直流开关电源范文

直流开关电源范文（精选12篇）

直流开关电源 第1篇

一、直流开关电源基本工作原理

开关电源一般大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路、保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。下图是典型的直流开关电源原理图

它的基本工作原理：

1．输入电路：

线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。

作用：把输入的交流市电进行滤波(抑制谐波、噪声、浪涌电流等)，再通过整流电路转化为符合要求的直流电。

2．逆变电路：

含开关电路、输出隔离(变压器)电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出，可以在输出端得到一个在一定范围内可调节的输出电压值，同时还可以起到一定的稳压的效果。

3．控制电路：

向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。

基准电路：提供电压基准。

采样电路：采取输出电压的全部或部分。

比较放大：把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。

V/F变换：把误差电压信号转换为频率信号。

振荡器：产生高频振荡波。

基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。

4．输出电路：整流、滤波。

把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。

二、直流开关电源维护：

1.直流开关电源一般为模块式结构。他的每一个模块可带一定的负载量。一般在选购开关电源时要根据设备负载以及蓄电池容量选择模块数量做N+1备份并联。模块共同分担负荷，考虑到模块损坏情况，每个模块带负荷后宜工作在60%负载量左右，这样可以在某一模块损坏后由其他模块分担他的负荷。

此外，在开关电源及设备间加装一个列头柜可以对开关电源起到一定的保护作用以及在市电断电的情况下更灵活有效的利用蓄电池的电量。

2.开关电源通过监控模块，对设备开关量、模拟量的采集设定与控制、上下线值设定等，并通过通讯接口实现交流、直流、模块单元的数据采集上传到动力监控中心。

由于通讯直流设备一般采用-48V正极接地系统供电模式，正常工作状态是开关电源模块输出的DC53.5V。电源给负载供电的同时，还要给电池组进行浮充(电池的自放电的原因)浮充电压设定值是参照电池组单体电池提供的浮充电压值计算得出的，一般为：2.23V×24=53.5V, (2.23V为单体电池电压浮充值)平时蓄电池处于全浮充状态，此种充电模式只是为了弥补电池组自身放电的损失，电流很小一般几个安培以下，由模块输出电能供给负载。根据电池的要求还应要每季度给电池组进行一次放电均充，来提高电池的性能。

3.当市电停电时，负载由并联在直流输出母线上的电池组保持不间断供电，电池组的能量随时间逐渐的下降，开关电源模块处于停机状态。一段时间后，市电恢复，模块单元自动投入，而此时模块所带的负载是负载上的电流和由于电池组放电需要给电池组充电的电流，因此这时的负载电流比正常值大许多，会对配电系统产生很大的电流冲击。此时模块组并不是立即向负载输出电流，而是首先跟踪电池组电压值与电池组共同分担负载供电，按着一定设定时间比例逐渐平滑的转为模块供电输出，从而避免了对市电配电系统的冲击。

4.模块单元自身拥有完善的控制与保护功能：短路、过载、超限、自动均流等。同时依照电池组的要求，从监控模块进行参数设定：如均充时间、一次下电、二次下电、电池组电压终结保护(单体电池电压为1.8V)、温度补偿(75mv/℃).

5.开关电源因工作频率较高，并且使用了大量的电子元器件, 在工作过程中会产生一定的热损耗，使模块温度上升。过高的温度不仅会影响模块的寿命，而且会导致模块的性能和可靠性降低。因此开关电源对环境的要求很苛刻。不仅要选择合适的散热方式，还要定时清理散热孔和防尘网;定期检查电子元件的外观、性能，及时更换。

6.铅酸蓄电池组的定期巡检也十分必要。蓄电池组是通讯直流不间断供电系统最重要的保障。过温、过充、过放都会缩短电池的正常的使用寿命。维护工作中定期使用电池内阻测试仪(或直流电压万用表)进行检测，对在浮充状态下电压超出规格的或者存在漏液现象的电池进行更换，更换的电池要保证在浮充和均充状态下电压与其他电池的电压一致。

7.合理的布线、三点接地保护、必要的屏蔽、对抗电磁干扰都能起到不错的效果。

蓄电池组是设备体系的第二颗“心脏”，而开关电源就是这颗心脏的主动脉。为了不让它发生“栓塞”，一定要对它进行合理的维护，保障整套设备的稳定安全运行。

参考文献

[1]《技师论文直流开关电源》

《直流稳压电源》教案 第2篇

教学目标：

1、知识目标

掌握直流稳压电源的作用和结构 掌握整流电路的工作原理

2、能力目标

培养学生的观察、分析等逻辑思维能力

3、情感目标

通过对问题的分析，体验逻辑分析的乐趣，提高学生对生活对学习的积极性 重点难点：

学生能准确判断分析出事物之间的联系和转化 能自己分析电路的工作过程及波形变化 教法分析：

任务驱动法、教师引导法、自由讨论法、演示法 教学过程（45分钟）

一、问题导入 ：提出问题，引导学生思考 1.如手机等可携带电器用什么电源？ 2.没电时怎么办？ 3.充电器的作用是什么？

4.充电电源与充电器送出的电有何不同？

运用讨论法、引导法，活跃学生思维，引导学生思考，从而引出课题

二、引出课题 a。直流稳压电源

实现将电力系统交流电转变为稳定直流电的设备 b。交流电源与稳压电源区别（波形区分）

三、电路分析：直流稳压电源结构 怎样才能把交流电变为低压直流电？ 教师演示法，学生得出结论

四、桥式整流电路用可变换极性的直流电源来代替交流电源

1、回忆二极管的单向导电性

2、呈现整流电路图

3、将变压器换成直流电源

4、学生讨论电流的流通路径

当直流电源上正下负时，分析电流路径及负载上电流方向

当直流电源下正上负时，分析电流路径及负载上电流方向

得出结论：

1、四个二极管分两组在正负半波时两两导通，使得负载上一直有固定方向电流流过，实现了整流效果。

2、波形变化

3、参数计算

输出电压：UL= 0.9 U2 输出电流：IL=UL/RL 二极管电压：URM=1.414U2

五、思考巩固

1.D1短路时电路整流结果如何?

2.四个整流二极管全部接反结果如何?

板书设计、布置作业

0～500V直流稳压电源 第3篇

电路原理

整机电路如图1所示。主输出电路由晶闸管预调压电路和晶体管线性调整电路串联而成。

1.主输出电路原理 主电路的输出回路见附图中粗实线。B2为升压型高压变压器，初级输入220V，次级升压至560V，次级额定输出电流大于5A。B2次级输出的交流电压经晶闸管SCR301、SCR302全波整流、C303、C304、L301滤波后产生一直流电压U2，晶闸管的导通角受控后可在0~180°范围内调整，因此U2的输出电压范围很宽，约数伏到500多伏。变压器B301为一个多绕组的变压器，其中次级16V绕组的额定输出电流大于5A，其它次级绕组的电流大于1A即可。次级16V绕组输出的电压经全桥ZL201整流、C201滤波后，产生出约20V的低电压U1。大家可以看出，U1与U2是串联叠加的。由于二极管D304的箝位作用，加在线性调整管Q301、Q302的c、e极两端的最大电压不会超过U1的值。因此输出电压UO由U1+U2串联升压后再经Q301、Q302线性稳压后产生。Q301、Q302承受的最高电压不超过20V，即使输出电流达5A时，最大功耗也才100W，只要加上合适的散热器，完全在安全工作范围内。而Q301、Q302则处于开关状态，功耗也不大，再加上使用了大电流高耐压的单向晶闸管（25A/1200V），因此整个系统的可靠性非常高。

2.晶闸管移相触发脉冲产生电路

B301的次级双14V绕组电压经D101、D103全波整流后，形成100Hz的脉动波加至IC101A的同相输入端。IC102稳压产生12V的稳定工作电压，该电压由R103、R104、R105串联支路分压产生1.5V、0.5V两个参考电压。其中0.5V参考电压加至IC101A的反相输入端，1.5V参考电压加至IC101B的同相输入端。IC101A为一电压比较器，由其将100Hz脉动波整形成前后沿陡峭的矩形波（占空比接近100%）。IC101B构成积分器电路，它将矩形波转换成线性良好的锯齿波。IC101C也为一电压比较器，这里它构成了脉冲宽度调制器，IC101C的反相端加入锯齿波，同相端则加入调制电压信号。当同相端的电压升高时，IC101C输出的脉冲占空比升高。反之则降低。

3.基准电压产生电路 B301的次级18V绕组电压经桥式整流滤波后，产生约20V的非稳定电压，该电压供IC2工作。D107为9V的稳压二极管，它产生一精确的基准电压，经IC2C变换成14V稳定参考电压。

4.比较放大器 IC102D构成电压比较放大器（实际上为一跟随器）。VR301为调节输出电压的主电位器，VR302、VR102等构成补偿电路，调节VR301后，即可改变加于IC102D同相端的参考电压。调整过程如下：当某种原因（如温漂）使Q302的发射极电压上升时，经1R27、FL301、R125后反馈回IC102D的反相端，进而使IC102D的输出电压下降，Q302趋于截止，使Q302的发射极电压恢复正常。

5.限流保护电路 IC102B、电流取样电阻1R27、FL301等构成保护电路。VR303为调节限流的主电位器，VR101为补偿电位器。IC102B的同相端加一稳定的参考电压，而反相端则加上由1R27、FL301电流取样后转换出的电压。一旦过流，IC102B的反相端电压大于同相端电压，IC102B输出低电平，经D111后使Q301、Q302截止，同时使Q201导通，通过光耦N201后使Q202、Q203导通，蜂鸣器FM301报警，单稳电路IC201动作，J302吸合（当K303闭合时）切断输出主回路。同时J302的另一副触点闭合自保，维持J302吸合。

6.晶闸管的预调压 IC101C产生的PWM脉冲信号，经Q101、Q102、Q103电流放大后，加于SCR301、SCR302的门极上进行移相触发，进而控制其导通角，实现晶闸管在大范围内进行预调压。调整过程如下：有某种因素使输出电压Uo↓→Q301、Q302的基极电流Ib↑→Q301、Q302的c、e极电压Uce↓→Q104的基极电流Ib↓→Q104的c、e极电压Uce↑→IC101C输出的矩形波占空比↑→SCR301、 SCR302导通角↑→预调电压U1↑→Uo↑恢复正常。

7.其它 IC202、IC203稳压产生的两组5V电源供数字电流表及数字电压表工作所用。电路中A为三位半电流表，V为四位半电压表，M301为冷却风扇， FL301锰铜丝制成的电流表取样电阻。

元件选用

变压器B2的次级绕组额定电流应达5A。变压器B301的次级16V绕组额定电流也应达5A，其它次级绕组的额定电流有1A就可以了。

晶闸管SCR301、SCR302选25A/1200V。V301~V305为25A/1200V整流二极管，它们均需安装在合适的铝质散热器上。C301~C306、C310~C311应选进口高品质铝电解电容器。VR301、VR303为多圈式精密线绕电位器。其它元件均按图中标示选用。

主要技术特点

本电源的输出电压为0~500V直流（连续可调）；输出电流为0~3A直流（连续可调）；按键AN301按下时，调节VR303用于设定最大输出电流（从电流表显示）；开关K303闭合时，若过流即切断输出，否则只进行蜂鸣器报警。

直流开关电源的新技术应用与发展 第4篇

高频开关整流器一般是先将交流电直接经二极管整流、滤波成直流电,再经过开关电源变换成高频交流电,通过高频变压器变压隔离后,由快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出,见图1。

1.1 主电路

从交流电网输入、直流输出的全过程,包括:

(1) 输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

(2) 整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源。

(3) 功率因数校正:位于整流滤波和逆变之间,为了消除由整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗来提升功率因数。

(4) 逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。

(5) 输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。

1.2 控制电路

一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。

1.3 检测电路

除了提供保护电路中正在运行中各种参数外,还提供各种显示仪表数据供值班人员观察、记录。

1.4 辅助电源

提供开关整流器本身所有电路工作所需的各种不同要求的电源(交直流各种等级的电压电源)。

2 典型应用

广州基仕域(POWEC)智能型高频开关电源介绍。

2.1 QPS11/10系统的工作原理

该系统的工作原理是整流模块把交流输入变成直流输出,然后送到由汇流排并联的直流配电模块和电池熔丝模块,经配电模块内部分路开关或熔丝输出,向负载供电,同时亦对电池充电。当市电中断时,由电池向负载供电。控制模块通过RS485与告警模块及整流模块通讯。而数据测量、采集则由告警模块负责,其对象包括市电、直流配电模块、电池熔丝模块和电池等。系统工作时,控制模块监视系统的各种状态,调整其参数,自动执行预定的各项任务。系统异常时发出告警信号,经由告警模块输出并显示在控制模块上。其系统原理见图1:

2.2 组成系统各模块介绍

2.2.1 整流模块

POWEC整流模块是采用调频谐振技术,具备功率因数补偿的插入式模块化、智能化整流器,简称PMP(Powec Modular Power)。

PMP11.48SIC是一种具有功率因数补偿的插入式模块化整流器,它采用高频谐振开关技术,特别适用于电信领域。输入:205～250 V 交流电±10%,输出:48 V直流,1 100 W;具有输入电压范围宽,功率因数补偿,动态负载均分,可以热插拔,无须风扇散热,重量轻(3.1 kg)等优点。

2.2.2 控制模块

控制模块用于监控电源系统运行,所有信息均有清楚文字表述,引导式菜单和窗口操作,带RS232接口,简称PCU(Powec Control Unit)

PCU 10.24-48D是基于微处理器的控制单元,可以对PMP10.00 SIC整流器和PMP11.48SIC整流器组成的电源系统进行全面监控。输入:18～72 V直流。具有:可提供清晰的文本信息、引导式操作、具备电池放电测试功能、带有RS232测试功能、附加的告警接点可用于连接外部告警装置、全面各项参数设置等优点。

PCU10.24-48D是基于微处理器的告警和控制单元,可监控位于三个子机架上的最多17个PMP10.00SIC或PMP11.48SIC模块。这种插入式模块可监控系统的市电输入、输出电压、电流和PMP模块的工作状态,同时可监视一些外部状况如配电熔丝、负载或电池的脱离继电器和电池容量测试、电池对称电压、温度等。控制菜单简单并提供操作引导,通过前面板上的按钮对系统进行操作。告警接口板(0398)上附加的告警接点可用于连接外部告警装置。

告警:直流高压告警,直流低压告警,负载/电池脱离告警,直流熔丝故障、模块故障、市电故障、电池故障、对称告警,高温告警,过载告警。

所有告警都由LED指示并在显示屏上显示告警内容,内有4个自由公共接点向外提供告警信号。另有两路集电极开路输出用于实现低压脱离功能。

显示:2*16字符型液晶显示屏用于显示输出数据、告警、信息等。

通讯:通过个人微机上的PowCom或PAS软件和RS232串行接口对系统进行远程监控。

2.2.3 子机架

子机架是用来安装整流模块的,也可以混装控制模块,小系统中也可以内置直流配电单元电池熔丝等,依系统的构成达到最节省体积,简称PPR(Powec Pack Rack)。

PPR10.24-48D子机架用于装一个PCU10.24-48D和最多五个PMP10.10SIC或PMP11.48SIC模块,带一块0384板。PPR10.24-48D子机架只用于装最多六个PMP10.10SIC或PMP11.48SIC模块,AC输入接头,DC输出接头,并有扁平电缆连接至附在机架上的告警信号板。子机架电路板上的电位器可以调节整流模块的输出电压,出厂时已预设好(48 V系统为53.5 V,24 V系统为26.7 V)。所以即使控制模块发生故障,也不会影响系统的输出电压。更换整流模块时,模块会自动把它的输出电压调整到相应的模块位置的预设值,模块单独插入和拔出,不会干扰整个系统的工作。

子机架可以通其电路板上的路线设置整流模块地址,多个子机架可以并联输出。系统适应性非常强,可方便配置成冗余方式和N+1方式的系统。

2.2.4 配电模块

(1) 交流配电模块

根据用户的需求进行配置,单相或三相交流输入,输出采用磁脱扣空气开关(MCB),路数及容量由用户自定,简称PJU。

(2) 直流配电模块

分为PDU(Powec Distribution Unit)和PBDU(Powec Battery and Distribution Unit)两种,其中PBDU包含电池熔丝。一个直流配电模块最多能有24路输出。输出采用脱扣空气开关(MCB)或熔丝,输出路数和容量大小是根据用户需求进行配置并提供灵活的上出或下出线的配线方式。每个输出MCB或熔丝通过一个测量其两端压降的电路来监视。如果MCB或熔丝没有连上负载,即使处于断开状态,也不会产生告警

(3) 电池熔丝模块

简称PBF(Powec Battery Fuse Unit),具有两路电池保护,每路熔丝均可监测。根据电池的状态不同,电池熔丝故障会在熔丝断开2～10分钟后被检测出来。如果熔丝没有连接电池,尽管处于断开也不会产生告警。通过熔丝起拔器很容易拔出或推入熔丝,走线方式和熔丝容量根据用户需求进行配置。

所有配电都采用模块式架构,配置非常灵活,容易满足用户的实际需要。输出电缆的连接视系统的正负不同而不同,如果系统为正,则输出正极连至MCB或熔丝,负极连至公共汇流排(直流工作地)。系统为负时,则输出负极连至MCB或熔丝,正极连至公共汇流排。

2.2.5 机架

机架是用来装含有整流模块的子机架和配电模块的,简称PPC(Powec Power Supply Cabinet),备有多种型号的挂墙式和落地式机架,能根据用户系统的容量、机房的环境选配适当的机架,以达到最佳的设计方案。

3 开关电源的发展趋

在功率电子技术的应用及基本电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。在电动汽车和交流传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。

4 结束语

高频开关电源是一种模块化设计的可靠性和智能化程度高的电源,其体积小,功耗低,效率高,噪音低,稳压精度高,安全可靠,使用维护方便,目前已在各微波站得到广泛应用。

参考文献

直流稳压电源设计实验感想 第5篇

王鹏：通过这次直流稳压电源设计实验，我感触很多。这大概是我第一次设计电路并焊接实物，确实有一定的挑战性。首先，我知道了理论与实际的关系，有时理论正确，但实际并非如此，影响它的外界因素很多，必须要考虑，如：接触不良问题，虚焊短路问题，实验元件问题等等，只要出现一个误差，就有很大的影响；其次，我明白了团队协作的重要性，一个人无论理论知识如何扎实，也不可能完成所有内容，一个人的思想毕竟是片面的，能力也是有限的，因此需要若干个人的协作，如：焊板子时，至少一个人固定元件，一个人焊接；最后，我认为科学是严谨的，无论出现什么样的结果我们都要严禁客观地记录，一定不能为了数据结果的正确性而有所改变真是数据。

我认为焊电路板这种活动我们还很不成熟，需多加练习，同时也希望学院实验室开放时间增长一些，满足我们的需要。

直流电源在配电工程中的应用 第6篇

关键词：直流操作电源、可靠性、重要性、配电工程设计

前言

随着经济和技术的快速发展，对电力供电提出了更高的要求，新型自动化配网设备逐步投入应用，由于数字化微机保护和监控装置在配电工程越来越多的应用，这些设备的可靠供电是系统完全运行的前提条件，需采用科学合理的高效直流电源系统，提高供电的可靠性和效能，降低运行维护的工作量。

配电房直流电源主要是给高压开关柜的二次设备　（如：断路器、数字式微机保护及监控装置等）提供电源。配电房的交流操作电源断电后，控制、信号与数字式微机保护与监控装置电源会同时断电，配电房就会在无继电保护情况下运行，此时一旦发生短路事故就会引起越级跳闸，由上一级的继电保护动作跳闸，从而造成大范围的停电。如果发生过电流或过负荷，继电保护拒动会烧毁变压器或相关设备。从而增加事故停电造成巨大经济损失。因此直流电源可以提供可靠的不间断工作电源，避免交流失电时导致微机保护失去保护作用，。在很大程度上保证了配电房的可靠性。

一、配电工程直流电源应用

直流操作电源利用整流技术将交流电转换为直流电作为操作电源，同时配备

相应电压等级的蓄电池组，并给蓄电池组浮充电。当交流电源断电后，自动而且无延时切换到蓄电池，由蓄电池组供电，而且直流操作电源的可靠性非常高。

二、配电工程直流电源分类和特点

直流电源主要分为：落地式（立式）直流电源、壁挂式直流电源、分布式直流电源。

（1）落地式（立式）直流电源主要为大、中容量的直流电源系统设计的。由电源柜

和电池柜组成，柜体采用C型材钢化玻璃门，电源柜的主体为电源模块等元件。模块分别为：充电模块、整流模块、监控模块。充电模块采用智能型高频开关电源，该电源是专为电力系统设计，具有“四遥”功能的智能电源，电源采用世界领先的“谐振电压型双环控制的谐振开关电源技术”，具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高的优点。整流模块采用进口可靠元器件，产品经过高温老化及多级质量管控，保证运行时的稳定性和可靠性。监控模块功能完善，高智能化，采用大屏幕液晶汉字显示，监控自带声光告警。采用高性能器件，断电后运行记录和历史故障不丢失。电池柜的蓄电池采用免维护铅酸电池，每节电池电压等级为12V。落地式（立式）直流电源输出电压为，直流220V或直流110V；适用于高压开关柜10面以上，适用系统容量为40AH-200AH.

（2）壁挂式直流电源是专为中小容量的直流电源系统而设计的，适用于小型开关

站、厂矿高压配电系统，高层楼宇高压配电系统操作。壁挂直流电源采用一体化设计思路，由智能模块、监控硅链、壁挂电源箱构成。壁挂电源系统集成AC/DC模块，监控、硅链、交直流配电于一体，只需外接电池组即可构成完整的直流操作电源系统。壁挂直流系统具有体积小、结构简单美观大方，安装方便简洁、组配系统灵活等特点。监控系统配有标准的RS485及RS232接口，并提供CDT、MODBUS两种通讯规约供用户选择，方便接入自动化系统，实现“四遥”及无人值守。壁挂式直流电源输出电压为直流220V及直流110V，适用于3-8面高压开关柜柜使用，适用系统容量20AH-40AH.

（3）分布式直流电源是由微型直流电源装置和二节12V免维护蓄电池组成。主要

应用于小型开关站和用户终端，产品体积小，安装接线方便，根据分布式的设计思想，直接把分布式直流电源装置安装在智能开关柜的仪表箱内（或户外装置的电动操作箱内），可节省直流屏的占地面积，因电源装置安装在开关柜内，可减少电缆的使用量，节约一次设备投资及电缆施工工作量，在总台数不多时，其总价低于直流屏系统，可降低工程总造价，同时在运行时可减少线损，减少备件，节约运行成本。分布式直流也极大的提高了供电可靠性，当某一回路发生故障时，其他回路的电源装置不受影响，避免出现一点故障全站无操作电源。蓄电池采用自动充电管理模块进行维护，大大延长蓄电池的使用寿命，使得产品运行更加安全可靠。分布式直流电源输出电压为直流220V、110V、48V、24V，一台分布式直流电源适用于1-3面高压开关柜，适用系统容量20AH-30AH.

三、配电工程直流电源设计中有关问题

1.交流操作与直流操作的选择

因之前高压开关柜都选用常规继电器式的继电保护，配合电流脱扣器，所以事故跳闸与操作电源无关，高压熔断器保护事故跳闸也与操作电源无关，所以可选用交流操作。

数字式微机保护装置与监控装置已经得到广泛应用，由于数字式微机保护装置的装置电源断电后就会停止运行，而且数字式微机保护装置只能通过合闸与分闸线圈进行合闸与分闸操作，所以采用交流电源的配电房，选用数字式微机保护与监控装置后，必须选用可靠的后背电源，之前UPS作为不间断电源使用过，但UPS不间断电源不仅过载能力差，而且不适用于感性负荷。如果高压配电房采用直流操作需要选用直流屏，虽然价格相对来说高，但可靠性也高，高压开关柜采用数字式微机保护与监控装置后，应优先选用直流操作电源。

2.直流操作电源电压等级及容量选择

直流操作电源的输出电压一般为直流220V、110V，直流屏蓄电池容量一般选用20AH-200AH.

四、结束语

直流开关电源 第7篇

根据上海电力公司《变电站站内直流电源系统技术原则》规定:35KV变电站及以下变电站的充电装置配置一组, 充电模块按N+2方式配置。在蓄电池组出口端电压过高 (电压大于110%Un) 的情况下, 蓄电池组的出口合闸直流母线需经降压硅堆至控制直流母线。

我公司在早期使用高频电源充电的电压等级为110V的直流系统中直流屏充电方式主要是由N+1块充电模块对蓄电池进行充电, 另外专门设有一个充电模块以112V左右的电压对直流控制母线直接进行充电 (见图一) 。对蓄电池进行充电的充电模块, 浮充电压设在123V左右, 当充电模式在均充状态时, 电压设在127V左右, 当均压恒流充电时电压为130V左右。由于蓄电池组的电压在120V以上, 而控母电压在110V左右, 为了不让蓄电池向直流控制母线送电, 就在蓄电池组和控制母线之间加了硅链, 通过硅链降压方法使蓄电池电流不向直流母线送电。一般来说, 由于直流电源系统在对蓄电池组进行均衡充电时, 充电模块的输出电压会高于控制回路的额定电压值, 所以需要一个调压装置串接在合闸母线 (充电母线) 与控制母线之间, 此装置即为降压硅链, 它可以自动或手动改变输出电压值, 从而保证控制母线的电压在正常范围内。降压硅链单元利用大功率整流二极管的PN结基本恒定的正向压降叠加来产生调压压降, 达到电压调节的目的。在直流母线失电的瞬间, 由蓄电池向直流母线送电, 硅链的短接接点K1、K2、K3同时打开, 此时所有硅堆都投入运行, 在硅堆上产生20几伏的压降, 然后通过控制器对硅堆进行自动调节, 在2-3秒钟内将控母电压调整到112V左右。

在经过一段时期运行后, 发现着种充电运行模式有缺陷。例如在雷雨季节里, 当站用电突然失电或在站用电进行电源切换, 充电模块的交流电源全部消失或短暂消失时, 装置改为蓄电池经过硅堆向直流控母充电。正巧此时馈线发生故障, 继电保护原本应该动作, 如果硅链此时运行出现故障, 或硅堆降压过多使直流控母电压消失或过低, 很可能使保护拒动。

自从发现有以上问题后, 我们采取了另一种充电模式:通过将充电模式改为N+2块充电模块对蓄电池和直流母线同时进行充电 (见图二) , 充电电压和直流母线电压相同, 此时当充电模式在浮充状态时, 直流母线电压也将达到123V;当充电模式在均充状态时, 直流母线电压则要达到127V左右, 当均压恒流充电时的电压则更要高达130V左右。比110V的控母标准电压高出18%。虽然这样能避免经过硅堆降压, 直接将蓄电池和控制母线相连, 不会出现交流失电时因硅堆故障引起直流控制母线电压出现异常的现象产生, 但在平时直流元件都将承受高于额定10%以上的电压。这样对元器件的使用寿命和稳定性又提出了考验。并且不满足《变电站站内直流电源系统技术原则》规定的在蓄电池组出口端电压过高 (电压大于110%Un) 的情况下, 蓄电池组的出口合闸直流母线需经降压硅堆至控制直流母线的规定。

鉴于以上情况的存在, 目前可行的方案有两种:

1) 在提高降压硅链的供电可靠性。譬如将降压硅链并联接入直流电压母线。当某一组硅链有故障时, 另一组硅链还能起到备用作用, 并在日常运行中加入“硅堆故障”信号, 来监视硅堆运行情况, 保证硅堆始终运行良好。这样就能有效提高控制母线供电的可靠性了。

2) 为了彻底杜绝硅链故障引起直流控制母线电压异常, 就是取消硅链装置, 由合闸母线 (充电母线) 直接供电。但前面提到在用12V一节的电池时如果电池组用8节电池则母线电压过低 (均浮充电压分别为113V和107V, 考虑到电池容量不足或直流压降等因素) , 而用9节电池则母线电压又过高 (均浮充电压分别为127V和121V) 。所以最有效的方法是使用2V一节的电池, 110V系统采用52节电池, 其相应的均浮充电电压可设为122V和117V, 即在均充的情况下, 母线电压也仅高出110V电压10.9%左右。

直流电源系统综述 第8篇

关键词：智能电网,直流电源系统,集中监控,一体化电源,绝缘监测装置,蓄电池

0 引言

电网技术的发展呈现出诸多新的特征,如自愈、兼容、集成、优化,而电力市场的变革,又对电网的自动化、信息化水平提出了更高要求,从而使智能电网成为电网发展的必然趋势。为适应智能电网的需要,智能变电站采用了先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备,自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能,并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能,并实现与相邻变电站、电网调度等的互动。

由此可见,智能电网、智能变电站的核心就是电力系统的自动化、智能化水平得到极大的提升。而任何自动操作、顺序动作、在线监测以及安防设施都离不开可靠的变电站、发电厂用电源。为此,智能电网的发展也对站(厂)用电源系统提出了更高的要求。

1 变电站、发电厂直流电源系统

变电站、发电厂的直流电源系统作为控制保护、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等设备的重要电源,其性能与质量直接关系到变电站的安全可靠,甚至影响整个电网的稳定运行。

近年来,我国电力系统直流电源技术快速发展,依靠技术进步 , 广泛应用新技术,已达国际领先水平。直流充电机由晶闸管整流发展为高频开关电源充电机 , 蓄电池由开口式铅酸蓄电池发展为阀控式铅酸蓄电池 , 采用了微机集中监控器、绝缘接地检测仪、馈线监测、蓄电池在线监测等新技术。一体化电源系统技术也得到长足进步。各种相关规范、标准的编写与发布也为直流电源技术的发展奠定了良好的基础,促进了直流电源技术更为系统、全面的进步。

但是,直流电源新技术发展、应用的不均衡性也不容忽视。近年,由于运行维护和设备制造等问题,仍然出现了整组蓄电池烧毁 ,蓄电池开路导致开关断不开,引起高压室“火烧连营”,主变压器烧毁的事故;还有蓄电池容量不足或开路,保护闭锁,导致事故扩大,带来电网大面积停电,造成巨大的经济损失,影响社会和人民生活的事故。

电源的安全直接关系到变电站,甚至电网的正常运行。电源好比变电站的“心脏”,对变电站的安全可靠运行至关重要,电源的可靠稳定是保护装置、自动化设备安全稳定运行的前提。特别是无人值班变电站、综合自动化变电站的广泛采用,程序化变电站、数字化变电站的推广应用,智能电网、智能变电站的发展,变电站自动化水平的不断提高,电源系统的问题日渐显现 , 重要性越来越突出。

变电站电源系统应该以其对整个变电站,甚至电网(系统)的影响来衡量,应按变电站的综合要求来配备,并应加强对其安全、可靠运行的监测。减少由于变电站电源系统故障,扩大为事故,导致大型设备损坏或引起电网事故的可能性。

2 直流电源系统典型主接线

直流电源系统典型主接线见图1。

两组蓄电池两套充电装置的直流电源系统应采用两段单母线接线,两段直流母线之间应设联络电器。每组蓄电池组和充电装置应分别接入不同母线。

在进行切换操作时,蓄电池组不得脱离直流母线,在切换过程中允许两组蓄电池短时并列运行。直流电源系统应采用不接地方式。

3 直流电源的组成

直流电源系统主要由以下单元组成:交流输入,充电模块,监控单元(含馈线状态监测单元),电压监测、绝缘监察(含接地选线)装置,硅降压回路(可选),蓄电池管理单元(可选),直流馈线网络,蓄电池。详见图2。

3.1 交流输入单元

充电装置交流输入应设两个回路,两路交流电源应分别取自站用电不同段交流母线。当充电装置两路交流输入采用切换方式时,切换装置应稳定可靠;当充电装置两路交流输入不采用切换方式时,每路交流输入应尽量均分充电模块的数量。

3.2 充电模块

高频开关电源充电模块的主要功能是将交流电源变换为高品质的直流电源。模块由全波整流及滤波器、高频变换及高频变压器、高频整流滤波器等构成。模块内部应具有监控功能,显示输出电压 / 电流值,能不依赖监控单元独立工作;应具有保护、报警功能;并可带电插拔更换及具有软启动功能。

3.3 监控单元(含馈线状态监测单元)

监控单元是高频开关电源及其成套装置的监控、测量、信号和管理系统的核心部分,应根据直流电源系统运行状态,综合分析各种数据和信息,对整个系统实施控制和管理。

馈线状态监测模块应能采集每回直流馈线回路的断路器位置,并与监控单元通信,实现对所有直流馈线的工作状态进行监视。

3.4 电压监测、绝缘监察(含接地选线)装置

在线监测直流电源系统对地绝缘状况(包括直流母线和各个馈线回路绝缘状况),并自动检出故障回路。能监测母线正对地、母线负对地电压,能检测出每个支路的正对地电阻和负对地电阻。为了实时监测直流电源系统的绝缘状况,应安装绝缘监察装置。

3.5 硅降压回路

为了实行有效的蓄电池充电和保证直流电源控制母线的电压要求,设有硅降压回路,其应有防止硅元件开路的措施。额定电流应满足所在回路最大持续负荷电流的要求,并应有承受冲击电流的短时过载和承受反向电压的能力。

3.6 蓄电池管理单元

检测蓄电池的基本运行状态,实现蓄电池组和每个单体的实时电压、电流、环境温度的采集和记录,并实现蓄电池组端电压过高、过低,单体蓄电池端电压过高、过低,各单体蓄电池压差过高,蓄电池环境温度的过高、过低,蓄电池组充电电流过大,蓄电池组浮充电流过大等报警内容。

3.7 直流馈线网络

直流电源供电回路分为环形供电方式和辐射供电方式。环形供电网络干线或小母线的二回直流电源应分别经直流断路器接入两段直流母线,正常时为开环运行。环形供电网络干线引接负荷支路应设置直流断路器。

直流电源系统支路直流熔断器和直流断路器级差配合原则:应注意上下级之间的配合。当直流断路器与熔断器配合时,应考虑动作特性的不同,对级差做适当调整。直流断路器下一级不宜再接熔断器。上、下级均为直流断路器的,额定电流宜按照4级及以上电流级差选择配合。蓄电池出口为熔断器,下级为直流断路器的,宜按照2倍及以上额定电流选择级差配合。变电站内设置直流保护电器的级数不宜超过4级。

3.8 蓄电池

蓄电池是一种可多次重复使用的化学电源。它可将储备的化学能转变为电能供给负荷,这一过程称为放电。当参加反应的物质以电能的形式释放完毕之后,可用充电器对其输入直流电能,将电能转变为化学能,这一过程称为充电。

大中型变电站一般都采用将若干个蓄电池连接组成的蓄电池组作为直流操作电源,它是一种独立式电源系统,与一次系统的运行方式无关,在一次系统发生故障,甚至在变电站失去全部交流电的情况下,仍能在一定时间内可靠工作,以保证直流负荷的正常工作,因此具有较高的供电可靠性和稳定性。而且蓄电池电压平稳,容量较大,能够适用任何复杂的继电保护和自动装置,对于各种类型的断路器都可以用直流操动机构进行远距离操作。

目前常用的分类为:贫液式铅酸蓄电池和胶体铅酸蓄电池。贫液式蓄电池内部的电解液全部吸附在隔膜和极板上,而且隔膜处于90%的饱和状态,内部没有游离电解液,不会造成电解液溢出,无需添加勾兑电解液。胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进,用胶体电解液代换了硫酸电解液,在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。胶体铅酸蓄电池采用凝胶状电解质,内部无游离液体存在,在同等体积下电解质容量大,热容量大,热消散能力强,能避免一般蓄电池易产生热失控现象;电解质浓度低,对极板的腐蚀作用弱;浓度均匀,不存在电解液分层现象。近期,锂离子蓄电池因比能量大、寿命长、自放电率小、工作温度范围宽、维护工作量小等多项优点,受到了重视。

4 直流电源系统新技术应用

4.1 监控装置的高级功能应用

目前国内外对无人值班变电站均没有提出符合智能化电网的直流监控系统的规定。应进一步完善直流系统智能化功能,使之具备直流电源实时仿真系统、信号报警显示系统、自动诊断系统、远程访问及维护系统等功能。

无人值班变电站直流监控系统除应符合一般规定外,还需要满足以下高级功能应用要求:统一数据信息平台,实时监测各种运行状态;支持可视化运行维护;具有智能告警、信息综合分析、自诊断及远程维护等功能。这些功能对准确了解现场直流电源系统问题及提升故障处理响应速度,及时矫正运行状态参数有重要意义,将是未来无人值班变电站直流监控系统的发展趋势。

4.2 绝缘检测技术提升

绝缘检测装置需具有下列功能:1每段母线配置一套绝缘检测装置,两套装置之间具有通信接口;2每套装置正常独立运行,当两段母线临时并列时,经过选定,一套装置退出运行,其所有被检测回路自动切换到另一套装置;3具有如下报警功能:交流窜入报警、直流互窜报警、绝缘降低报警、母线电压异常报警、电池接地定位显示、检测二段母线环网功能、自检功能。

绝缘检测装置检测数据、信号,经过整理分析,通过通信接口输送到监控装置,重要报警信号用无源硬接点输出。

新要求的交流窜入报警、直流互窜报警等环网检测功能的加入将有效提升直流电源系统的运行可靠性。

4.3 蓄电池在线监测及远方监控

蓄电池组是直流系统的独立后备电源,是变电站的最后一道防线,对变电站的安全可靠运行起着至关重要的作用。由于电池长期处于备用状态,因此电池的制造质量和日常管理及维护是否到位决定着电池在关键时刻能否发挥作用。应加强蓄电池日常专业化维护管理,加强状态监测,及时发现存在的隐患。

蓄电池在线监测装置可在线监测蓄电池的电压、电流、温度和内阻,并可对蓄电池的容量进行智能预测。通过测量蓄电池参数,发现蓄电池内部问题。也可实现蓄电池远距离实时在线监测(见图3),远方在线监测蓄电池运行状况,及时判断电池设备性能,提高运行可靠性,减少工作量,提高设备维护质量。

4.4 锂离子蓄电池在直流电源系统的应用

近年来,锂离子蓄电池因其属于无毒、无污染的新型环保电池,具有比能量大、寿命长、自放电率小、工作温度范围宽、维护工作量小等多项优点,在电力系统已有试运行。但由于其设计原型是用于频繁充放电的启动型蓄电池,将其应用为以浮充电方式运行的直流电源,对蓄电池安全性、容量选择计算以及现有直流电源系统接线适用性、充放电运行方式等方面的影响还需要做深入研究。需要继续跟踪研究锂电池安全稳定运行的方法和措施,对锂电池的各种曲线、系数等重要数据进行系统试验和资料整理,确定其在电力工程的应用范围、运行参数、系统构成以及设备选择等相关技术要求。在经过实际变电站工程的设计、计算、安装、调试,验证研究成果后,逐渐推广应用。

4.5 交直流电源一体化设计

整个站用电源包括交流电源、直流电源、逆变电源、UPS电源、通信电源,采用一体化电源设计,就是对变电站的所有电源进行系统的设计。其特点为:

1)采用统一的监控平台,避免了各种电源通信不统一,重复检测及电源间沟通困难的缺点,可根据负荷的需要优化配置。

2)可集中引入故障预警(如蓄电池的在线监测)和设备自检等功能,安全高效。

3)原各种电源间的跨屏电缆可大大减少。

4)一体化的防雷设计,使得整个系统成本降低,防雷性能更好。

5) 不同电源间的开关品牌、极差配合的问题可一体化考虑。

6)整个变电站站用电源统一使用电池,避免电池的分散投资和维护,使变电站的电池成本更低,可靠性更高。

7) 由于数据统一管理,统一分析,使得整个电源系统的维护变得非常简洁、高效。

但目前一体化的通信以及过载和短路的配合还需要深入、系统的研究。

5 结语

现代电网技术的发展向直流电源系统提出了更高的要求,要求运行安全可靠以及高品质的电能质量。新技术的发展又为直流电源的技术进步提供了广阔的空间,储能技术、新能源应用、电力电子技术、微机自动控制、锂离子蓄电池新技术、新型传感器技术,使直流电源技术发展如虎添翼,可以更好地节约成本,提高电网的运行效率和安全可靠性。

参考文献

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直流开关电源 第9篇

直流操作电源系统是变配电站、高压室中不可缺少的二次设备之一, 它的可靠性直接影响高压室和变配电站设备的安全可靠运行。目前, 炼铁分公司变配电站及高压室中正在运行的直流操作电源系统有很多仍是较落后的可控硅整流直流电源系统, 存在较多的缺陷, 易引发多种事故, 从而造成重大损失。特别是随着阀控密封铅酸蓄电池的推广应用, 对直流操作电源系统提出了更高的要求, 因此, 原有的直流操作电源系统已不再适应于阀控密封铅酸蓄电池的要求。现已普遍采用智能高频开关电源模块与阀控密封铅酸蓄电池配套使用, 其具有体积小、重量轻、噪声低、稳压精度高、纹波系数小、配置灵活的特点, 可以增加直流系统的可靠性和稳定性。当前, 铁分公司生产建设和改造工程中也开始部分采用智能高频开关电源模块和阀控密封铅酸蓄电池组成的直流操作电源成套装置, 在保证直流系统可靠运行和电池寿命上都有较好的效果, 受到设计和生产建设人员的好评。

一、智能高频开关直流操作电源系统组成

智能高频开关电源模块目前有5A、l0A和20A三种, 根据负载要求和蓄电池容量的不同, 可以由多台模块按照N+l热备份原则并联组成几十到几百安的直流操作电源系统。对于控制、动力母线分别设置的直流操作电源系统, 其接线方式为:将模块分成两组, 一组输出与动力母线、电池组并联, 另一组输出与控制母线并联, 动力母线和控制母线之间设置自动调压装置, 在正常情况下, 控制母线负荷由模块提供, 自动调压装置由于承受反压处于备用状态, 只有当交流停电或控制母线的所有模块全部故障时, 自动调压装置才投入运行。

二、智能高频开关电源模块的均流

与相控充电装置不同, 智能高频开关电源模块组成的直流操作电源系统的充电装置一般采用N+1冗余备份方式, 并联模块之间通过均流电路实现各模块之间的功率分配, 各模块间功率分配的均衡程度主要取决于均流方式。直流系统中的负荷包括两个部分:蓄电池组充电电流和控制母线负荷电流。蓄电池组长期处于浮充状态, 充电电流很小, 对于铅酸免维护电池, 浮充电流只有额定容量的0.0l左右, 加上控制负荷较小, 整个充电装置处于轻载状态;当高压断路器合闸时, 蓄电池组提供合闸冲击电流, 与蓄电池组并联的充电装置由于电流过大处于限流保护状态, 合闸冲击电流结束之后, 由充电装置对蓄电池进行补充电, 充电电流突增。因此均流电路需要保证充电装置无论是在轻载还是在超载下, 都保持良好的均流特性, 即所谓的“全范围均流”。

三、智能高频开关与可控硅整流系统性能比较

为了保证系统运行的可靠性, 直流电源充电/浮充电装置一般采用备份方式。可控硅整流直流电源系统采用主从备份方式, 当一台主充浮充电装置发生故障时, 一般通过手动方式将备用充电浮充电装置投入使用, 这种备用方式的缺点在于可靠性差、运行和维护人员工作量大、充电柜数量多、占地面积大。智能高频开关电源充电装置采用的模块化结构, 备份方式为N+1热备份。既包括备份模块在内的所有模块同时工作, 当系统中某一电源故障时, 该模块自动退出工作而其他模块仍保证正常工作, 这种备份的优点在于可靠性高、系统集成占地小、配置灵活、扩容方便, 运行和维护人员工作量小。

四、高频开关电源模块的不足与改进

在炼铁实际生产过程中, 经常会出现模块工作温度高, 性能不稳定, 使用周期短的现象。这主要是由于高频开关电源模块的各种电子器件在进行功率变换过程中, 产生一定的功率损耗, 且以热能的形式散发出来, 导致电源模块温度上升的结果。因此, 目前用于电力直流系统的高频开关电源模块, 无论是强迫风冷还是自然冷却, 散热风道均采用的是敞开式结构。但我厂高压室的工作环境相对比较恶劣, 空气中、尘埃中导电物质含量很高, 特别是新建配电室, 经常是土建工程尚未结束, 由于继电保护等装置的调试需要直流电源, 使得直流电源经常提前投入运行。如果不采取有效的防尘措施, 就会造成大量的水泥灰、导电粉尘等尘埃吸附在电源模块内的线路板或元器件上, 引起绝缘下降, 甚至短路, 使模块出现故障。

经过不断的摸索与分析, 为了防尘, 我们采取了如下一些措施:采用防尘罩:在模块进风口处安装防尘罩, 可起到一定的防尘作用, 但需经常清洗, 否则防尘罩上的通风孔容易堵塞而影响通风散热效果。采用自然冷却:可以避免风机吸入灰尘, 但出于散热需要, 必须在模块上开许多散热孔, 这样尘埃的静电吸附问题还是不能解决。如此一来, 我们就对智能高频开关电源模块作了一定的改进, 综合考虑了强迫风冷和自然冷却的优缺点以及配电室现场的情况, 模块散热方式采用温控强迫风冷方式和封闭式散热风道。风机由温度检测电路控制, 只有当模块散热器温度高于设定值时, 风机才运转。由于直流系统的充电装置长期处于轻载运行, 一般只有额定容量的l5%左右, 散热器温度低于风机开启温度, 风机不工作。这种散热方式可以保持模块内部温度相对稳定, 不随外部环境及负载变化, 风机寿命提高2~3倍, 从而提高高频开关电源模块的可靠性。在防尘方面, 采用完全封闭的散热风道, 使散热风流仅通过散热器的表面, 实现散热通道与内部电路的隔离, 既可以防止电路板产生积尘, 同时又提高散热效果, 充分提高充电模块对环境的适应能力。

结语

目前在炼铁分公司生产中使用的智能高频直流电源系统已取得了不错的效果。不仅有效的避免了可控硅整流直流电源系统的不稳定性, 提高了功率因数, 降低了高压事故的危险源, 有利于生产的连续性, 而且可以方便的接入计算机监控, 有效降低维护人员的工作量。

参考文献

直流电机电源设计研究 第10篇

直流电又可称为恒定电流, 其电流大小与电流方向都不会随着时间的变化而产生变化。直流电所通过的电路叫直流电路, 是由直流电源与电阻所形成的闭合式导电回路。直流电机就是一种应用直流电源进行运动的电机。考虑到直流电的特性, 当其电源正负极产生变换时, 电机的转向也就产生了变化。

从直流电的应用前景来看, 由于成本的关系, 应根据直流电机的使用场合来选择相应的电源。所以, 对于那种对直流电源要求不高的电机, 就可以选择使用过流保护集成的稳压电路。当然, 过流保护电路本身就是电源电路不可缺少的一部分, 其控制是通过关断与限流的方式来控制电压高低。而对直流电机来说, 其电源应采用关断的方式进行控制。考虑到电源设计的特殊性, 在这方面的研究中, 利用Ansoft Maxwell仿真技术, 可以在软件中实现发电机的设计与优化。Ansoft Maxwell软件中包含包括RMxprt , Maxwell 2D/3D模块, RMxprt是基于磁路法的, Maxwell 2D/3D分别是有限元的二维场和三维场。操作中选用RMxprt进行快速设计, 然后用Maxwell 2D/3D来校准。但Ansoft Maxwell软件计算的只是硅钢片及线规的重量, 相比于实物设计和工艺上的偏差, 软件设计的电机重量与实际电机重量有所偏差。在本文中, 笔者所研究的是直流电机电源中的无刷直流电机的设计。

2 无刷直流电机的设计

2.1 电源电路设计

在本文中, 研究的电源电路可以提供12V, 5V的电压给功率驱动电路及MCU回路。详见图1。在图1 中, VIN处为24V直流电输入端口。

2.2 驱动电路设计

在进行设计时, 考虑到直流无刷电动机的开关器件都是以GTR, GTO等全控型器件进行控制。当然, 功率MOSFET, IGBT等也是很好的选择。但是在实际的应用中, 考虑到这些全控型开关器件在耐压, 开关速度和容量方面还是有很大的差别, 所以必须根据实际需要选择。在本次设计研究中, 根据图1 的电路要求, 使用的全控型开关器件是N沟道绝缘栅增强型场效应管, 应用IR210X的6 个输出端口相应驱动6 个场效应管栅极。由于在电机转矩输出时直接受到电流与反电动势的相位差影响。所以当系统驱动电流与反电动势相位差为0 时, 系统内的电流相对转子磁场相位相差会达到90 度。此时也就意味着电机的转矩达到了峰值。为了对电机进行校正所以需要进行相电流的过零检测。过零检测中电压相位的自适应超前, 锁定电流与反电动势相位差为0。

2.3 过流检测电路

电机驱动时, 过流检测电路的作用是保护整个电路系统, 并做相应的电流相位检测。过流检测电路可以在电路短路时及时关闭总开关, 保护整个电路。

2.4 霍尔电路

对于霍尔信号来说, 在其传输的过程中, 会由于传输与处理的时间延迟而造成误差。这种对转速估算造成的误差只能通过补偿与校正得以调整, 无法避免。在补偿与校正的过程中, 就对电机转速变化趋势进行计算量上的襟。也就需要在PWM的周期中断后进行相应的相位校正。在本次研究设计中, 此霍尔电路可以为电机的霍尔输出自动加入上拉算法, 再通过霍尔输出信号传送到主控芯片中, 完成电机转子的相关功能。

3 研究结论

相较于传统控制模式下的转矩脉动过大造成的巨大噪音, 其直流电机运行调速难度高, 功率小, 运转效率低下而言, 对于直流电机电源的设计研究中, 本文中所研究的无刷直流电机运行效率高, 运转速度快, 维护成本低。同时还具有噪音小, 调速性能优异的特点。因此得到了大量的实际应用, 但就无刷直流电机的应用来说, 离不开控制器的存在。在为了更好地提升直流电机电源设计水平, 应从控制器的效率, 电路保护检测元件选择上进行优化。考虑到实际应用当中的需求, 在进行直流电机电源的选择时, 应根据电机的运用场合, 使用需求进行电路的专项设计。在提高运行效率的同时, 降低直流电机维护成本, 提高直流电机电源的性价比。

4 结束语

综上所述, 作为一种应用前景越来越广阔的设计项目, 对直流电机的电源设计主要集中在对其控制速度的优化, 对其运转效率的完善, 以及其使用性价比的提升方面。本文中所研究的无刷直流电动机, 它是属于方波驱动的永磁同步电机, 另一种正余弦波驱动的永磁同步电机其控制效率更高, 力矩脉动更小, 噪音更低, 但其设计与研究将更为复杂。可以预见的将来, 这两种同步电机的研究将成为直流电机电源的设计研究主要方向。

参考文献

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[2]詹忙秋.赵艳芝.鄢家财.铁路转辙机系统中的无刷直流电机驱动器的设计[J].微电机.2013 (05

DC-DC直流转换电源的设计 第11篇

【关键词】单片机；PWM信号；DC-DC转换；输出

随着我国消费电子，特别是便携式电子设备的快速普及，对电源的需求快速增长，直流-直流变换器（DC/DC）广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。

一、硬件电路设计

系统设计框图如图1所示。本系统由微控制器模块、稳压控制模块、显示模块、直流电源模块、采样及信号处理等部分构成，形成闭环控制。输入DC12V，输出电压值可通过按键对其进行步进控制（±0.1V）。

1.三端可调稳压器设计

LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。在本系统把LM317的调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。

2.采样及信号处理电路设计

由于STC12C5410AD单片机进行A/D转换时输入的电压范围是0-5V，因此在电路中采用电阻分压的方式对输出电压进行调理。

3.微控制器模块设计

设计是以STC12C5410AD单片机为核心部件，STC12C5410AD单片机是与MCS51单片机完全兼容的高速单片机，它包含了高性能的8路10位或8位ADC、80C51MCU内核、10KB EEPROM程序存储器、512B EEPROM数据存储器、等片内资源，同时还具有PWM波形输出的功能，它可以说是传统51单片机的升级版，在与传统51的兼容的前提下加入了更多的功能，这些硬件资源大大简化了本设计的电路设计。

电流电压的取样信号反馈到单片机的A/D输入端，经数字信号处理分析，单片机输出PWM信号，控制PWM稳压回路的LM317的调整端，实现可编程的电源输出。

4.键盘显示电路

显示采用LCD 1602液晶显示模块。LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32个英文字符和日文等一些字符，适合显示英文文字信息量较小的地方，可以清晰显示出同时还能显示英文名称和电压/电流单位，电压（三位数字：十位、个位、小数位），电流（三位数字：个位、两位小数）。通过单片机编程控制第四脚RS数据/命令选择端（H/L），第五脚R/W读/写选择端（H/L），第六脚E使能信号，从而实现显示效果。

键盘模块设计两个按键KEY1、KEY2，分别对应单片机的P1.5、P1.6口输入。KEY1键为电压“+”，KEY2键为电压“-”，当前电压增加0.2V，按一下KEY1和KEY2实现电压的（±0.1V）增大和减小。

5.驱动电路

单片机输出的PWM信号经过运算器放大后驱动LM317的调整端，实现DC-DC转换。

二、软件设计

根据本系统要求，首先完成整个系统的初始化，产生PWM控制信号以驱动LM317的调整端实现可编程的电源输出；检测有无电压输出以及输出电压的大小，完成A/的转化模块的初始化及A/D的转化，分成两路：一路进过处理后送显示电路，显示当前输出电压值，另一路根据输出电压值的大小经过PID控制算法处理，调整PWM波的占空比，使输出电压得到闭环控制。

三、结束语

本设计给出了降压型DC-DC电路的可行方法，通过仿真实验，设计出硬件电路板，同时通过相应的软件程序调试，实现了上述的功能，达到了预定的要求。

参考文献：

[1]刘楚湘.基于单片机的数控直流稳压电源设计[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2007.

[2]祝敏.直流数控可调稳压电源的设计[J].电子器件应用,2008.

[3]王韬.数控直流电源的一种实现方法[J].台州学院学报,2005.

[4]胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].电子工业出版社,2005.

新型直流操作电源的研制 第12篇

直流操作电源是发电厂、变电站的重要设备。为了提高操作电源的可靠性与效率,降低功率器件的开关损耗,减少电磁干扰,通常会采用移相全桥软开关变换电路及其改进电路[1]。该电路可在大范围内实现恒频PWM控制,而在功率器件换流瞬间实现软开关换流;如果在副边采用倍流整流电路,还可使副边整流电路实现软开关,降低副边电路的开关损耗和电磁干扰。本文应用改进的移相全桥零电压、零电流变换电路,设计由峰值电流控制的直流操作电源实验装置。

1 移相全桥零电压、零电流变换电路原理

文献[2]提出了一种改进的移相全桥零电压、零电流变换电路。它通过在主电路中引入隔直电容与饱和电抗器,使超前管实现零电压开关,滞后管实现零电流开关,且具有较大的软开关范围。隔直电容的使用,还解决了变压器的偏磁问题,使全桥变换电路能更稳定可靠工作。移相全桥零电压、零电流变换电路如图1所示,VT1～VT1为功率管;D1～D4为功率管内的寄生二极管;C1、C3为超前桥臂功率管VT,、VT3的寄生电容;L1k为变压器漏感;Ls为饱和电感;Cb为隔直电容。

假定器件是理想的,且输出电感Lout足够大,则变换电路可看作恒流源。其半个周期的工作过程为:

(1)VT1、VT2导通,A、B两点电压、电流方向一致,电源向负载传送能量,电容Cb的电压线性增加,饱和电感正向饱和。

(2)VT1关断后,电容C1充电,C3放电;C3放电完毕后,D3导通,使得VT3可零电压开通。由于uAB=0,因此变压器被短路,原、副边间没有能量传递,副边输出电感通过整流二极管自然续流。

(3)D3开通后,隔直电容Cb的电压加在漏感L1k与饱和电感Ls上,变压器原边电流线性下降。当电流下降至IC(饱和电感的饱和电流)后,饱和电感Ls开始正向退饱和。当原边电流下降到零时,VT2可零电流关断。此时,饱和电感正处于不饱和状态,阻断了反向电流,相当于原边回路断开,消除了振荡环流现象。副边输出电感继续通过副边整流二极管自然续流。

(4) VT2零电流关断后,经过死区延迟,VT,可零电流开通。饱和电感反向饱和后,原边反方向电流逐渐上升,到副边电流折算值时,变压器脱离短路状态,原边开始向副边传送能量,开始下半周期的工作。

2 电路设计

电路输入电压为200～255V AC,额定输出为220V/10A DC,效率不低于90%。

2.1 主电路设计

(1)主电路:采用单相全桥整流+移相全桥零电压、零电流变换电路的拓扑形式。

(2)变压器:根据原边最低输入电压,设副边最大占空比为0.85,确定变比;采用E80型铁氧体磁芯绕制。因超前管利用变压器漏感来实现零电压开关,故无需采取减少漏感的措施。

(3)功率器件:主开关管选用富士2MB150P-140型IGBT功率管模块;副边整流二极管选用IXYS公司的DSEI30-10A型超快恢复二极管。

(4)隔直电容:需综合考虑最大占空比与滞后管的电压应力后确定。

(5)输出滤波电路:电感由电流纹波确定,计算值为100μH,采用E55磁芯绕制;电容根据最低输出电压与维持时间计算确定,一般取1～2μF/W,选用Nichicon电解电容,规格为470μF/450V。

2.2 控制电路设计

控制电路采用电流、电压双闭环控制。电流内环工作于峰值电流控制模式,该控制模式具有动态响应快、逐脉冲控制易于实现限流与过流保护、控制系统可降阶处理、多套系统并联时均流效果好等优点。控制电路基于TI公司的UC3875芯片设计,该芯片可输出0～100%的占空比,死区时间可调,可工作在电压模式或电流模式,四路图腾柱输出,带有软启动功能,带有10MHz的误差放大器与5V的基准电压。电路开关频率取20kHz,死区时间为2.5μs。电源控制电路原理如图2所示。

(1)电流内环设计。用匝比为100:1的磁环检测变压器原边绕组的电流,形成峰值电流负反馈。负反馈信号经全波整流后,由RC滤波器削弱因开关引起的高频噪声。为避免系统在占空比大于50%时出现次谐波振荡不稳定,需对其进行斜坡补偿[3]。当补偿电压信号的上升斜率(Kc)不小于电流检测信号下降斜率(Ki)的1/2时,可保证占空比在0～100%的全部范围内,系统能保持稳定。综合考虑抗噪性能与动态响应速度,Kc一般取(0.7～0.8)Ki。在UC3875芯片中,通过设定斜坡补偿脚(Pin18 SLOPE)与基准电源脚(Pin1 Vref)间电阻的值,及电压斜率脚(Pin19 RAMP)与地间的电容值,可方便地进行斜坡补偿。

(2)电压外环设计。首先确定电压外环控制对象,然后根据性能指标设计调节器。由于电流环的带宽远大于电压环,因此对于电压环,电流环可看作一个比例环节,因而电压环的控制对象是一个一阶系统,其电路模型是压控电流源驱动输出电容的形式,如图3所示。控制对象的降阶处理,简化了电压环调节器的设计,使得采用PI调节器加极点即可获得满意的动稳态特性。基于UC3875芯片的内置放大器,合理配置其零极点,便可获取良好的高、低频特性。

2.3 均流控制电路设计

电流均流实现方法有下垂法、主从法、外接控制器法、平均电流法、最大电流法等。其中,最大电流法的性能最好,调整相对简单,且易实现,均流母线开路或短路都不会影响各电源模块的独立工作,任一模块故障也不会影响均流功能的实现。

采用最大电流法实现均流控制电路的原理是:先检测每个模块的输出电流,然后保持输出最大电流模块的占空比不变,将其余模块的电流与最大电流作比较,调整其PWM信号的输出占空比,来达到均流的目的。在电路中也可通过增大给定或减少反馈的方法来改变占空比。采用减少反馈的方法来改变占空比的优点是,均流控制电路不在反馈回路中,只在反馈回路中附加了一个电路,因此即使均流控制电路不能实现均流,也不会影响每个模块单独正常工作。

UC3907是采用最大电流均流设计的芯片,其基本原理是将需要检测的电流放大20倍后与连接在均流总线上各模块电流信号比较,根据比较结果调整占空比。均流总线通过二极管隔开,连接在均流总线上的各模块相互并联,电流大的模块作为主模块,即按最大电流均流。由于主模块由并联在一起的各模块实时比较产生,因此即使个别模块工作不正常,也不会影响系统的正常工作。

3 实验结果

电源实验装置运行于额定条件时,测得超前管、滞后管的电压、电流波形如图4所示。

由图4可知,超前管实现了零电压开关;滞后管实现了零电流开关。

4 结束语

本文基于峰值电流控制技术与移相全桥零电压、零电流变换电路,研制了一种新型直流操作电源。该操作电源实现了具有较大软开关工作范围的超前管零电压开关和滞后管零电流开关;解决了变压器的偏磁问题,使得变压器可工作在更高磁通密度。试验结果表明,电源的性能指标达到要求。

摘要：研制了由峰值电流控制的、基于移相全桥软开关及倍流整流技术的直流操作电源,它实现了所有原、副边功率器件的软开关。

关键词：软开关,移相全桥,峰值电流

参考文献

[1]Bhat A.K.S.A Fixed-frequency Modified Series-Resonant ??Converter.Analysis,Design,and Experimental Results[J]. IEEE Trans.Power Electron,1995,10(6):766-775

[2]Jung-Goo Cho,et al.Zero-Voltage and Zero-Current-Switc- hing Full Bridge for High-power Applications[J].IEEE Trans.Power Electron,1996,11(4):622-627