- 基于開關(guān)電源的模塊的設(shè)計(jì)
- 采用雙管正激式DC/ DC 變換器
- 利用無源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
引 言
隨 著我國科技生產(chǎn)水平的不斷提高，各行各業(yè)對(duì)供電質(zhì)量的要求越來越高，而智能高頻開關(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，所以說智能高頻開關(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)。
可以說智能高頻開關(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，另外合閘母線通過降壓裝置給控制母線供電。所以說本文設(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)， 模塊首先通過過防雷處理和濾波對(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)過處理后的三相交流經(jīng)過整流和無源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)過壓、過流以及短路保護(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
即功率因數(shù)校正（ Pow er 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T 1 起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器L o （ 續(xù)流電感） 起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用， 變壓器初級(jí)無再有復(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)開關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過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， 它無須復(fù)位電路， 這有利于簡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。
3 整流模塊的功能介紹
整流模塊除了能將輸入的交流（380 V、50 Hz） 變換成額定的直流輸出（5A/ 230 V） 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） 輸出過壓保護(hù)。輸出電壓過高會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成重大事故， 為杜絕此類事故的發(fā)生， 在模塊內(nèi)部設(shè)有過壓保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)過壓后模塊自動(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， 這樣模塊長期可以長期工作在短路狀態(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） 過溫保護(hù)。模塊的過溫保護(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)境溫度過高、風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)燈情況下， 模塊檢測(cè)散熱器溫度超過一定值時(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） 過流保護(hù)。過流保護(hù)主要是保護(hù)大功率變流器件， 在變流的每一個(gè)周期， 如果通過的電流超過器件承受的電流， 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。
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/ 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： 通過遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測(cè)模塊的工作狀態(tài)。
4 結(jié) 語
本 文主要對(duì)智能高頻開關(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。
