基于開(kāi)關(guān)電源的模塊的設(shè)計(jì)

  0 引言

  隨著我國(guó)科技生產(chǎn)水平的不斷提高，各行各業(yè)對(duì)供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而智能高頻開(kāi)關(guān)電源作為一種繼電保護(hù)裝置和控制回路裝置，為生活和生產(chǎn)中的供電的可靠性提供了有力的保障。當(dāng)市電供電中斷時(shí)還可以作為后備電源，所以說(shuō)智能高頻開(kāi)關(guān)電源是對(duì)供電質(zhì)量保證的重要組成部分之一。它具有高度靈活組合、自主監(jiān)控的特點(diǎn)，另外可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好且具有體積小、噪聲低、節(jié)能高效、維護(hù)方便等也是它的一大優(yōu)點(diǎn)。

  可以說(shuō)智能高頻開(kāi)關(guān)電源是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)診斷、自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)控制。本文主要闡述的是智能高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊的設(shè)計(jì)方案。

  1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)介紹

  智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主監(jiān)控單元、配電模塊、交流配電單元、整流模塊等組成，系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)中的各個(gè)監(jiān)控單元受主監(jiān)控單元的管理和控制，通過(guò)通信線將各個(gè)監(jiān)控單元采集的信息送給主監(jiān)控統(tǒng)一管理。主監(jiān)控顯示直流系統(tǒng)各種信息，用戶也可以觸摸顯示屏查詢信息及操作，系統(tǒng)信息還可以接入到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。系統(tǒng)除了交流監(jiān)控、直流監(jiān)控、開(kāi)關(guān)量監(jiān)控等基礎(chǔ)單位外，還配置了絕緣監(jiān)測(cè)、降壓裝置、電池巡檢等功能單元，以達(dá)到對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控的目的。

   圖1 系統(tǒng)控制原理圖

  工作時(shí)兩路市電（交流）經(jīng)過(guò)交流切換裝置輸入一路交流，給各個(gè)整流模塊供電。整流模塊將輸入三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，給備用電源（蓄電池）充電，同時(shí)也給合閘母線負(fù)載供電，另外合閘母線通過(guò)降壓裝置給控制母線供電。所以說(shuō)本文設(shè)計(jì)的整流模塊是將整流和充電兩項(xiàng)功能結(jié)合于一體的一種新型的整流模塊。

  2 整流模塊的設(shè)計(jì)

  整流模塊是智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，關(guān)系到系統(tǒng)的直流電壓輸出和工作時(shí)電壓輸出的穩(wěn)定狀況。本文的設(shè)計(jì)主要是對(duì)模塊整流原理的改進(jìn)和完善，利用無(wú)源PFC和DC/DC變換器的原理，使得改進(jìn)后的模塊能夠有效完成整流作用。

  本文設(shè)計(jì)的整流模塊的工作原理框圖如圖2所示，工作時(shí)，模塊首先通過(guò)過(guò)防雷處理和濾波對(duì)輸入的三相交流進(jìn)行處理，這樣才能保證模塊后級(jí)電路的安全；經(jīng)過(guò)處理后的三相交流經(jīng)過(guò)整流和無(wú)源PFC后轉(zhuǎn)換成高壓直流時(shí)，這時(shí)轉(zhuǎn)換的高壓直流要經(jīng)過(guò)DC/DC變換器再次轉(zhuǎn)換成可變的直流電壓輸出；另外模塊控制部分還有負(fù)責(zé)過(guò)壓、過(guò)流以及短路保護(hù)等作用，這樣才能保證輸出電壓的穩(wěn)定，也同時(shí)能對(duì)模塊各部件進(jìn)行保護(hù)。模塊還在遠(yuǎn)程監(jiān)控中提供了 四遙（遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙信）接口。

    圖2 整流模塊的的工作原理圖{#page#}

  即功率因數(shù)校正（Power Factor Correct ion，PFC）是指有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。無(wú)源PFC是指不使用晶體管等一些有源器件組成的校正電路，一般情況下由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源器材組成。本文的PFC主要是在整流橋堆和濾波電容之間加1個(gè)電感，具體原理如圖3所示，利用電感上的電流不能突變的特性來(lái)平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動(dòng)，改善電路中電流的畸變，并且利用電感上的電壓超前于電流這一特性來(lái)補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數(shù)和電磁干擾都得以改善。

  這種方式只是一種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償措施，只能做到抑制電流瞬時(shí)突變的目的，但電流畸變的校正及功率因數(shù)的補(bǔ)償能力都很差。

  DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，同時(shí)可以收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20%~30%的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓作用，還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

  圖3 無(wú)源PFC原理圖

  本文的DC/DC變換器采用雙管正激式DC/DC變換器，它的原理如圖4所示，變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)無(wú)再有復(fù)位繞組，因?yàn)閂D1，VD2的導(dǎo)通限制了兩個(gè)調(diào)整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD3和一個(gè)續(xù)流二極管VD4（VD3，VD4最好均選用恢復(fù)時(shí)間快的整流管）。輸出濾波電容CO應(yīng)選擇低、大容量的電容，這樣有利于降低紋波電壓。雙管正激式DC/DC變換器的工作特點(diǎn)如下：

  （1）在任何工作條件下，為使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過(guò)UIN，Ud（UIN為輸入電壓；Ud為VD1，VD2的正向壓降），VD1，VD2必須是快恢復(fù)管，其在實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試中恢復(fù)時(shí)間越短越好。

  （2）與單端正激式DC/DC變換器相比，它無(wú)須復(fù)位電路，這有利于簡(jiǎn)化電路和變壓器的設(shè)計(jì)；它的功率器件可選擇較低的耐壓值；它功率等級(jí)也會(huì)很大。

  （3）兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)一致，會(huì)同時(shí)處于通態(tài)或斷態(tài)。所以使用在智能高頻開(kāi)關(guān)電源這樣大功率等級(jí)電源中比較適合。

  圖4 雙管正激式DC/DC變換器的電路圖

  平滑濾波原理：整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電，但其中含有大量的交流成分（稱(chēng)為紋波電壓）。為了獲得平滑的直流電壓，應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，以濾去交流部分。此時(shí)在橋式整流電路輸出端與負(fù)載之間并聯(lián)一個(gè)大電容，采用電容濾波后使二極管得到的時(shí)間縮短，由于電容CO充電的瞬時(shí)電流較大，形成了浪涌電流，容易損壞二極管，故在選擇二極管時(shí)，必須留有足夠的電流裕量，以免燒壞。{#page#}

  3 整流模塊的功能介紹

  整流模塊除了能將輸入的交流（380V、50Hz）變換成額定的直流輸出（5A/230V）之外，還具有保護(hù)功能和設(shè)置功能，現(xiàn)將模塊的保護(hù)功能和設(shè)置功能介紹如下：

  3.1 保護(hù)功能介紹

  （1）輸出過(guò)壓保護(hù)。輸出電壓過(guò)高會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成重大事故，為杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生，在模塊內(nèi)部設(shè)有過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓后模塊自動(dòng)鎖定，同時(shí)模塊的故障指示燈亮，模塊自動(dòng)退出工作狀態(tài)，從而不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

  （2）輸出限流保護(hù)。因?yàn)槊總€(gè)整流模塊的輸出功率受到限制，輸出的電流不能過(guò)大。因此，對(duì)每個(gè)模塊的輸出電流最大限制為額定輸出電流的1.2倍，如果超出負(fù)載，模塊自動(dòng)調(diào)低輸出電壓以達(dá)到保護(hù)模塊的功能。

  （3）短路保護(hù)。整流模塊的輸出特性如圖5所示，輸出短路時(shí)模塊在瞬間把輸出電壓拉低到零，限制短路電流在限流點(diǎn)之下，此時(shí)模塊輸出功率很小，以達(dá)到保護(hù)模塊的目的，這樣模塊長(zhǎng)期可以長(zhǎng)期工作在短路狀態(tài)而不至于損壞，同時(shí)當(dāng)故障排除后模塊可以自動(dòng)恢復(fù)工作。

  圖5 整流模塊輸出特性

  （4）模塊并聯(lián)保護(hù)。每個(gè)模塊內(nèi)部均有并聯(lián)保護(hù)電路，可以保證模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)退出系統(tǒng)，從而不影響其他正常模塊的工作。模塊并聯(lián)輸出示意圖如圖6所示。

  圖6 模塊并聯(lián)輸出示意圖

  （5）過(guò)溫保護(hù)。模塊的過(guò)溫保護(hù)主要是保護(hù)大功率變流器件，這些器件的結(jié)溫和電流過(guò)載能力均有安全極限值，正常工作的情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)留有足夠余量，但在一些特殊條件下，如環(huán)境溫度過(guò)高、風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)燈情況下，模塊檢測(cè)散熱器溫度超過(guò)一定值時(shí)，就會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)，當(dāng)溫度降低到能夠正常工作的溫度值時(shí)模塊才自動(dòng)啟動(dòng)。

  （6）過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)主要是保護(hù)大功率變流器件，在變流的每一個(gè)周期，如果通過(guò)的電流超過(guò)器件承受的電流，模塊就會(huì)關(guān)閉功率器件，以達(dá)到保護(hù)功率器件的目的。{#page#}

  3.2 調(diào)節(jié)功能介紹

  （1）電壓調(diào)節(jié)功能。模塊的電壓調(diào)節(jié)主要是指輸出電壓的調(diào)節(jié)，在模塊的輸出端設(shè)有電壓調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)模塊和監(jiān)控單元相連接時(shí)，輸出電壓也可以由監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定，這時(shí)電位器調(diào)節(jié)無(wú)效。

  （2）測(cè)量功能。模塊的測(cè)量功能主要是測(cè)量模塊的輸出電壓和電流以及模塊的工作狀態(tài)，并通過(guò)LCD顯示，可以使用戶直觀方便的了解模塊和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

  （3）遙控功能。遙控：控制模塊的開(kāi)/關(guān)機(jī)狀態(tài)，以及備用電源（蓄電池）的均/浮充狀態(tài)；遙調(diào)：對(duì)輸出電壓和輸出電流的調(diào)節(jié)控制；遙測(cè)：可以在模塊工作時(shí)測(cè)量輸出電流和輸出電壓的值；遙信：通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測(cè)模塊的工作狀態(tài)。

  4 結(jié)語(yǔ)

  本文主要對(duì)智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的整流模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)與研究，利用無(wú)源PFC電路的原理，改善電路中電流的畸變，外加DC/DC變換器抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲，體現(xiàn)了智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中整流模塊的優(yōu)點(diǎn)，適用于鐵路、礦山等變電場(chǎng)所。該系統(tǒng)雖然能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行交流變換，但是在對(duì)備用電源充電時(shí)的均勻性方面都比較弱，同時(shí)成本也比較高，同時(shí)在防雷濾波方面的改進(jìn)也不是很完善，所以還要在這些方面進(jìn)一步的改善和提高。