁干擾主要包括建筑物內電子設備間的干擾，電子設備與供電系統間的干擾，以及各種信號線、導體、雷擊等的干擾。在系統的保護方面，可以采取兩種措施：接地和屏蔽。接地：接地保護措施包括設備金屬外殼接地、信號線及屏蔽電纜的接地，可采用混合接地方式，將所有的電源地與所有的信號地分別匯總，然后把總的電源地與信號地接入公共參考地。此外，在建筑物建造時可將建筑結構中的鋼筋、管道等金屬構建連為一體，組成具有多層屏蔽的防雷體系，在房頂用接閃器組合形成網格型的避雷帶，與建筑內部的金屬網連接之后接地，在建筑物內形成等電位體，可有效地防雷及減小各種外部干擾。屏蔽：建筑籠形金屬網結構可以很好地隔斷建筑的外部干擾，在建筑物內部也可采取多種措施來減小電磁干擾，如在墻面上粘貼金屬箔，天花板內側粘貼延伸金屬，地板采取簡易雙重地板下的磁屏蔽貼板，窗可使用電磁屏蔽玻璃等，這樣可以減小建筑內部設備間的相互干擾。

3成本預算

根據以上設計方案，發電系統各設備投資約2~3萬元，加上系統走線、配電設備、斷路器、開關等器件以及避雷針等，整個電氣系統的投資大概在5萬元以內。

4結語

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關鍵詞：汽車，制動與起動，渦卷彈簧，錐齒輪，液壓缸，節能降耗

一、研制背景及意義

隨著生活水平的提高，汽車已成為許多家庭的必備品。至2013年底，全國機動車數量突破2.5億輛，且以10年增加億輛的速度保持增長，汽車在給人們帶來方便的同時，也加劇了能源的消耗，是霧霾天氣的罪魁禍首。因此，國家越來越關注汽車方面的節能減排。

降低汽車油耗，也是人們越來越關心的問題，一般小汽車的運行動力幾乎完全由汽油發動機提供，在起動瞬間，油耗量竟可達到驚人的30L-40L/100km，能量浪費嚴重；此時汽油不充分燃燒的可能性也大大提高，排放廢氣更多；這種工作模式下，不僅不節能，還增加了廢氣排放，實在不是一種好的方案[1]。如果能在汽車結構上做一些改動，哪怕僅僅降低一點的油耗，減少看似微不足道的排放，由于汽車數量基數巨大，也將會對能源節省、空氣污染的治理做出巨大貢獻。

二、設計方案

頻繁的制動和起動是汽車耗油的主要原因。汽車制動時，動能以熱能的形式損失掉，起動時耗油量比正常行駛耗油量大，因此本文設計了一個裝置，把汽車制動時的動能儲存起來，用于輔助汽車起動。

整個裝置由液壓控制部分，機械儲能部分，電路控制部分，驅動輪輪軸帶動錐齒輪部分組成。其中驅動輪輪軸部分的原理就是在汽車的驅動輪輪軸上固定安裝兩個錐齒輪，利用錐齒輪的變向作用，把渦卷彈簧在汽車制動過程中儲存回收的能量在汽車啟動或加速的時候再次進行利用，從而達到實現節能減排的目的。本裝置整體設計簡圖如圖2-1所示：

圖2-1 裝置結構簡圖

1、控制部分

我們從傳統的汽車制動原理中得到啟發，將整個裝置的控制部分進行了改進，采用液壓傳動原理，讓裝置與汽車制動踏板連接起來，實現對能量回收與利用的控制。控制系統設計了一個由三個液壓缸組成的裝置，其中一個液壓缸體的傳動裝置連接在安裝有渦卷彈簧的能量盒上。液壓缸1中的活塞需特殊設計，活塞的兩面分別通過彈簧與端蓋相連接，活塞處于中位時，左右兩個彈簧都處于原長狀態。

2、 機械儲能部分

1）驅動輪上錐齒輪：在汽車的驅動輪的輪軸上，固定兩枚小端相對放置的錐齒輪，如圖2-6中的錐齒輪A和B，A和B之間留出一定的間隙用于給第三枚錐齒輪C在兩錐齒輪間來回移動，當汽車制動時，錐齒輪B和錐齒輪C形成制動嚙合，完成儲能動作，當汽車加速時，錐齒輪A和錐齒輪C形成加速嚙合，完成釋能動作。同時保證儲能和釋能過程中后輪車軸同向轉動。2）集能盒：本裝置設計一個彈簧儲能器，由多個齒輪連動以輔助能量收集與釋放。彈簧儲能器安放在一個特制盒子當中，通過一個傳動軸（軸的另外一端安裝一個錐齒輪）與驅動輪上的錐齒輪相作用。

三、理論設計計算

1、一般汽車起動所需牽引力的計算

本文以排量2.0、質量1.5噸的汽車作為研究對象，若起動瞬間只考慮摩擦力f的阻礙的作用，那么牽引力F和摩擦力的關系為：

而摩擦力的計算公式為：

其中為附著系數，是附著力與車輪法向（與路面垂直的方向）壓力的比值，它可以看成是輪胎和路面之間的靜摩擦系數。這個系數越大，可利用的附著力就越大，汽車就越不容易打滑[2]。

附著系數的大小，主要取決于路面的種類和干燥狀況，并且和輪胎的結構、胎面花紋以及行駛速度都有關系。一般來說，干燥、良好的瀝青或混凝土路面的附著系數最大，可達0.7一0.8，路面有水時附著系數會降低，而冰雪路面的附著系數最小，最容易打滑。車輪制動力和側向力附著系數如圖3-1所示。

這里，本文以干燥、良好的瀝青或混凝土路面為汽車行駛路面進行計算，附著系數取0.75，易得：

綜上，汽車起動所需最小牽引力大小是11025N。

3、從節能角度

通過查找文獻不同駕駛操作方法下的汽車運行燃料消耗量分析，汽車在平路起步時，駕駛員反復多次不同程度地操控加速踏板并連續換擋，使車輛從靜止狀態加速，由以上文獻摘要可見，一般汽車在起動時都會比較耗油。如果裝上汽車制動能量再利用裝置，每一輛車每起步一次就可以近百毫升的汽油。這對于現如今上億輛的車來說，將為節約能源，減少排放做出巨大貢獻[3]。

四、工作原理及其性能分析

1、傳統汽車起步原理

傳統汽車起步工作原理：鑰匙點火，電池帶動起動電機，起動電機帶動壓縮缸運動壓縮。被壓縮的霧化汽油點燃爆炸，爆炸產生動力，并提供下次循環的動力，發動機自己開始進入運作。

2、節能減排原理

本裝置將渦卷彈簧安裝在一根軸上，軸的另外一端裝有錐齒輪，另外本裝置將在汽車的驅動輪的軸上裝上兩個相對的錐齒輪。當汽車制動的時候，裝有渦卷彈簧的軸上的錐齒輪與驅動輪軸上的一顆錐齒輪嚙合，將汽車制動的能量存儲到渦卷彈簧中。當汽車起動的時候由于渦卷彈簧釋放能量將讓軸向相反方向轉動，所以我們讓渦卷彈簧軸上的錐齒輪與驅動輪軸上的另外一個錐齒輪嚙合，釋放渦卷彈簧的能量從而驅動汽車起動。由于汽車起動瞬間需要較大動力，并且汽油燃燒不充分，所以該裝置不僅降低了油耗，還減少了尾氣排放。

3、結構原理

液壓控制部分為裝置動作提供動力，機械儲能部分實現裝置能量的儲存和釋放，電路控制部分實現動作的選擇操作，驅動輪輪軸帶動錐齒輪部分實現能量盒與車軸的可靠嚙合，最終實現制動時節能而加速時釋能的過程。能量盒的輸出軸固定連接一錐齒輪，后輪車軸固定一對面對面放置的錐齒輪，能量盒位于雙軌滑行軌道內，相對軌道中位的位置放置輸出端連接有固定卡盤的液壓缸，防止能量的自由釋放，所有的動力來源于液壓傳動，控制回路控制電磁換向閥選擇動作，最終完成整個裝置的設計。

五、結論

本文介紹了基于渦卷彈簧的汽車制動能量再利用裝置的設計思路及工作原理，以及如何實現節能減排的效果。具體有以下幾點結論：1、整個裝置由液壓控制部分，機械儲能部分，電路控制部分，驅動輪輪軸帶動錐齒輪部分組成。2、整個裝置利用渦卷彈簧進行儲能和釋能，利用錐齒輪的密切配合實現汽車制動和加速時能量的轉化，利用液壓控制部分為裝置動作提供動力，利用電路控制部分實現動作的選擇操作。3、整個裝置帶有速度選擇控制回路，保證裝置動作安全可靠。4、整個裝置把渦卷彈簧在汽車制動過程中儲存回收的能量在汽車啟動或加速的時候再次進行利用，不僅減少了起動瞬間發動機的出力，還減少了因為汽油不充分燃燒引起的廢氣排放，既節能又減排。

參考文獻

[1] 宋飛.降低汽油機油耗[M].現代企業文化，2009：362.

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【關鍵詞】光伏電池;最大功率跟蹤;H橋式電路;MSP430;PWM波

引言

光伏發電是可再生能源利用的重要技術方式，是近幾年發展最快的產業之一。但是光伏發電存在兩個主要問題：第一，光伏電池的輸出特性受外界環境影響大，當溫度和光照，輻射強度變化時，其輸出特性會發生較大的變化;第二，光伏電池的轉換效率低而且價格昂貴，初期投入較大.因此，為提高太陽能的利用率，通常在光伏電池和負載之間串聯最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking ，MPPT）電路，簡化了相關的硬件設計，且避免了功率等變量繁瑣的控制算法，從而實現最大功率輸出。

1.設計方案及基本原理

光伏電池輸出特性具有非線性特征，其輸出電壓和功率受光照強度、環境溫度和負載情況影響。在一定的光照強度和環境溫度下，光伏電池可以有不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏電池的輸出功率才能達到最大值，這時光伏電池的工作點就達到了輸出功率曲線的最高點，稱之為最大功率點。光伏電池內阻受光照等影響而改變，從而流出光伏電池的電流是個變量。系統在光伏電池輸出端設計了采樣電阻，由A/D芯片采樣其上的電流，再通過最大功率跟蹤控制器找出太陽能電池最大功率點。

1.1 系統設計方案

系統由四個模塊組成，如圖1 系統設計方案所示。

（1）主電路

主電路實現了一個可控的電流恒定。由四IRF540 MOSFET管、兩個電解電容四個二極管等組成的H橋電路。

（2）電流、電壓采樣電路

為了實現電流的恒流，對電流進行采樣，在每一次給定的電流恒定時，采集負載兩端的電壓值。

（3）控制芯片

控制電流恒流并計算電流恒流下的功率P，得出光伏電池最大的輸出功率P。并將該功率輸送到電網上。

（4）驅動電路

驅動電路對控制芯片給出的信號進行功率放大，用來驅動主電路。

1.2 基本原理

主電路由四IRF540 MOSFET管、兩個電解電容四個二極管等組成的H橋電路，其目的是為了實現一個可控的電流恒流.

IRF540 MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需求，因此選用了IRF540作為構成H橋電路的橋臂。H型全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態。Q1、Q4為一組，Q2、Q3為一組，這兩組狀態互補，當一組導通時，另一組必須關斷。在本裝置中，需要功率雙向流動，也就是在Q1、Q4導通且Q2、Q3關斷到Q1、Q4關斷且Q2、Q3導通這兩種狀態間轉換。因此要求兩組控制信號完全互補，但是由于實際的開關器件都存在導通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯會導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關管動作的協同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區時間，因此，運用單片機產生兩組具有死區時間的互補PWM波來改變占空比，從而控制四個MOS管的通斷（見圖1）。

主電路輸入側并聯一個大電容使得輸入側電壓脈動很小，大電容具有儲能作用，既保護輸入端電路又可以使電壓很穩定。兩個332小電容可以消除輸出波形的毛刺，使得輸出波形穩定.然后經過LC濾波進一步使得波形更加的穩定.

2.系統軟件設計

為了實現最大功率點跟蹤（MPPT），采用了電流擾動法觀察法（Perturb and Observe）主要分以下三步。

1）改變光伏電池的輸出電流，間接改變光伏電池輸出的。由MSP430輸出一個占空比可調的兩路互補的PWM波（帶有死區時間1us），通過調節占空比控制信號，控制H橋式電路四個MOS管的通斷時間，來改變光伏電池的輸出電流。

2）PI調節實現電流恒定。根據設定的電流參考值Iref，和反饋的電流值I，得到誤差通過?I，PI調節占空比，實現主電路中電流I的恒定（即實現了恒流環）。

3）MPPT算法實現光伏電池保持最大功率MPP的輸出，通過MSP430調節PWM波實現恒流，在恒流條件下對電壓采樣，就能夠得到對應電流下的功率P，即實現了對功率P的控制。本系統通過一定的MPPT算法（采用的是電流擾動觀察法），即：通過PI控制器，控制主電路中的電流值Iref，從0給定開始，逐步增加電流給定值（步進大小為0.01A），在每一次

給定的電流恒定時，采集負載兩端的電壓值，計算出此時的功率P（n），與上次功率P（n-1），進行比較，若增大了，繼續增大電流的給定，若減小了，則上次給定的電流的位置，即為最大功率點（MPP： Maximum Power Point）。

如果環境改變引起系統有擾動，重復上一次的工作，將主電路中的電流值Iref，從0給定開始，逐步增加電流，在每一次給定的電流恒定時，再次計算出最大功率點，實現最大功率點的跟蹤。

該控制思想簡單，控制易實現得到廣泛的應用。

3.評測和結論

測試原理是將蓄電池等效為一個電壓源和一個可變電阻，直流電網等效為一個電壓源和一個固定電阻，根據理論分析可知如果蓄電池的輸出電壓是電壓源額電動勢等于的二分之一，此時，蓄電池輸出功率最大。實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

電動勢E（V） 電池輸出電壓（V） 電池輸出電流（A） 內阻R（Ω） 負載電壓（V） 負載電流（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：

所以該系統達到設計要求。能夠實現最大功率的跟蹤。

參考文獻

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[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.

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篇5

開展城市10kV配電工程設計，我們主要遵循安全可靠、自主創新、技術先進；標準統一、覆蓋面廣、提高效率；注重環保、節約資源、降低造價的原則。努力做到統一性與可靠性、適應性、先進性、經濟性和靈活性的協調統一。設計的技術依據《35～110kV變電所設計規范》（GB50059-1992）、《供配電系統設計規范》（GB50052-1995）、《66kV及以下架空電力線路設計規范》（GB50061-1997）、《城市電力電纜線路設計技術規定》（DL/T5221-2005）、《民用建筑電氣設計規范》（JGJ/T16-92）等國家和電力行業有關66kV及以下輸配電工程設計的標準、規程、規范及國家有關安全、環保等強制性標準。

2城市10kV配電工程設計

2.1 10kV開關站設計

10kV開關站的設計應滿足防火、通風、防洪、防潮、防塵、防毒、防小動物和低噪聲等各項要求。10kV地下開關站可參照DL/T5216-2005《35kV～220kV城市地下變電站設計規定》的有關要求設計。附設有配電變壓器時，有關技術原則參照10kV配電站。開關站的設計分兩大類系列：開關站站址選擇應靠近負荷中心且電源進出線方便處，便于電網聯絡和配出負荷，滿足設備運輸方便和進出線方便的要求，還應滿足防火、通風、防潮、防毒、防小動物等各項要求。根據供電區域的建筑條件，開關站應按獨立建筑設計考慮，如受條件所限，可設置在地下一層，但不得設置在最底層。站內各種與本站無關的管道和線路不得從開關站內穿過，必須預留永久設備運輸及檢修通道。

2.2 開關設備選擇：按開關設備分“負荷開關”和“斷路器”兩種方案

2.2.1“負荷開關”方案，適用于國家級開發區以外的的地區。配出線開關采用在大連地區有較好運行經驗的六氟化硫負荷開關柜，考慮保護和配電自動化發展的需要，負荷開關配三相CT和電動機構，采用交流220伏操作電源。進線開關采用與出線負荷開關同型號配套的斷路器柜。母線分段開關：兩臺分段柜均選用負荷開關。正常運行時，分段開關回路中一臺負荷開關在關合位置，另一臺處于分閘、熱備用狀態。開關站的出線回路應安裝面板型電纜故障指示器。負荷開關操作機構應采用電動儲能彈簧機構，開關合閘過程中自動給分閘彈簧儲能，可實現自動控制要求。

2.2.2“斷路器”方案，適用于國家級開發區。進線和配出線開關全部采用斷路器，開關柜配三相CT和電動機構，采用交流220伏操作電源。配出線設零秒速斷和過流保護。保護裝置應力求簡單，減少維護量和對運行環境的要求。電氣設備外露可導電部分必須與接地裝置有可靠的電氣連接。成列的開關裝置兩端均應與接地裝置相連。接地裝置的設置及接地電阻值要滿足有關專業規程的規定。

2.3 10kV配電站設計

2.3.1配電站高壓母線一般采用單母線接線；配電站低壓母線一般采用單母線分段接線，兩臺變壓器分列運行。在符合并列運行條件時，可短時采用并列方式切換負荷，避免停電。

2.3.2變壓器的容量和臺數：變壓器的容量及臺數應根據供電區域的負荷確定。油浸變壓器單臺容量不宜超過630千伏安，樹脂澆注絕緣干式變壓器單臺容量不宜超過800千伏安。每座配電站的變壓器臺數以兩臺為宜，特殊情況不得超過三臺。

2.3.3變壓器低壓側應設置主二次開關。主二次及母線聯絡開關采用智能型萬能式低壓斷路器（即框架空氣開關）。配出線開關采用塑殼式斷路器（即塑殼開關）。

2.4 10kV柱上式變壓器典型設計

10kV配電變壓器臺主要包括10kV柱上變壓器、10kV屋頂變壓器和10kV落地變壓器。10kV配電變壓器臺采用低損耗變壓器，根據有關規程、規定和本地區的運行經驗選擇無功補償的配置。對于10kV柱上變壓器臺，變壓器容量按400kVA及以下考慮，分三相變壓器和小型單相變壓器。低壓配電箱應采用側掛式或懸掛式安裝，變壓器臺架及二次接線宜按最終容量一次建成。典型設計應包括10kV、380/220V側配電設備及引線設計，連接部位絕緣密封設計和工作接地的設計。對于10kV落地變壓器臺，應裝設安全圍欄。

2.5 10kV電力電纜敷設典型設計

電纜敷設方式：電纜敷設方式應根據不同電壓等級的電纜線路回路數、電纜截面、芯數和型式進行選擇，主要敷設方式有：直埋敷設、排管敷設、電纜隧道敷設、電纜橋架敷設等。

考慮電纜接地方式、電纜支架和夾具以及電纜敷設中構筑物（如工作井）的典型設計；統一警示帶、保護板、井蓋、標志樁等的樣式。

3城市10千伏配電工程設計的應用

整個典型推進了標準化設計，建立了滾動修訂機制，并且能在今后不斷更新、補充和完善。編制成功后更是得到了廣泛地應用。

3.1開關站設計的應用

10kV區域開關站電網內開關站，在電網中通常是2路10kV電源引入開關站，開關站分配出12—16路10kV電源，增加10kV電源供電點，在電網中起到至關重要的作用。

3.2配電站設計的應用

10kV側開關柜采用二進二出或者二進三出，單母線接線，干式帶外罩；0.4kV側采用單母線或單母線分段接線，低壓開關柜采用抽屜柜GCS型。不設專門的二次設備間，二次設備與10kV開關柜同室布置；低壓開關柜與配電變壓器采用單列同室布置。

3.3柱上式變壓器設計的應用

10kV柱上開關臺運用典型設計，由于實際情況的多樣性，設計工作效率也可以有效提高。10kV配電系統運行中的柱上開關臺，形式多樣，均為坐裝式。

3.4 10kV電力電纜敷設的設計應用

10kV電纜敷設典型設計，由于各種敷設方式有不同的適用范圍，并各有不同環境下的優缺點，該典型設計充分考慮了電纜線路工程的多樣性，實際工程中，在電纜典型設計中考慮各方案調整后，相互組合，能適應各種復雜的電纜工程，使之電纜敷設典型設計能提高工作效率。直埋敷設（加電纜保護槽）適用于市區人行道、公園綠地等不易經常開挖的地段及公共建筑間的邊緣地帶和電纜根數較少的地段（不多于6根）。宜采用單槽單電纜的敷設方式；排管敷設適用于變電站和開關站的進出線端、不能直接埋入地下及有機動車負載的通道，通道內電纜根數不宜大于12根。如市區道路及穿越小型建筑等地段；溝道敷設（包括隧道和半通行溝）適用于變電站、開關站進出線端和同路徑敷設電纜根數較多（一般在12根以上）的地段。

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關鍵詞：太陽能、光伏發電、單片機

一、引言

滅蠅燈利用昆蟲晝伏夜出、趨光性的特點，以光照吸引夜間活動的蚊蠅，并對其實施滅殺，在農田、公園、綠化帶等區域應用的比較廣泛。昆蟲的主要活動、繁殖時期是從每年的春末至秋初，這段時期也是我國大部分地區日照最為充分的時期。以四川地區為例，全年日照時間1300小時左右，春早冬遲，夏季氣溫高、日照時間長，太陽能較為豐富。本文提出一種太陽能滅蚊燈的設計方案，在白天利用太陽能發電對蓄電池進行充電，夜間由蓄電池放電點亮滅蚊燈，起到了節能、環保的作用。

二、系統結構

在本設計中，由單片機作為控制器，當檢測到的日照強度滿足發電條件時，進入發電模式；當夜幕降臨光照不足時進入夜間工作模式由蓄電池向滅蚊燈供電。為了避免因陰雨天氣導致白天光照不足而進入夜間模式控制要進行定時，在白天期間禁止進入夜間模式，同時還對蓄電池的充電過程中進行充電保護，下圖為本設計的結構原理圖。

三、系統設計

1.滅蠅燈的選用

本系統采用蓄電池供電，因此選用的滅蠅燈須為直流電源型。目前市場的同類產品非常多，工作原理大同小異。以自動型農用光譜頻振式殺蟲燈為例，其工作電壓直流12V，功率不大于20瓦，壽命在一萬小時左右。該燈利用紫外光引誘害蟲至光源處，光源外配置高壓電網，電擊害蟲后掉落掉下方的容器中，對大部分常見的害蟲有良好的撲殺作用，且對環境不造成任何影響。

2.電源系統

電源系統由光伏發電模塊、太陽能控制器模塊和蓄電池三部分組成。在本系統選用12v鉛酸電池作為儲能系統，根據系統的工作時間選擇相應的光伏發電面板。夏季蚊蟲的活動習性與天氣有關，天氣炎熱時昆蟲活動頻繁，陰雨天氣時昆蟲活動較少，且夜晚昆蟲的主要活動時間從夜間8點至凌晨5點，共10個小時，為了保證在連續陰雨情況下電池的電量可以至少工作3個夜晚，蓄電池的容量要足夠大，在本系統中選用12V、36AH容量的鉛酸蓄電池。

3.太陽能控制器

太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，在太陽能發電系統中，由它將面板輸出的電力轉換后對蓄電池進行充電，不能將光伏面板的輸出直接接到直流用電設備上，選型時注意根據蓄電池的充電電壓來選擇，本設計中選擇12伏、10安類型的控制器，其充電電流為10安，充電時分為快充和浮充，當電池內電量較低時處在快沖模式，電池充滿后因電池自放電或其他損耗電量略微減少時，處于浮充模式補充電能，該類型產品適用于小型光伏發電系統，在連接過程中注意連接順序，先接蓄電池再接光伏面板輸出端，否則可能燒毀控制器；該產品具有防反接、防過充、防短路的有點，特別適合家用太陽能發電系統。

3.光伏面板

目前市場上的光伏發電產品種類繁多，輸出功率從幾十瓦到數百瓦，輸出電壓按電壓等級從十幾伏到幾十伏不等。光伏面板的選型需根據當地日照情況、電池的容量和太陽能控制器來確定。本設計中選用100瓦的單晶太陽能板，輸出電壓18v、最佳工作電壓6安，輸出電壓滿足太陽能控制器的要求，夏季在光照正常的情況下可在6-8小時內將蓄電池充滿。光伏面板輸出的功率與日照強度、日照時間、氣溫、安裝角度等有關，安裝時需將面板調整至最佳角度。

4.控制系統

控制器在本設計中的主要作用是定時和檢測光照強度，控制器采用單片機，光照強度檢測有集成的模塊可供使用，當前系統處在充電還是放電的狀態由時間和光照強度共同決定，增加定時的作用是為了避免極端天氣下盡管處在白天卻因光照不足錯誤的進入放電狀態，定時可有單片機內部的定時器實現。

5.其他硬件

系統中要有必要的安全保護，例如防雷、防雨及接地等，夏季自然災害較多、工作的條件比較惡劣，系統在安裝時注意安裝強度，避免因狂風、暴雨、雷電、冰雹等強對流天氣照成經濟損失和人員傷害。

四、結束語

近年來人們的環保意識逐步建立，傳統的化學藥劑容易對作物造成污染。采用太陽能滅蚊器能減少病蟲災害，也避免了在農田中安裝供電系統帶來巨大的經濟投入和管理成本，部分農業地區電力系統比較落后，采用太陽能發電可以有效的解決此問題，撲殺的蚊蠅可以作為非常好的蛋白質供魚塘、飼養使用，有助于綠色農業的發展，。本方案也可用于小區綠化帶、公園等地方使用，有很好的應用價值。

參考文獻

[1]金步平 陳哲艮.《家用太陽能光電照明系統》 照明工程學報.2001

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關鍵詞：溫差電池；塞貝克效應；新型節能燃氣灶

1研制背景及意義

目前我國燃氣能源供應日趨緊張，僅就民用及商用燃氣需求而言，全國數以萬計的家庭、酒店、賓館和食堂等每日即需消耗數以萬立方計的燃氣。但傳統的燃氣設備普遍存在燃氣消耗量大，燃燒效率低，環境污染嚴重，熱能有效利用率低下等缺陷。目前，我國環境污染問題十分嚴重，溫室效應十分顯著。如果家用、商用的節能灶大力推廣，可以給國家省下大量的能源，使廢氣排放量大大降低。

目前市場使用的普通節能爐灶，主要通過將傳統燃氣灶多柱火源燃燒改造成單柱懸浮燃燒的方式，使火力均勻分布在鍋底，高溫全部集中于鍋底，其熱量大部分被鍋底吸收，從而減少了熱量損失。但是，即使這樣也會有45%左右的熱量白白損失。而基于溫差電池的新型節能爐灶，是在普通節能爐灶的基礎上，把損失的熱量利用起來，通過風扇鼓風，進一步提高了燃燒效率，這項技術與其他的不同在于實現了能量使用率的最大化。

前蘇聯在1942年研制出世界上首臺溫差發電機，當時的發電效率約為1.5%―2%。此后，隨著各國工業的發展，各領域對電力資源的需求呈幾何增長。因此，溫差發電技術得到巨大發展。從1960年開始，航空航天、軍事以及遠洋探索領域已經運用溫差發電技術。隨著科學技術的進步，其應用領域逐漸拓寬，除了軍事和高科技領域外，民用、輕工業等領域也有了較好的發展。

進入21世紀以來，人類面臨能源枯竭和環境污染的危險，因此，各國對清潔能源和再生能源發電方面研究投入巨大財力和物力，許多成果已經開始商用化。溫差電池的技術性能穩定，有體積小、重量輕、無振動、無噪音等優點。可以方便地安裝在燃氣爐灶上，使燃氣爐灶的節能率、節時率和熱效率都有顯著提高。面對目前能源供應緊張的大趨勢，如果這種基于溫差電池的新型燃氣爐灶可以大力推廣，那么對于國家的經濟、環境等多方面都有巨大的意義。

2 設計方案

2.1基于夭畹緋兀ㄈ貝克效應）的新型節能燃氣灶結構設計

一種基于溫差電池（賽貝克效應）的家用節能爐灶包括溫差電池、整流器、蓄電池、無葉鼓風風扇、普通節能燃氣灶。

2.1.1溫差電池原理

塞貝克效應，英文名稱為Seebeck effect，它是指由于溫度差異而產生的熱電現象。電流的出現方法可以簡要概括為：溫度不同的兩個金屬點相連，組成回路，利用這種方式產生的電流叫做熱電流。金屬的電子逸出功和有效電子密度決定了接觸電勢差，而接觸電勢差的產生源于兩種不同的金屬的互相接觸，這就是塞貝克效應的實質。不同種類的金屬導體接觸時，由于其自由電子密度有差異，電子擴散就會發生在兩種金屬的接觸面上。電子密度和電子的擴散速率有關并和接觸區域的溫度成正比。因此，溫差電池就是利用溫度差異使熱能直接轉化為電能的裝置。

2.1.2整流器

整流器是一種將交流電轉化為直流電的裝置。它除了能給負載供電的功能外，還可以為蓄電池充電。

2.1.3蓄電池

蓄電池是一種把化學能轉化為電能的裝置。首先把電能儲存為化學能，電池沒有電后使其內部活性物質再生，需要時再放電。

2.1.4無葉風扇

無葉電風扇，沒有傳統風扇的扇葉。其原理是從底部的吸風孔先吸入空氣，圓環內部的葉輪把空氣以圓形軌跡噴出，使其噴出空氣的軌跡大致為圓形，利用這種方式產生的空氣流比普通風扇更平穩。不會感到沖擊和刺激。無葉電風扇同時帶有變頻風速大小調節裝置，能耗低，約為普通風扇的50%。通過蓄電池給電，能夠產生穩定的空氣流為燃氣灶鼓進充足空氣讓天然氣充分燃燒，提高燃燒效率。

2.2 溫差電池儲能

所研制的溫差電池儲能系統主要有三部分構成，分別為溫差電池、整流器、蓄電池。在制造便攜電源中，由于半導體在使用壽命以及保護環境等方面擁有巨大優勢，其成為現今溫差電池儲能中的最佳材料。只要保持組件兩面的溫度差異為600℃，就可發出3.5V的電壓，0.6A的電流。在小于180℃的熱面上，發電組件可以穩定的貼在表面上，需要注意的是，應該均勻地給發電組件受熱。此外，為了保證把傳過來的熱量隨時帶走，必須在冷面中安裝散熱片，并采取一些其他的冷卻措施以提高效果，保持組件兩面間的溫差。整流器將輸出值控制在一定范圍之內，由此可以安全便捷地將溫差發電機發出的電能儲存在蓄電池中，蓄電池選擇規格為6V /5A的鋰電池，可以很好地給無葉鼓風風扇提供電力。

2.2.1 溫差節能燃氣灶實驗模型制作詳解

（1）溫差電池儲能系統所使用的溫差電池（圖2）

2.2.2 溫差儲能實驗平臺使用方案

溫差電池儲能系統主要由三部分構成，分別是發電、整流、儲能，當燃氣灶開始工作時，大量的余熱不能充分利用，通過導氣管導出的熱氣作為溫差電池的熱源，利用這些廢熱進行發電，通過整流器整流之后先存儲在蓄電池中，同時由蓄電池為無葉風扇提供電能，源源不斷地鼓進空氣使天然氣更加充分地燃燒。

2.2.3 溫差儲能實驗平臺分析

圖6為元件的原理圖。N型和P型半導體交替排列，每一對半導體的一端放置金屬導體片，另一端連接負載電阻R。當電流在負載電阻上通過時，必須使回路中產生溫差電動勢，即一側的溫度加熱至T1，而另一側加熱至T2時。根據塞貝克定律中α為電動勢率之和，r為兩臂的內阻之和。r=（ρ1/s1+ρ2/s2）中，ρ表示兩臂的電阻率、s表示橫截面積，溫差發電效率的定義是外電路中得到的有用電能與熱源所消耗的能量之比。熱源消耗的能量包括以下幾項：1. 熱端吸收的珀爾帖熱Q1Q1=α2T1（T1-T0）/（R+r） ；2.熱端傳導到冷端的熱量QmQm=K（T1-T0） 3. 溫差電池內，焦耳熱從電流I中流過，其中1/5的熱量轉移到熱端中，從而把功率還給熱源。溫差材料的品質因數為，當R=r時，在最大輸出功率的條件下，溫差電池的效率。

溫差發電機中的品質因數Z由于熱端和冷端溫度和溫差發電材料產生，Z值還對溫度有強烈的依賴性，所以不同的工作溫度需要不同的材料來匹配。我們使用溫差發電材料為PbTe合金，用康銅片連接，其熱端溫度可達600℃。

3 技術經濟分析

從表1可以看出，溫差節能燃氣灶可以大幅度提高燃燒率。可以大大節省時間和金錢，同時對環境的影響和其他兩種燃氣灶相比，具有非常大的優勢。

在我國，每天數以萬計的家庭、酒店、賓館、食堂需消耗數以萬立方計的燃氣，而采用此新型節能燃氣灶，將大大節省燃氣量。目前，中國已成為世界第四大天然庀費國。2015年我國天然氣進口量達900億立方米。據專家預測，我國天然氣消耗量將在未來十年內達到約3310億立方米，成為全球第二大天然氣消費國，占世界總消耗量的7%。面對這種局面，溫差節能燃氣灶的推廣使用，將會給國家節省上百億的資金，對于我國來說，意義十分巨大。

4 創新點及應用

基于溫差電池新型節能燃氣灶，將浪費的熱量轉化為電能儲存起來，供給風扇從而實現給燃氣灶鼓風來提高燃燒效率的目的。與普通的節能燃氣灶相比，它很好的吸收了鍋底吸收不到的那部分熱量，將其有效地利用，通過溫差儲能系統，鼓風，提高燒效率。大大節省了家庭、酒店、食堂等的用氣量。由于有安全、無噪音、穩定等這些優點，無論是家庭還是酒店，食堂都可以放心使用。全國數以萬計的家庭、酒店、賓館和食堂等每天即需消耗數以萬立方計的燃氣，而采用此新型節能燃氣灶，將大大節省燃氣量。從全國范圍來看，可以非常有效地緩解我國用氣緊張的問題。而且可以減少溫室氣體的排放量。

綜上所述，此新型節能燃氣灶的節能方式區別于傳統技術，無論對普通家庭還是酒店，食堂等都可以節省很大一筆開銷。對于國家來說，更是具有非常重要的現實意義。

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關鍵詞：驅動控制；單片機；CPLD；壓電陶瓷

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.055

1 引言

壓電陶瓷式噴墨頭具有可控制，精度高等優點，對于數字噴墨印刷系統噴印質量的提升以及打印速度的加快具有重要意義。壓電式噴墨頭噴出的墨滴大小以及噴射速度和均勻性都會對噴印質量產生影響，壓電陶瓷形變的大小和頻率是決定輸出墨滴性能的主要影響因素，而驅動電源輸出激勵脈沖電壓的大小決定了壓電陶瓷片的形變量；激勵脈沖的頻率影響著陶瓷片的形變速度，因此驅動電源的性能決定了噴墨的質量。本文設計的是基于單片機和CPLD的壓電噴墨頭驅動電源系統，其中單片機和CPLD是核心處理芯片，基于DDS原理產生的數字可控低壓脈沖激勵波形，經集成放大模塊放大后以驅動。

2 驅動電源的硬件設計

該系統以宏晶科技生產的STC89C52RC單片機，Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N CPLD芯片和基于DDS原理的波形生成電路為核心。圖1是驅動電源控制系統結構框圖。

在系統中，單片機作為主要控制器，基于DDS波形生成技術，由單片機和CPLD共同生成控制波形。單片機與計算機系統連接以實現數據通訊，CPLD和DAC在單片機控制下生成低壓的激勵脈沖，經過二階有源低通濾波器濾波后，由PA84放大器將其脈沖放大，按照時序控制要求將高壓脈沖傳送到噴頭接口芯片控制噴頭工作。

2.1 STC89C52RC單片機和EPM240T100C5N CPLD

選用STC89C52RC單片機作為系統核心控制元件，其處理和存儲能力強，運行速度快，可為控制系統提供良好的硬件平臺。STC89C52RC單片機是基于8051的內核發展起來的，主要特性是加密性強不可解密；超強的抗干擾技術；功耗低；具有ISC在線編輯功能。

EPM240T100C5N CPLD芯片具有192個邏輯宏單元，可以滿足我們的開發要求；每一個芯片都內置8Kb的Flash存儲器，其中配置數據在存儲器內部，可進行在線編輯，使得當整個硬件系統設計完成后，計算機還可以通過ISP接口對CPLD進行重新配置。

2.2 基于DDS原理的波形生成電路

DDS指的是直接數字頻率合成技術。DDS具有超高頻率的分辨率；可以根據不同的波形數據形成任意波形。基于DDS原理，使用CPLD進行電路設計的波形生成電路是驅動電源的核心。圖2所示DDS的波形發生電路。由單片機向波形生成電路提供頻率控制字K，通過在一定的范圍內改變K的大小，進而改變脈沖頻率的大小。CPLD模塊生成地址累加器，通過頻率控制字K的變化來改變地址。程序存儲器ROM是用來儲存波形數據的波形存儲器，ROM中存儲著波形的查找表，查找表中的對應地址隨著K值的變化而變化，查找表將地址信息所對應的波形幅度信息傳送到數模轉換芯片，DAC就可以將CPLD所生成的波形數據轉化成模擬波形，之后再經過濾波生成低壓的激勵脈沖。

3 系統硬件設計與實現

為了獲取滿足噴墨頭工作要求的激勵脈沖，需要設計完整的驅動電源硬件。驅動電源硬件系統包括單片機控制單元；波形生成單元；振幅控制單元；液晶顯示單元；濾波單元；高壓放大單元；串口轉換單元；噴墨頭的接口單元。前七個單元組合是為了實現振幅頻率數字可控的高壓激勵脈沖的輸出；最后一個單元可以完成數據信號與高壓脈沖激勵的匹配，處理有關于激勵脈沖的電信號；噴墨頭噴嘴的時序控制。單片機與計算機系統連接以實現數據通訊，主控電路由單片機控制CPLD和DAC生成低壓的激勵脈沖，低壓脈沖經過二階有源低通濾波器進行濾波后，由PA84放大器將其高壓線性放大成高壓脈沖，并送至噴頭驅動芯片，由驅動芯片控制噴墨頭的工作。

4 系統軟件設計與仿真

驅動電源的軟件設計包括在KeliuVison4中使用C語言對單片機的控制；在QuartusII環境中使用硬件描述語言VHDL對CPLD進行控制，以及使用Matlab軟件對CPLD進行數字波形的仿真。

4.1 單片機C語言主程序

單片機程序包含在頭文件#include中，其中包括了單片機的寄存器定義，引腳定義等功能。初始化程序void init（）包括變量和常量的幅值和初值定義；定時中斷的初始化；串口初始化和液晶初始化。液晶顯示函數void display（）是為了在LCD1602顯示振幅和頻率。主程序void main（）是函數的主體。定時中斷函數是為了精準的定位。

4.2 基于VHDL語言的程序流程

圖3為VHDL生成梯形波的程序圖。在使能端有效時，程序執行。當需要的信號都有效時，累加器工作，累加器判斷是否達到規定值M，如果達到，計數值清零，如果沒有，則計數值加上步長K。之后ROM表根據累加器的值對應給出波形數據，并將其傳送到寄存器中，在下一個數據到來時將數據輸出到DAC。

4.3 使用Matlab軟件對CPLD進行數字波形的仿真。

由于QuartusII進行功能仿真后形成的波形不易看出波形的形狀，所以使用Matlab語言將仿真結果轉換成Matlab中的波形曲線。利用QuartusII的表格文件（.tbl文件）仿真，即在功能仿真結束時，將波形文件另存為.tbl文件，然后再使用Matlab編寫程序進行調用。

5 結束語

本文介紹了基于DDS原理，在單片機和CPLD的基礎上的壓電陶瓷噴墨頭電壓驅動電源系統，該設計方案開發周期短，硬件連接簡單，可控行比較好，能夠基本實現壓電陶瓷噴墨頭電源驅動。

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[4]杜曉蘭，吳寶明，王強.PA系列高壓功率放大器在醫學儀器設計和應用中須注意的幾個問題[J].醫療衛生裝備，2004（06）：83-84.

篇9

關鍵詞：道岔、道岔融雪設備、地鐵

中圖分類號：U213.6 文獻標識碼：A 文章編號：

0、引言

地鐵道岔是地鐵線路的重要組成部分，是影響行車安全的關鍵部件。我國北方冬季降雪天氣極易造成地鐵道岔區域安全隱患，如積雪或冰凍可造成基本軌與尖軌不能密貼、尖軌凍結、基本軌與尖軌嚙合凍結，導致道岔無法正常動作，危及行車安全。

傳統的地鐵道岔區清雪工作主要以人工鏟除和清掃為主，但該做法費工耗時、效率低、不安全，同時影響車速及行車間隔。因此，如何高效、安全的解決岔區積雪結冰問題尤為重要。運營單位對道岔除雪措施以及人性化操作提出強烈需求。

15號線作為北京地鐵首例引入道岔融雪設備的工程項目，為地鐵線路的岔區融雪除冰提供了新穎的解決方案，也為后續其他地鐵項目相關設計奠定了基礎。

1、道岔融雪系統設計原則

為確保列車安全、平穩、舒適和準點運行，根據北京市市政府要求，經過現場調研和多次論證，確定率先選擇在15號線以下露天道岔區段加裝融雪裝置：

1）正線高架及地面線折返線、常用道岔區段；

2）車輛段及停車場咽喉道岔、進出段常用道岔。

根據以上設計原則，在北京地鐵15號線一期工程的高架車站后沙峪站北側、馬泉營車輛段、俸伯停車場三處共23組道岔處安裝道岔融雪系統。

2、道岔融雪系統設計

（1）系統組成

15號線道岔融雪設備主要由遠程監控計算機終端、電氣控制柜、隔離變壓器、接線盒、軌溫傳感器、雪傳感器和道岔加熱元件及其配套的電纜和信息通道等構成。

（2）系統功能

道岔電加熱融雪系統具備自動控制功能、手動控制功能、監測功能，可以適合不同環境和不同的使用需求。所有室外控制柜和對應的車站控制室組成監控網絡。

自動控制功能

系統自動檢測環境條件，下雪時融雪設備系統能自動啟動加熱功能。當雪停、道岔處積雪融化后能自動停止加熱。

當系統處于自動模式工作狀態時，系統通過雪傳感器及鐵軌溫度傳感器采集到降雪信息和鐵軌溫度信息后，將信息傳送到電氣控制柜，控制柜把采集到的信息與系統預先設定“門限”值進行比較，當低于系統所設定的“門限”值時，系統自動啟動預設的加熱方案，對需要加熱的道岔進行加熱，當加熱到符合停止加熱條件時，系統自動停止加熱。

操作者可以在自己權限下對系統進行各種操作，例如控制各加熱回路開關、參數設定和改變、系統各種參數和工作狀態的監測。

在后沙峪車站綜控室、車輛段綜合樓、停車場綜合樓設置控制終端，能實現各種遠程操作。控制終端采用壁掛箱結構，使用19寸觸摸式液晶顯示器、嵌入式工控機及實時操作系統來實現自動控制功能。

該設備系統共設置三套融雪裝置控制終端：第一套控制終端位于后沙峪車站綜控室，第二套控制終端位于車輛段綜合樓控制室，第三套控制終端位于停車場綜合樓控制室。每套控制終端獨立設置，三套控制終端之間無數據傳輸和控制要求。

當自動系統出現故障后需要轉到手動控制功能時，系統立即發出聲光報警，提醒值班員。聲光報警可人工投入或撤銷。

手動控制功能

操作者可以將系統切換到手動加熱模式，手動啟動或關閉加熱系統，包括啟動或關閉任意一組道岔加熱。一般情況下該功能在軟件系統出現故障的情況下啟用。操作者可以在融雪裝置控制終端實現遠程加熱功能，也可以在室外就地控制柜上強行打開或關閉整個系統，必要時還能對任意回路進行開關控制，以利于維修人員檢修。

監測功能

降雪狀態及傳感器工作狀態監測；

供電電源的電壓、頻率監測；

總消耗功率、電流監測；

各道岔加熱回路消耗功率監測；

各回路接觸器的工作狀態監測。

系統優先級

在現場將控制柜設置為本地手動狀態，在車站只能查詢運行數據和報警信息，遠程加熱控制此時失效（本地控制優先于遠程控制）；非手動狀態時，可通過遠程控制進行狀態轉換。

5）其他功能

A自動溫度控制功能

加熱后控制柜對鐵軌溫度進行測試，當達到設定溫度后自動停止加熱，低于設定溫度后自動啟動加熱，以此避免電力的浪費和高溫造成的設備提前老化。

B過流、漏電保護功能

控制柜設置了漏電保護開關和過流保護開關，在設備發生故障時可以對設備本身和工作人員進行保護，以免造成更大的損失。

關鍵部件采用了漏電保護器、變壓器保護器和防雷設計，同時對加熱及用電設備進行電流和電壓的監控，當發生突變時，系統自動切斷電源，防止電路起火及燒壞器件，保護設備和人身安全。

C系統擴展功能可根據用戶的特殊要求，在控制系統中預留備用回路。本次融雪工程共安裝4臺室外機柜（馬泉營設置2臺），每臺機柜均預留了2個回路。例如后沙峪站，有6組道岔需要安裝融雪設備，控制系統按8組道岔（實用6組、預留2組）進行設計和控制。

D遠程設置與修改控制柜參數功能

在車站終端應能設置或修改各種參數（如下雪、雪停門限值等）。

（3）工作原理

道岔融雪系統是根據就地設置的氣象站實時監控，通過控制端自動判斷，實現全自動化道岔融雪控制。從而有效地節約人力資源，提高了工作效率、確保行車安全，是地鐵車輛安全運營很好的輔助設施。

降雪時，系統進入加熱狀態的情況。雪在傳感器的表面融化成水，傳感器檢測到模擬量變化，將數據發送給主控制模塊，并且將溫度和濕度數據發送給主控制模塊，主控制模塊根據用戶設置的溫度門限值判斷下雪狀態溫度是否滿足融雪條件，如果滿足則進入加熱狀態。

不下雪時系統進入加熱狀態的情況。當環境溫度較低，空氣濕度很大時，有些地方可能會出現鋼軌結霜或者凍雨現象，此時，道岔也需要加熱。用戶可根據當地的實際情況設置啟動加熱的溫濕度門限，系統將根據門限自動進入加熱狀態。加熱過程，軌溫保持恒定溫度。當系統進入加熱過程，軌溫傳感器將鋼軌溫度的實時數據發送給主控制模塊，主控制模塊根據用戶設置接通或斷開加熱回路，使鋼軌維持在可以融雪的溫度范圍，以達到節能效果。

設計降雪結束后系統延時加熱功能。降雪結束后鋼軌上的積雪不會立刻融化，設置停雪后的加熱延時時間，系統可以自動判斷并且按照設置的延時時間進行延時加熱。雪停后檢測鋼軌上積雪。雪停后系統進入停止加熱狀態，當鋼軌上傳感器檢測到有雪時，重新進入加熱狀態，按照設定的延時時間進行延時加熱。

道岔融雪系統電氣防護。道岔融雪的電加熱元件安裝于道岔的尖軌處，可以防止對軌道電路的干擾；融雪設備電路均采用隔離變壓器進行隔離，從而確保安全。

此設計方案力求在國際領先水平下保證安全可靠。該設備系統使用的道岔融雪設備是采用被國際上認可的新技術——電加熱方式，在基本軌軌腰安裝直型加熱元件方案，此方式安裝簡便，對工務養護作業基本無影響。道岔融雪設備加熱元件采用U型固定，通過防松螺母和儲能彈簧固定，安裝在尖軌和基本軌嚙合后的縫隙處，經現場試驗對尖軌和基本軌嚙合無影響。

該設備系統設計所采用的道岔融雪設備除加熱條材料以外均為我國自主研發生產的產品。

3、結束語

作為北京地鐵首例引入道岔融雪設備的工程，15號線有效的節約了人力資源，實現道岔融雪的全自動化控制，適應于現代軌道交通高速、安全和自動化的要求。

該設備系統于2011年10月底在北京地鐵15號線安裝調試完成并投入應用，經兩個冬季考驗，發現其系統運轉穩定可靠，操控方便，融雪效果明顯。23組道岔均未發現異常，未發生因冰雪引發的行車事故。

道岔融雪設備是北京軌道交通道岔融雪領域引入的新技術，其設計起到里程碑作用，為道岔結冰積雪處理提供了最新的、有效的處理方案，為其他線路建設提供了范例，有效節約了運營管理成本，化解了困擾運營單位多年的冰雪季運營維護難題，實現了地鐵道岔除雪除冰全自動化，有效化解了北京地鐵在冰雪季節由于天氣因素而無法保證客運密度的難題。通過在15號線的工作檢驗，目前該套設備已經在北京市其他新建地鐵線路設計上進行了推廣。

參考文獻

[1] 樊福軍.科技創新導報：淺談地鐵道岔融雪系統和施工. 科技創新導報編輯部，2012 N.34

[2] 李炎鋒 胡世陽 武海琴 李俊梅 侯隆澍.北京工業大學學報：發熱電纜用于路面融雪化冰的模型. 北京工業大學，2008年12期

作者：申樟虹

篇10

【關鍵詞】礦井；供電；綜合自動化；

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

一、前言

文章對煤礦井下供電系統運行方式的技術要求進行了介紹，對礦井供電系統的自動化設計原則進行了闡述，通過分析，并結合自身實踐經驗和相關理論知識，對實現礦井井下供電綜合自動化的措施進行了探討。

二、煤礦井下供電系統運行方式的技術要求

國家安全生產監督管理局、國家煤礦安全監察局頒發的《煤礦安全規程》中，第441、442條中明確規定，不僅井上需采取兩回路電源供電運行方式，同時還將兩回路供電運行方式技術規定延伸到井下采區變（配）電所中，這樣可以確保井下供電系統運行的安全可靠性。同時，要求向局部通風機供電的井下變（配）電所必須采用分列運行方式等，這樣可以確保井下通風系統運行的安全可靠性。井下兩回路供電電源采取并列運行，即按照一用一備和分列運行方式進行供電。另外，要結合井下采區供電機電設備的種類和負荷等級，確定合理的供電方案和運行方式，提高礦井安全生產水平，確保井下作業安全可靠、節能經濟的高效穩定進行。

三、礦井供電系統的自動化設計原則

1.在保證供電安全可靠的前提下，力求所用的開關、啟動器和電纜等設備最少。

2.原則上一臺啟動器只控制一臺低壓設備；一臺高壓配電箱僅控制一個變壓器。當高壓配電箱或低壓啟動器3臺及以上時，應設置進線開關。采區為雙電源供電時，應設置2臺進線高壓配電箱。

3.當采區變電所的動力變壓器多于一臺時，應合理分配變壓器的負荷，原則上一臺變壓器負擔一個工作面的用電設備，且變壓器最好不并聯運行。

4.由工作面配電點到各用電設備宜采用放射式供電，上山及順槽的輸送機宜采用干線式供電。供電線路應走最短的路線，但應注意回采工作面（機采除外）、軌道上下山等處不應敷設電纜，溜放礦石、矸、材料的溜道中嚴禁敷設電纜，并盡量避免回頭供電。

5.大容量設備的啟動器應靠近配電點的進線端，以減小啟動器間電纜的截面。

6.局部通風機無論在工作或交接班時都不準停風，因此設置雙電源雙專供的風機供電系統，采區變電所內分別由兩臺接在不同母線上的高壓配電箱進行供電，兩趟線路上分別設置專用變壓器及專用開關，分別給兩臺風機供電，并將風機進行編號管理，1#風機和2#風機，進行單雙日切換，單日開單號機，雙日開雙號機，每日進行切換，當其中一臺風機因故障停機時另一臺風機能夠自動啟動向工作面供風，以防止工作面停風。

四、實現礦井井下供電綜合自動化的措施

1.改造高壓供電系統：（1）將富力供電中心以前使用的SNI型斷路器改為ZN28-10型斷路器，ZN28-10型斷路器以其中封式縱磁場真空滅弧室為顯著特點，在很大程度上增加了高壓開關自我保護的直來那個和性能，同時也提高了斷路器的斷流效果，通過計算可以發現該短路器的斷流次數可達25次，機械壽命在一萬次左右，具有十分優良的性能。（2）采用CT19型彈簧操作機構：CT19型彈簧操作機構的儲能方式具有自動和人工兩種方式，儲能時間較小，合分閘同樣有自動和手動兩種方式供選擇，同時該機構的結構比較簡單，功能比較好，是改造供電系統的質量的有效設備之一。

2.改變接地方式：將使用的變壓器改為SJD9型接地變壓器，該變壓器能夠以Z型繞組方式提供一個中性接地點，并且具有零序阻抗低的特點，這使得當變壓器工作時，大部分的電壓都加在變壓器的線圈上，增加其電壓補償能力，另外，SJD9型變壓器的二次側裝的繞組與三角形的狀態呈現，是整個繞組具有穩定性，在很大程度上降低采樣信號以及外界信號對供電系統的干擾。（2）采用XHDZ型消弧線圈，它的工作性能穩定，可操作性強，且跟蹤速度快，便于供電工作的完成。另外將開關改為DYZ型，DYZ型開關具有開關電壓高，轉換速度快，開快檔位多等特點將其與XHDZ型消弧線圈配合使用，可大大提高供電系統的供電效果。

3.改變選線裝置：應該選取在6KV中性點不接地或經電阻接地的選線系統，另外選線系統往往應該在小電流接地的條件下工作，但是小電流工作系統在發生故障的時候會使得所有有對地電容的電路上都有零序電流流過，這類電流具有小且散的特點，這給接地線路帶來了一定的麻煩，再加上消弧線圈的影響就會使難度進一步加深。（2）在發生此類故障時應該及時的對發生故障的線路進行同步采樣，并對采樣的結果進行合理的分析，在分析的基礎上對故障進行判斷，選取適當的解決辦法。值得注意的是分析時要結合信號幅值和相位的大小以及變化程度，綜合分析之后在選取解決策略。

五、提高煤礦井下供電安全可靠性的技術措施

1.提高井下供電可靠性

當煤礦井下一類負荷出現供電中斷時，將會引起嚴重的人身傷亡、設備損壞事故，不僅給煤礦帶來巨大的經濟損失，同時還會造成巨大社會負面影響。所以，必須保證井下供電的安全可靠性，每一礦井均必須采取兩回電源進行供電，且對于通風系統、排水系統、立井提升系統等一類負荷，必須從井下變（配）電所中采取兩路互為備用電源進行供電。井下供電雙回電源回路，必須引自不同的發電廠或變電所，并配置完善可靠的自動切換裝置，一旦工作電源回路出現故障，則會通過自動切換裝置自動切換到備用電源回路，快速恢復供電，確保井下作業的安全可靠性。為了確保井下供電的安全性和可靠性，井下供電的兩回電源回路應單獨設置，不得與其他負荷進行分接共用。

2.完善繼電保護設備系統

完善井下供電繼電保護方案，改善繼電保護裝置系統，提高供電系統故障或事故工況下動作選擇性、可靠性和速動性。井下高壓電動機、動力變壓器等高壓動力設備、控制設備等，均需按照要求設置短路、過負荷、接地和欠壓釋放等保護功能。煤礦應根據井下作業用電負荷類型、保護等級、分布位置、使用頻率等實際情況，有針對性地進行井下供電系統繼電保護方案的優化設計，同時應采取各種先進的技術措施、設備裝置等，提高井下供電的安全可靠性，減少供電故障或事故影響范圍，同時提高故障或事故排除速度，確保井下供電的安全可靠性。

3.變電站自動化系統中的幾種新型綜合保護裝置

電氣控制與保護領域高速發展，從熱電磁到電子智能保護，從PCS、ACS、CCS、DCS系統NFCS現場總線，己走向了系統化和智能化。目前電力系統中微機保護得到普遍應用，國外典型的有美國SEL公司的SEL-279、SEL-321型，GE公司的ALPS型，德國西門子公司的7sA531型微機保護裝置等；國內有南自廠的WXB系列，南瑞繼保集團的RCS系列，北京德威特集團的DVP-600系列，以及許繼集團、南京因泰萊、陜西銀河等都有成熟的自動化保護系統；煤礦系統在用的還有北京順城電子公司的KJ67、煤科總院常州自動化所的KJ36電力監控系統等。

4.對礦用新型綜合保護裝置的建議

變電站綜合自動化系統將在煤礦逐步推廣應用。由于井下開關設備種類比較復雜，結構多種多樣，空間非常狹小且要隔爆。故新型綜合保護裝置必須體積小，有標準的插接接口。保護模塊應具有性能優、可靠性高、靈活性強、調試維護方便、性價比好、多功能化等特點。采用開放式軟硬件系統、嵌入分布式結構與多CPU并行工作方式，豐富人機對話功能確保煤礦供電設備的安全運轉。

六、結束語

礦井下生產的危險系數，相對于其他行業來說，是非常高的。加強礦井供電自動化設計，提高供電穩定性和安全系數，是一個非常迫切且重要的任務，需要投入更多的精力才行。

參考文獻：

[l]金竹廣煤礦井下采區變電站綜合自動化設計方案[J]工礦自動化，2005（2）