直流高压电源（精选十篇）
直流高压电源 篇1
以下简述系统各部分的组成、功能、基本配置、扩容等。为了满足不同客户需求,减少非标产品的制作难度,整个系统的设计采用模块化方式,即整流模块、配电监控模块、系统监控模块、电池管理模块四大功能模块,能够灵活组合各种不同配置、不同容量的系统。高压直流电源系统应用框图如图1所示。
机柜采用标准的800×800×2000机柜,系统包括监控模块(触摸屏)、配电监控模块、整流模块(5+1模式)、绝缘监察模块、模拟量监测模块(选件)、开关量监测模块(选件)、电池巡检模块以及电池组,各个模块的主要功能如下:
(1)监控模块:主要功能为完成系统运行参数显示、系统参数设置、历史记录存储、与上位机监控平台信息交互;RS485信息交互接口。
(2)配电监控模块:主要功能为交流配电、直流配电监控,配电模块开关量监测,配电模块绝缘监察,与整流模块信息交互实现整流模块的数字化均流,系统智能调度;CAN、RS485信息交互接口,CAN接口实现与整流模块的信息交互,RS485实现与显示模块、配件或选件模块的信息交互。
(3)整流模块:整流模块是系统的核心部分,它将交流变换成直流(AC/DC),给负载供电,同时对电池充电,实现模块数字化三电平三相APFC输入功率因数校正,数字化三电平DC/DC变换,可由配电模块DSP进行智能调度,额定输出240VDC/40A,最大功率12kW;C AN以及RS485信息交互接口。
(4)绝缘监察模块:实现直流配电柜各支路绝缘监察,RS485信息交互接口。
(5)模拟量监测模块:实现直流配电柜各支路模拟量(支路电流)监测,RS485信息交互接口。
(6)开关量监测模块:实现各支路开关量监测以及远程辅助控制,RS485信息交互接口。
(7)电池巡检模块:实现对电池端电压检测、电池内阻检测(预留)、电池电压均衡性监测、电池温度监测等,对于电池内阻监测功能本次设计先不考虑,后续进行完善。
(8)电池组:电池组是保证不间断供电的关键,在交流停电时,由蓄电池给负载供电。
[产品特点]
本产品为新一代的数字化模块化产品,将具有以下特点:
(1)系统监控功能完善,高智能化。
(2)智能化系统具有高效节能模式(由配电监控模块智能调度)、电池温度补偿等功能。
(3)整流模块数字化均流,不均流度将优于3%。
(4)模块化设计,系统N+1冗余模式,易于扩容,具有高可靠、高效节能等优点。
(5)由于模块采用了全数字化设计,大大提高了系统的智能化控制程度,可方便实现模块智能调度、输出电压智能调节、输出电流智能调节、模块功率限制等。
(6)模块的热插拔设计,方便维护。
(7)显示触摸屏设计,人机交互界面友好。
(8)整流模块与配电模块采用CAN总线设计,其余模块采用RS485总线扩展设计方案,系统可根据实际需求灵活配置。
[应用范围]
本产品为一种新型的不间断电源产品,主要为通信用的IDC机房等应用场所而设计。240V高压直流系统输出的是240V的直流电,用直流电为交流负载供电必须确保所接负载是开关整流型负载(如普通PC机、网络交换机、光纤收发器、服务器、磁盘阵列等IT设备),非开关整流型的交流负载(如照明、空调、消防以及所有感性负载等)不能用此系统供电,否则会损坏负载。此外,还有以下几点要注意:
(1)服务器若是含有频率检测功能,则直流系统不能使用,需要经过上电后测试确认。
(2)小型机由于是早些年购买的,上电前要检测输入电阻,若为几十至几百欧姆则不可使用直流系统。
《直流稳压电源》教案 篇2
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
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 篇3
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。
高压隔离的多路低压直流电源 篇4
目前,在高压控制系统中(特别是10 k V以上的高压系统),由于大功率电力半导体器件(比如晶闸管、MOSFET、IGBT等)的材料和制造工艺的限制,在许多场合往往需要多只大功率电力半导体器件的串并联以解决高耐压和大电流的限制。有时为了节约成本,也采用低耐压、小电流的电力半导体器件串并联替代大功率高耐压、大电流的电力半导体器件[1,2,3,4,5,6]。而每个串并联的电力半导体器件需要独立的驱动电路,即同时需要独立的驱动供电电源。
本文所设计的高压(10 k V以上)隔离多路低压直流电源从总体思路上采用电磁送能方式,通过高频脉冲变压器、高压绝缘线和高频电流互感器传递能量,实现多路高压驱动电路的供电,它不仅能解决高低压隔离的问题,用一个电源同时解决多路高压驱动供电的问题,还能够大幅缩小高压驱动电路的体积,节约成本,更重要的是它提高了驱动电路的可靠性。
1 高压大功率电力半导体器件驱动供电方式比较
1.1 驱动电路供电方式要求
在高压控制系统中,经常会出现大功率电力半导体器件的串并联,以满足实际的高耐压和大电流的要求,因此对高压控制系统中驱动电路的电源有4点要求[7,8,9],以电力半导体串联解决高耐压为例进行说明。
a.由于高压电力半导体器件的驱动系统连接了处于高电位的半导体器件和处于低电位的控制系统,因此必须实现高、低电位的隔离。
b.由于高压电力半导体器件的触发脉冲是加在控制极和阴极之间,所以同一串联臂中的电力半导体器件电位不相同,因此必须保证串联电力半导体器件驱动电路的供电电源之间要相互独立,臂与臂之间的供电电源也要相互独立。
c.为了实现串联半导体器件导通的同时性,同一臂中多个半导体器件的驱动电路应具有较好的一致性,因此也必须保证高电位的驱动电路的供电一致性、同时性和稳定性。
d.高压电力半导体器件的供电必须保证足够高的驱动电压和驱动电流,即足够的电源功率。
1.2 驱动供电方式比较
目前,在高压大功率电力半导体器件的驱动控制系统中,电路的供电方式有高压侧取能和低压侧送能。高压侧取能是从高电位的电力半导体器件两端取得驱动电路所需的能量,一般可分为分压电阻取能、RC回路取能和电流互感器取能3种方式;低压侧送能方式是把低电位的能量通过适当的方式送到高压侧的驱动电路中,低压侧送能可分为电磁送能和光电送能2种方式[10,11,12]。下面以晶闸管串联为例加以介绍。
a.分压电阻取能。由于晶闸管的伏安特性不同,串联之后在阻断条件下往往出现元器件上稳态电压不均匀,这种现象属于静态不均压。为了达到静态均压,首先选用伏安特性比较一致的元器件,另一方面需要用均压电阻均压,每个均压电阻的阻值应比任何一个串联元件阻断时的正(反)向电阻都小得多。分压电阻取能回路就从均压电阻上取能,然后经过整流、滤波、电压转换供给驱动电路。这种电路结构简单,但电路参数优化困难,供电可靠性差,如果电路参数选择不合理,可能导致晶闸管不能正常触发导通。同时当主回路导通时,分压电阻取能方式失效。
b.RC回路取能。由于串联晶闸管的伏安特性不一致,在导通(关断)时刻,总存在先后之分,于是全部电压都由尚未导通(关断)的元件承担,如果动态均压不良,可对元件造成损伤,甚至是损坏,这就需要每个串联晶闸管并联RC支路作动态均压。而RC取能回路就是从此回路获得。这种电路结构的优缺点与分压电阻取能方式相同。
c.电流互感器取能。当主回路连续导通时,晶闸管两端电压为零,无法采用上述2种取能方式,此时,由于主回路始终存在电流,可通过电流互感器从主回路取能量。但是当主回路关断时,电流互感器取能方式失效。因此可采用电流互感器取能与上面2种取能方式组合使用,为驱动电路供电。但是这种取能方式体积庞大,造价昂贵。
d.电磁送能。电磁送能方式是通过高频脉冲变压器把低电位的能量送到高压侧的晶闸管触发电路。高频脉冲变压器具有能量传递和高、低电位隔离的要求。其优点是直接把低电位的能量送到高电位的晶闸管触发电路中,不受主回路工作状态的影响,供电能量充足,可获得足够长度的触发脉冲,可靠性高。但是当装置的电压等级很高时,脉冲变压器的设计具有一定的难度。
e.光电送能。光电送能方式是通过光纤把低电位的光能送到高电位的晶闸管触发电路,之后再通过光电池转化为晶闸管触发的能量。该方式具有很好的绝缘性能,但光电转换效率低,功率小,仅适用于对能量需求较小的晶闸管触发电路。
通过比较上述不同驱动电路供电方式的优缺点,本文提出的高压隔离多路低压直流电源设计方案,从思路上采用电磁送能的方式,不但克服了当电压等级很高时,脉冲变压器设计难的要求,还保留了其优点。它比RC回路取能方式易优化参数,供电可靠性高;比分压电阻取能方式功耗低;比电流互感器取能方式体积小、造价低;比光电送能方式效率高,但其良好的绝缘性与其相似。
2 高压隔离多路低压直流电源设计
本文所设计的高压隔离多路低压直流电源主要由主回路、控制回路、高低压隔离电路和高压供电电路4部分组成,其中主回路是典型的单端反激电路;控制回路是由控制器UC3842组成的双闭环控制系统;高低压隔离电路采用高压绝缘线和高频电流互感器实现;高压供电电路由整流、滤波和电压转换电路组成。
2.1 主回路
单端反激电路的原理图如图1所示,其中变压器T起着储能元件的作用,当开关管VT1导通时,二极管VD处于断态,原边绕组W1的电流Ip线性增长,变压器存储能量;当开关管VT1截止时,绕组W1的电流被切断,变压器中的磁场能量通过副边绕组W2和二极管VD向输出端释放。其中,绕组W3为辅助绕组。单端反击电路可以工作在电流断续和电流连续2种模式[13,14]:
a.如果当VT1导通时,变压器副边绕组W2中的电流尚未下降到零,则称为电路工作于电流连续模式;
b.如果当VT1导通时,变压器副边绕组W2中的电流已经下降到零,则称为电路工作于电流断续模式。
本文设计的电源主回路采用如图1所示的电路结构,其中输入电压Ui由220 V市电整流滤波获得,变压器的功率设计为50 W,工作频率为50 k Hz,变压器副边输出2 V的低电压、25 A的大电流,同时为提高电源的效率,使单端反激电路工作于电流连续模式,占空比为0.5。其中,变压器T为高频变压器,采用EI40铁氧体磁芯和骨架绕制,原边绕组77匝、采用AWG28号导线;副边绕组1匝、采用宽18 mm、厚0.2 mm的铜箔,目的是增加原、副边的线圈耦合,减小变压器漏感;辅助绕组6匝、AWG20号导线,主要为控制器提供16 V的供电电压。变压器绕制采用原边1/2副边原边1/2辅助绕组的工艺,变压器原边电感量为4.8 m H,变压器气隙0.19 mm。
2.2 控制回路
控制回路采用美国Unitrode公司生产的高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片UC3842,这是一种8引脚的具有代表性的高性价比的电流型定频PWM控制器,它具有外接元件少、接线简单、可靠性高、成本低等特点[15]。
UC3842内部集成了可微调的精密带隙基准电源、欠电压锁定电路、高频振荡电路、低阻抗误差放大电路、电流检测比较电路、PWM锁存器以及大电流图柱式输出电路,其内部结构如图2所示。
控制器UC3842的欠电压锁定电路具有过压保护和欠压锁定功能。控制器启动电压为16 V,当电压大于34 V时,稳压管稳压,使内部在小于34 V电压下可靠工作,当输入电压低于10 V时,芯片被锁定,控制器停止工作。
高频振荡电路由定时电阻RT和定时电容CT设定。4脚与8脚之间接RT,4端通过CT接地,8脚输出5 V的基准电压,5 V基准电源经过RT向CT充电。充、放电时间分别为tc和td,频率fo=1/(tc+td),当RT>5 kΩ时,td远小于tc,忽略td,则可得:
误差放大电路是指反馈电压与芯片内基准电压Uref比较之后产生误差电压,然后通过电流测定比较器、PWM锁存器和输出电路调节PWM波占空比,实现对稳压控制。
电流检测比较电路是通过变压器初级电感中的电流在采样电阻RS产生的电压,与误差电压进行比较之后产生调制脉冲宽度的脉冲信号。只要RS上电平达到1 V,PWM输出就立即关闭,故能形成逐个脉冲限制电路,这种峰值电感电流感应检测技术可以灵敏地限制输出的最大电流。
本文设计的控制回路电路,采用双闭环控制电路,第1路反馈为电流反馈,控制变压器初级电感中的电流,也即变压器副边输出的最大电流。第2路反馈为电压反馈,控制辅助绕组的电压输出,也即控制器UC3842的电源电压,保证控制器的正常工作。振荡器的振荡频率设定为50 k Hz,由定时电阻RT和定时电容CT决定。
2.3 高低压隔离电路
高低压隔离电路采用脉冲变压器、高压绝缘线和高频电流互感器实现,从主回路副边输出的脉动大电流通过高压绝缘线、高频电流互感器,实现将低压的能量传递给高压供电电路。其中高频电流互感器的规格视需求而定,要求能够通过足够高频率的脉冲电流,同时根据不同的电压等级要求,还要求足够高的耐压,高耐压可通过增加穿心电流互感器的中心孔径,增加原副边的空气绝缘距离实现。高频电流互感器原边采用高压绝缘线单匝从中心孔穿过电流互感器。多路相互隔离的供电电源是通过高压绝缘线穿过多个高频电流互感器实现。按照安全规范要求高频变压器副边应良好接地。本文设计的高压隔离低压直流电源变压器副边可带5~10组高频电流互感器,即每个电源有5~10路高压供电电路。
2.4 高压供电电路
高压供电电路是将高频电流互感器副边输出的脉冲电流通过桥式整流、滤波、电阻升压、分压电路组成,根据不同驱动电路要求,可以输出不同等级的电压和电流,例如±15 V、±12 V、±5 V的电源,每路能够提供至少300 m A的电流。该电路配合单片机控制系统的光电隔离控制信号,就可以组成完整的高压驱动电路,在任何时刻都可驱动、关断大功率电力半导体器件。
3 应用实例及效果
目前,在10 k V以上高压电网的控制系统中,由于大功率电力半导体器件的广泛应用,高压隔离多路低压直流电源系统应运而生,该电源系统配合单片机控制系统,可以准确、快速、可靠地控制高压大功率电力半导体器件。这种控制方案可以广泛应用在电力系统、高压整流装置、轧钢厂无功补偿系统等不同场合。该高压隔离多路低压直流电源控制系统已在10 k V电网的晶闸管投切电容器系统中得到检验,并在2007年通过鉴定获得国家专利。
4 结语
直流稳压电源课程设计 篇5
4、质量指标测量
测量所安装电路的各项质量指标。
设计电路有四组电压输出：15V;12V
4．心得体会
为期两周的课程设计已经结束了，虽然期间有很多失败和挫折，但最终还是完成了任务，这期间我收获了很多。通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。
我们组十三个人分到的题目是设计正负15V;12V 输出的直流稳压电源，由于老师说这个题目比较简单，就没有进行详细的讲解。在设计的过程中我们也遇到了很多的困难。虽然是十三个人一组，但是老师的要求是每个人都要独立设计。
在这次的模拟电子技术基础课程设计中，我在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、设计的能力，在各种其他的能力上也有了很大的提高。这次设计是用protel99se来设计电路原理图。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。我将所学的知识运用到设计中。，按照设计要求设计电路的参数，在按对应的参数选取元器件，通过查找资料了解元器件的主要特性与相关使用注意事项。在电路设计中选取最优元件来满足设计要求。要面对社会的挑战，只有不断的学习，实践，再学习，再实践。
浅谈电力通信直流电源及其维护 篇6
关键词:电力通信;直流电源;维护
中图分类号:TM912.4 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)20-0116-02
电力通信是电力企业生产和管理的基础手段,是电网安全运行的重要环节,而电力通信直流电源则是保证通信设备正常运行,通信畅通的基础,是电力通信的“心脏”,一旦通信直流电源发生故障,将造成通信设备供电中断,引起通信电路中断,造成重要信息无法正常传输。近年来,电网规模的不断扩大和现代通信技术的进步,极大地促进了电力通信事业的飞速发展,随着电力通信整体水平的不断提高、通信设备的不断更新,对电力通信直流电源也提出了更高的要求,因此做好对电力通信直流电源的维护具有重要意义,直接影响着电力通信网的安全平稳运行。
1电力通信直流电源的组成
通信直流电源是一个复杂的系统,目前电力通信直流电源均采用-48V的高频开关直流电源,电力系统中典型的电力通信直流电源结构组成如下图所示,从图中可知电力通信直流电源由交流部分、整流器、直流分配部分、蓄电池组和监控模块等按照要求组合而成。
①交流部分。交流部分的市电输入一般为2路380 V三相四线交流输入,在电源容量较小时有时也使用2路220V单相交流输入,以保证电源可靠供电。为防止雷击和过电压破坏,在市电输入端应加装避雷器,常用的有普通氧化锌避雷器和OBO防雷模块等;由于此处的防雷主要是对非直击的感应雷击的浪涌电压的防护,因此避雷器的通流量一般选择在15～20 kA,残压在1.5 kV左右,就可有效的保护电源设备。为实现两路输入的交流电的通断互锁,自动切换,还需装设交流切换装置,采用机械互锁或电气互锁方式,但是应注意任何时候都不允许出现两路交流电源同时接通或者同时断开的现象。经过切换装置后,交流输入分为整流器模块输入和交流分路输出,交流分路输出为机房其他交流用电设备提供电源,如计算机、UPS等。
②整流器部分。整流器是通信直流电源的最重要的组成部分,通信直流电源的供电质量主要取决于整流器的电气指标,它完成AC-DC变换并以并联均流方式为通信设备供电,同时对蓄电池组进行恒流限压充电和监控模块的供电。现在所有的通信直流电源均采用模块化高频开关整流器,它具有其体积小、效率高、模块化、功率因素高、输入电压范围宽、噪声低、可靠性高以及可带电热插拔等优点;电力通信直流电源所使用的高频开关整流器模块一般为单相220 V交流输入,功率因素可达0.99以上,模块容量一般为每块20A/-48 V～50A/-48 V;在实际使用中,如果输入的是380V三相四线交流电源,则应注意将所有整流模块平均分配到每一相;同时为了提高整流器工作的可靠性,在设计时应考虑多余备用容量,模块配置采用N+1冗余。高频开关整流器模块有内控式和外控式两种类型,内控式整流器内部设有独立的监控单元,可对整流器模块参数进行设置、检测和显示,与系统的监控模块采用RS-485总线相连;外控式整流器在内部不设独立的监控单元,完全由系统监控模块控制,若监控模块故障,整流器模块转为自主工作状态,其输出电压电流服从初始的设定值。
③直流分配部分。直流分配部分将整流器输出的直流电压进行分配,一路给蓄电池组充电,其它分配给通信设备和其它直流用户供电。直流分配部分决定了设备的最终分配容量,因此要求在设计时应充分考虑直流分路输出的用户数和容量,满足日后通信设备接入的需要。在给蓄电池组充电的分路开关之前应加装欠压保护继电器,当蓄电池组放电达到欠压告警值时发出告警,放电到欠压关断值时控制自动断开蓄电池组,保护蓄电池组不会因为过放电而导致损坏。现在直流分路输出开关多采用空气开关,应注意配置使用直流空气开关,因为直流空气开关的灭弧能力很强,而不应使用普通交流空气开关。
④蓄电池组。蓄电池组是通信直流电源的不可缺少的组成部分,蓄电池组一旦发生故障,在市电输入停电时,将造成所有使用该蓄电池组作后备电源的通信设备全部停止工作,造成通信中断。现在使用的蓄电池组都是阀控式密封铅酸蓄电池(简称VRLA),它完全取代了过去使用的普通开口铅酸蓄电池,采用密封结构,基本无酸气泄漏,可与设备同室安装,无需加电解液维护;可采用立式、卧式、单层、多层等各种组合安装方式,安装灵活;适用浮充工作制,使得供电系统电压更稳定;寿命、容量等受温度影响较大。蓄电池组的容量决定了市电停电后通信设备的运行时间,一般可根据负载大小和放电时间来选择蓄电池组的容量,计算方法为:负载容量(A)×放电时间(h)÷放电时间小时率放电容量系数。
⑤监控模块。监控模块对于通信直流电源来说具有智能控制中心的作用,主要有监测功能,包括监测交流输入电压、电流,整流器模块并联输出电压值和每个整流器模块的输出电流,负载电流,蓄电池组充放电电流和电压等;控制功能,包括电源系统的开关机,各整流器模块的开关机,直流输出电压、输出电流极限值的设定,蓄电池组浮充、均衡充电电压和充电电流的极限值设定,电池温度系数的补偿和蓄电池组欠压保护设定等;告警功能,当电源运行过程中某些参数达到或者超过告警的设定值,监控模式将发出声光告警,并显示故障部位和原因。此外,监控模块还应可通过RS232/RS485接口与上级监控中心联系,以实现集中监控。
2电力通信直流电源的维护
由于目前电力通信直流电源均使用了高频开关电源和阀控式密封铅酸蓄电池,这给电源系统的维护带来了许多便利,但是在维护方面还要注意按照使用维护要点做好维护工作,才能真正保证电力通信直流电源可靠、稳定、不间断地为通信设备供电。
①电源的交流输入所采用的避雷器的状态在进行电源的巡视维护时应注意检查,特别是雷雨天气时,更应该注意检查避雷器的状态,发现问题及时更换,如当发现OBO防雷模块的故障显示窗的颜色由绿色变成红色时,就要对防雷模块进行更换,确保发生雷击时能够发挥其防雷作用。这里应注意普通氧化锌避雷器存在有一定的漏电流,长期使用容易老化,造成使用性能下降,所以即使长时间没有雷击发生,也要定期进行更换,确保其防雷效果。
②高频开关电源在正常使用的情况下,整流器主机的维护工作量很少,主要是防尘和定期除尘,否则飞尘加上潮湿会引起主机工作紊乱,同时积尘也会影响器件的散热。一般每季度应对主机彻底清洁一次,在除尘时应检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。
③通信高频开关电源中设置的参数在使用中不能随意改变。
④通信高频开关电源在使用时应注意避免随意增加大功率的额外设备,也不允许在满负载状态下长期运行。由于通信直流电源几乎是在不间断状态下运行的,增加大功率负载或者在基本满载下工作,都将可能造成整流器模块故障,严重时将损坏整个电源系统。
⑤作为后备电源的蓄电池组维护工作载电力通信直流电源的维护工作中占有非常重要的地位,这也是电源维护工作的一个难点。由于现在使用的阀控式密封铅酸蓄电池实现了密封,免除了以往开口铅酸电池的测比、配比、添加蒸馏水等工作,大大减少了维护工作量,因此有些维护人员认为其是免维护电池,在使用中不去维护,听之任之,结果造成维护不当,发生问题。在对阀控式密封铅酸蓄电池的维护工作中,应重点注意以下问题:
定期检查整个蓄电池组的浮充电压,如果其浮充电压超出了蓄电池组的要求,应进行调整。浮充电压过高将增加水的损耗,加速电池正板栅的腐蚀,可能严重影响蓄电池的寿命;过低则可能不能使蓄电池充足电。对单只蓄电池每月应记录一次它的浮充电压,若电压超过厂家的指标,观察几个月后无向均一方向发展的趋势,应与厂家联系进行处理。
阀控式密封铅酸蓄电池的日常运行对温度要求较高,它要求的环境温度最好是20～25℃,如不然,应对浮充电压采取温度补偿,每升高1℃,浮充电压应降低3～4mv,但即使对浮充电压进行调整补偿,温度仍对蓄电池的寿命影响较大,如寿命为10年的蓄电池在30℃下运行,无温度补偿寿命仅为5年,有温度补偿寿命也缩短为8年。因此阀控式密封铅酸蓄电池应安装在有空调的房间,安装方式要有利于散热。在日常巡视维护中发现蓄电池有明显发热现象应立即与厂家联系进行处理。
阀控式密封铅酸蓄电池的自放电极低,而且电池内部不会形成电解液分层现象,因此无需定期进行高压均衡充电,定期均衡充电只能增加水的损耗,增大正板栅的腐蚀,在对蓄电池进行维护时应尽量减少或取消均衡充电。
应避免阀控式密封铅酸蓄电池的大电流充电和过放电。大电流充电可能使蓄电池极板膨胀变形,活性物质脱落,电池内阻增大且温度升高,造成电池报废。过放电将使蓄电池的循环寿命变短,放电后应立即充电,否则易引起蓄电池内部硫酸盐化现象,导致容量不能恢复。因此在进行容量试验或放电检修中,通常放电达到蓄电池组容量的30%～50%即可。
检查蓄电池连接部分有无大压降、腐蚀、松动等现象,如有应及时紧固,否则极有可能引起烧毁电池等事故。
当发现蓄电池组内有损坏且无法修复的蓄电池时应及时进行更换,更换时不得把不同容量、不同性能、不同厂家的蓄电池连在一起,否则将对整组蓄电池带来不利的影响。
阀控式密封铅酸蓄电池属于贫液电池,无法进行电解液比重测量,因此它的好坏和容量预测在业界也是一大难题,日常维护中可用电导仪测试电池内阻判断其好坏,但最可靠的方法还是放电法。
要注意阀控式密封铅酸蓄电池的寿命期限,对寿命已过期限的蓄电池组要及时进行更换,这样即保证供电后备电源的可靠,又可避免因蓄电池组影响到整个通信直流电源的运行。
⑥电源系统出现故障时,应先查明原因,分清是负载还是电源本身,是整流器还是蓄电池组。高频开关整流器模块的输入输出主回路由于有输入过压和输出限流保护,因此发生故障的可能性较小,其内部控制电路、显示电路、保护电路等发生的故障相对较多,而且这些电路中只要有一个元器件发生故障,就可能导致整流模块停止工作,处理这些故障时只需更换有故障的电路板便可排除故障。文章在维护工作中就曾经遇到过高频开关整流器通电后显示正常,测量输出电压正常,就是不能带负载,后经检查发现就是内部控制电路电路板问题造成了该模块无法正常工作。
⑦当高频开关整流器模块出现保险管烧断等故障时,务必不得直接进行更换保险管后通电重新开机,否则会接连发生相同的故障,不但检查不出故障所在,还可能会在开机的瞬间导致故障范围更加扩大。在现场处理紧急故障时,可采取整流器整机更换的方式来排除通信直流电源供电的故障,但在更换整流器时,通信直流电源供电系统不得停止对通信设备的供电。
⑧通信设备在接入直流配电分路输出开关时,要注意通信设备上的电源总输入开关的容量不得大于其接入的直流配电分路输出的开关容量,否则将引起越级跳开关,可能造成通信直流电源系统故障。
3结 语
面对电力通信发展的日新月异,做好电力通信直流电源的维护显得尤为重要,相信在全体电力通信人员的努力下,不断总结和提高电力通信直流电源的运行维护经验和水平,使电力通信电源能够为电力通信的快速发展提供更优质可靠电源保障。
参考文献:
[1] YD/T1058-2000,通信用高频开关组合电源[S].
超级电容直流操作电源 篇7
1 超级电容代替蓄电池的可行性
超级电容器[2,3,4,5]包括双电层电容器EDLC (Electric Double-Layer Capacitor)和电化学电容器2大类。EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件,其多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维,电解液采用有机电解质。工作时在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成了双电层中聚集的电容量。其多孔化电极是使用多孔性的活性碳,有极大的表面积在电解液中吸附着电荷,因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量,超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。超级电容与铅酸蓄电池特性比较如表1所示。
超级电容与蓄电池相比,具有环保、寿命长、对环境要求低、可提供大电流充放等特点,近年来已成为电动汽车研究与应用的重点,电动汽车的开发又促进了超级电容的发展[6,7,8,9,10]。在直流操作电源事故负荷较大的变电站中,可用超级电容与铅酸蓄电池并联的方式[11,12]:在直流操作电源事故负荷较小或要求不高的中小变电站中,可用超级电容代替铅酸蓄电池[13,14,15]来提高电源系统可靠性,减少系统维护工作量。
2 超级电容直流操作电源系统设计
超级电容直流操作电源的最大特点是免去了铅酸蓄电池的日常维护工作量,设备环保,成本低。超级电容寿命长(大于10年),这样可以使直流操作电源系统的寿命达到10年以上。缺点是超级电容的储能密度不如铅酸蓄电池高,如果事故负荷较大,会增加设备的体积和成本。对此设计了双充冗余热备份的高可靠直流操作电源系统。通过冗余备份解决了电源系统的可靠性。超级电容直流操作电源如图1所示(图中,Z1、Z2为自动切换装置)。
超级电容直流操作电源采用2套完全相同的整流器,输出通过单母线分段向负荷供电。具有下面3个特点。
a.整流器采用冗余热备份设计,其交流输入均采用双路自动切换,只要2路交流进线有一路正常,一路整流器正常,整流器就可提供正常电源输出。
b.超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能,可根据负荷大小确定超级电容的容量,一般选择1F/300 V,一只或多只并联。
c.2路整流器输出通过单母钱分段方式向负荷供电,根据用户不同可以选择2段母线分段运行,故障时母联开关自动投入或人工投入;或选择2段母线一并运行,2路整流器一主一备,一路故障另一路自动投入或人工投入;或选择2段母线、2套整流器直接并联的运行方式,任何一路整流器故障,将会自动退出。
3 超级电容直流操作电源可靠性分析
超级电容直流操作电源与铅酸蓄电池直流操作电源相比,系统可靠性、可用性和可维护性得到提高。
整流器采用2套并联冗余结构,其可靠性高于单套整流器的可靠性,系统具有容错能力。由于2套整流器的可靠度相等,根据并联系统可靠性计算公式,当单套子系统可靠度为Ri(t)=e-λ0t(i=1,2,…,n)时,N套并联后的可靠度为Rs(t)=1-(1-e-λ0t)n,并联后系统的平均故障间隔时间MTBF (Mean Time Between Failure)记为ts:
即可写为,t0为,为套子系统的,MTBF，可见并联结构系统的MTBF比单套子系统提高倍。本系统采用2套相同的整流器,故系统的平均故障间隔时间将提高1.5倍[16,17]。
本系统通过超级电容代替铅酸蓄电池,提高了直流操作电源系统对中小变电站的环境适应范围,特别是在环境温度相对较高的变电站,将解决铅酸蓄电池的寿命急剧变短的问题,从而提高直流操作电源系统的可用性。
通过超级电容代替铅酸蓄电池,不存在铅酸蓄电池的定期活化问题,由于蓄电池活化可能影响生产的正常进行,有些重要用户实现很不方便。这样直流操作电源系统的维护工作将大为减少;另外,2路整流器和输出母线系统的任何维护都不影响电源系统的正常运行,系统结构简单、运行灵活,具有较高的可维护性。
4 结语
用超级电容代替铅酸蓄电池,通过采用冗余的方式提高系统的可靠性,设计的直流操作电源系统,解决了由于蓄电池自身为电源系统带来的环保、维护、寿命等问题,提高了电源系统的可靠性、可维护性和可用性。该电源系统已经在矿井变电所等工矿企业成功应用,实践表明用超级电容代替铅酸蓄电池是直流操作电源系统的一个发展方向,并将随着超级电容发展不断扩大应用范围。
摘要：提出采用超级电容，即双电层电容器EDLC(Electric Double-Laver Capacitor)代替铅酸蓄电池设计的直流操作电源系统。超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能，可根据负荷大小确定超级电容的容量，一般选择1 F/300 V，一只或多只并联。对于超级电容的储能密度不如铅酸蓄电池高的缺点，电源系统采用了双充冗余热备份结构。通过对超级电容系统的可靠性分析，表明冗余备份使电源系统的平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)提高了1．5倍。应用结果表明用超级电容代替铅酸蓄电池是直流操作电源系统的一个改进方向。
简析直流稳压电源 篇8
直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。极性保护的目的, 就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。
1.1极性保护直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错, 将损坏开关稳压电源。极性保护的目的, 就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合, 则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节, 可以省去极性保护所需的大功率二极管, 功耗也将减小。为了操作方便, 便于识别极性正确与否, 二极管之后接指示灯。
1.2程序保护开关稳压电源的电路比较复杂, 基本上可以分为小功率的控制部分和大功的开关部分。开关晶体管则属大功率, 为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全, 必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此, 要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器在开机瞬间, 滤波电容器会流过。很大的浪涌电流, 这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化, 并使输入保险丝熔断。另外, 浪涌电流也会损害电容器, 使之寿命缩短, 近年来, 随着微机、中小型计算机的普及和航空航天数据通信, 交通邮电等事业的讯速发展, 以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要, 当代对电源的需要不仅日益增大, 而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。对于这些要求, 传统的线性稳压电源无法实现, 和线性稳压电源相比, 开关稳压电源具有以下的一些优越性:
(1) 效率高
开关稳压电源的调整开关管工作在开关状态, 截止期间, 开关元件漏电流极小, 因此功率消耗小而效率高, 通常可达到80%-90%以上。功耗小使得机内温升亦低, 周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏, 有利于提高整机的可靠性和稳定性。而传统的线性稳压电源的晶体管一直工作在放大区, 全部负载电流都通过调整管, 因而损耗大, 效率低, 一般只在50%左右, 功率等级也比较低。
(2) 稳压范围宽
从本质上说, 线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻”作用实现的, 因而调压范围小。开关稳压电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的, 因而线性控制区域大, 调压范围宽, 在交流电压变化较大时, 开关稳压电源仍能达到很好的稳压效果
2直流稳压电源的技术指标
稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标, 前者标识稳压电源的功能又称试用指标, 后者反映了稳压电源质量的优劣。
2.1特性指标
2.2输入电压及适用范围
2.3输出电压及输出电压调整范围
2.4额定输出电流 (指电源正常工作时的最大输出电流) 以及过流保护电流值
(1) 电压调整率
负载电流I 0及温度T不变而输入电压U1变化时, 输出电压U0的相对变化量△U0/U0与输入电压变化量△U1之比值, 称为电压调整率, 即
(2) 稳压系数
稳压系数定义为负载不变时, 输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比, 即
式中, U1为稳压电路输入直流电压, 即整流电路的输出电压。
(3) 负载调整率 (亦称电流调整率) 在交流电源额定电压条件下, 负载电流从零变化到最大时, 输出电压的最大相对变化量用百分数表示
(4) 输出电阻 (内阻)
当输入电压固定时, 输出电压变化量与负载电流变化量之比, 称为输出电阻, 即
其单位为欧。
(5) 最大纹波电压与纹波抑制比
叠加在输出电压上的交流分量的峰—峰值称为最大纹波电压△U, 一般为毫伏级。在电容滤波电路中, 负载电流越大, 纹波电压也越大。因此, 纹波电压应在额定输出电流情况下测出。
纹波抑制比SR定义为稳压电源输入纹波电压峰—峰值△U与输出纹波电压峰—峰值△U之比, 并取对数, 即
单位为分贝 (d B) 。在质量指标中第 (1) 、 (2) 项是描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标, 第 (3) 、 (4) 项是描述负载变化对输出电压影响的技术指标, 第 (5) 项反映了稳压电源对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。
摘要：直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点, 近年来获得了飞速发展。直流稳压电源高频化是其发展的方向, 高频化使开关电源小型化, 并使直流稳压电源进入更广泛的应用领域, 特别是在高新技术领域的应用, 推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要以半桥变换电路为开关电源的主电路, 设计一台品质优良的直流开关稳压电源。
直流屏逆变电源直流偏磁的抑制研究 篇9
在SPWM全桥逆变器中,为了实现输入输出之间前的电气隔离和得到合适的输出电压幅值,一般在输出端皆有工频变压器。逆变桥输出为SPWM脉冲波,理论上不存在直流分量。但是,在实际运行中,很多因素会造成变压器直流偏磁,容易引起铁芯饱和,甚至出现一些故障导致逆变器无法正常工作。而且用于电力系统的直流屏逆变电源,对于输出电压的质量要求更高,因此,直流偏磁情况必须解决。
有关文献对直流偏磁从不同方面做出了研究:文献1采用重复控制策略,但此控制策略动态性能不佳;文献2提出了双环控制,算法比较复杂;文献3在逆变桥周围进行电路改进[3],对于使用IPM模块的逆变器并不适合。
本文通过对单相桥式逆变电源偏磁产生原因深入分析,采用对输出变压器初级电流采样检测,通过PI控制最大限度抑制偏磁。并且通过理论分析,充分考虑变压器对偏磁的承受能力,合理地设计逆变电源输出工频变压器。因此从硬件和软件算法两个方面同时保证逆变系统的正常工作。
1 直流偏磁现象的分析
SPWM全桥逆变器如图1所示。直流偏磁现象是电力变压器的一种非正常工作状态,由于输出变压器原边电压正负波形不对称,引起变压器铁芯工作磁滞回线中心点偏离零点,从而造成磁工作状态不对称的现象[5][8]。在SPWM全桥逆变器中,若输出变压器一次侧电压正负半周波形对称,铁芯磁工作点将以原点为中心沿着磁滞回线对称地往复运动。反之,正负波形不对称,则正负半波磁感应强度幅值不同,磁工作区将偏向第一或第三象限,形成直流偏磁。造成一次侧电压正负波形不对称的原因主要有如下几个因素:正弦调制波或三角载波存在直流分量;功率开关关关断时的存储时间不一致;调制脉冲中死区时间的加入等。
由上述分析可知,在SPWM全桥逆变器中必然存在直流偏磁,变压器的这种状态导致一系列影响变压器正常工作的严重后果:增加了变压器的无功损耗;引起保护继电器的误动作;铁心的高度饱和使漏磁增加,如果偏磁继续积累,铁芯进入深度饱和,磁工作点进入非线性区,变压器铁芯相对导磁率μr将迅速减小,由公式磁导率可以看出,此时励磁电流Iμ迅速增大,甚至会引起逆变颠覆。所以采取合适的方法抑制偏磁至关重要。
2 抗偏磁策略
如图2所示,由安培环路定律可知:Hl=i1N1+i2N2(1)
式中1为变压器铁芯的平均磁路长度。原边电压u1是周期函数,则原边电流i1,主磁通Φ都是周期函数,用傅立叶级数表示如下:
式中u1-,i1-,Φ-分别为u1,i1,Φ的直流分量。而原边电压又可表示为:
式中H-,i2-分别为H,i2的直流分量。由(5)可见变压器初级电压中存在直流分量是偏磁的主要原因,如果能将原边电压中的直流分量迅速检测出来,并加以控制使之减小,就可以很好地抑制偏磁[4][9]。
2.1 原边电流直流分量的检测
原边电流检测调理电路原理图如图3所示。电流信号的处理与电压信号的处理有所不同,本系统采用将电流信号转换成电压信号再对其进行处理,即电流互感器将电流信号转成和其成比例的电压信号,然后经过调理电路,去A/D采样,该采样值就是变压器直流偏磁量的数字表现形式[10]。
检测到直流分量后,需要对他进行调节,达到无偏磁,SPWM逆变器采用全数字化控制,采用数字PI调节最适用,如图4所示。定义原边电流直流分量的误差量Ie(k)=0-i1-(k)。数字PI控制器根据i1-(k)来产生所要求的控制量。
u(z)=KpIe(z)+KIIe(z)/(1-z-1),采用增量式PI控制算法,其增量表达式为:Δu(k)=KP(Ie(k)-Ie(k-1)+KIIe(k),式中u(k)为抗偏磁控制器输出偏磁补偿量;Kp,KI分别为数字PI控制器的比例及积分系数。
通过检测原边电流,并将它作为反馈引入控制电路,通过数字PI控制器得出的控制量可用于对SPWM驱动脉宽进行修正,以减小原方电流中的直流分量,把变压器的直流偏磁限制在较小范围内。这种方法实现了直流偏磁的自动调节[11],实现起来简单直观、效果好。
2.2 变压器的设计
目前,直流偏磁所引起一系列电磁效应和变压器承受直流偏磁的能力,未被系统地研究和完全考虑在变压器的设计过程中,所以研究直流偏磁对变压器运行特性的影响,对于变压器制造厂家和电力系统都是十分重要的。
在逆变电源变压器设计中,应注意变压器对偏磁有一定的承受能力[6]。按B=U/(4.44fN1S)确定变压器的参数时,B的取值不应太接近变压器铁心的饱和磁感应强度,应比铁心的饱和磁感应强度低一些;在B确定后,如果条件允许,应尽量减小绕组的匝数,增大变压器铁心的截面积,增大变压器铁心的磁路长度,初级绕组的导线应尽可能细一些。本文中变压器的设计则是按照以上要求定做,实验结果表明,运行稳定可靠。
3 实验结果
采用上述主电路结构、控制策略、变压器的设计,在一台输出功率为1KVA,频率为50HZ电压有效值为的逆变电源上进行实验,不运用抗偏磁电路和运用抗偏磁电路时的逆变器输出电压波形分别如下图所示:
通过对比可以看出,在没有任何抗偏磁措施的情况下,隔离变压器出现了偏磁,产生了一定程度的畸变,如图(a)所示。采用抗偏磁措施后,变压器输出电压保持为很好的正弦波,偏磁现象得到了很好的抑制,如图(b)所示。
4 结论
本文详细分析了电源逆变器偏磁饱和的机理,在此基础上进行了实验,实验结果证明了本文提出的PI控制的抗偏磁方法可以很好地解决逆变电源输出隔离变压器偏磁饱和的问题,改善了系统的波形控制精度,提高了系统的可靠性,对于逆变器系统的设计和制造具有重要的理论意义和实际价值。
摘要：全桥逆变电源输出变压器存在直流偏磁，会对逆变电源和交流负载产生不利影响，必须消除偏磁来保障逆变电源可靠运行。针对偏磁问题，深入分析了偏磁产生的原因，在此基础上提出了解决方案。从算法改进角度考虑对偏磁的抑制，通过检测变压器原边电流的直流分量，反馈给控制器进行PI调节以减少偏磁。并且在设计变压器时加强对抗偏磁能力的设计。该方案已经成功应用于一台1KVA的电力逆变器中。最后通过实验验证了该方法的可行性与有效性，实验结果表明，该方案产生的正弦波质量高，直流分量消除效果明显。
关键词：直流屏逆变电源,变压器设计,偏磁抑制策略
参考文献
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直流高压电源 篇10
关键词：高压直流输电,直流保护,整定计算,整定预备量
0 引言
高压直流输电系统直流保护装置的工作能力以可靠性、选择性、速动性和灵敏性为衡量指标。这些指标实际上取决于保护装置的软硬件性能、保护原理的有效性和保护定值的合理性[1]。目前的研究大多集中在提高保护原理的有效性方面,如直流保护的动作原理与策略[2,3,4,5,6]、交直流系统的相互作用对直流保护的影响[7,8,9]等;而保护定值的合理性方面存在的问题已导致多起直流保护不正确动作事故[10,11],有必要对直流保护的整定计算展开深入研究。
保护定值的合理性在很大程度上取决于保护整定计算工作的有效开展。直流保护整定计算所需要的故障量极限值,如最大、最小短路电流,由于直流系统所具有的一些特点,难以通过解析化的故障分析算法方便地获得,而不得不依赖于电磁暂态仿真软件以枚举式的方法反复进行仿真计算。由于在设置故障仿真条件时缺乏标准指导而完全依赖于经验,存在着仿真量偏大和可能遗漏故障量极限值等问题,影响了保护定值的合理性,滋生出保护拒动或误动隐患。
针对上述问题,本文参考成熟的交流保护整定经验,提出了直流保护整定预备量(即与保护相关的特征故障量的极限值)的定义,并分析了系统运行方式和故障时刻等因素对整定预备量的影响,进而提出了获取整定预备量的方法:先考虑影响因素的组合,形成完备的故障模式仿真集,再利用时间尺法从特征故障量的仿真波形集中求得极限值。应用预备量的定义和获取方法,本文归纳了直流保护系统涉及到的所有预备量,设计了仿真研究直流保护定值的整定流程,并用仿真实例进行了验证。
1 直流保护整定预备量的定义
交流保护整定计算前,必须确定一类量与值,例如:保护所在线路末端短路时流过保护的最大电流(或零序电流)、本线路保护与相邻线路保护配合时的最大或最小分支系数等[12]。这类量往往受到系统运行方式、故障位置和类型的影响,必须先选择不同的系统运行方式、故障位置和类型,对这类量进行详尽的故障计算,然后根据保护要求从中选择该类量的极限值用于整定计算,如此才能得到正确合理的保护定值。
对于直流保护,在不同的交直流系统运行方式、故障位置和时刻下,故障过程以及与保护相关的特征故障量往往会有较大的差异。因此,直流保护整定计算前,也需要首先在不同的系统运行方式、故障位置和时刻的仿真条件下,仿真得到一组特征故障量波形,然后从中挑选出极限值用于整定计算。对于这类与保护相关的特征故障量和其极限值,可称之为直流保护整定预备量。
2 直流保护整定预备量的影响因素
2.1 交直流系统运行方式
为了保证直流保护装置在各种常见运行方式下都能满足灵敏性和选择性等要求,必须考虑运行方式对直流保护整定预备量的影响。
1)交流系统运行方式
采用电磁暂态仿真软件获取直流保护定值时,由于季节更替、负荷变化和设备检修等,造成交流侧网络结构变化频繁,使得建立全网仿真模型不可行,因此,一般要对交流侧进行等值。目前,工程上在仿真研究特定直流工程的直流保护定值时,常采用等值电源模型[13]。模型一般配有2套参数,分别对应交流系统的最大和最小运行方式。
2)直流系统运行方式
直流系统运行方式是指在运行中可供运行人员选择的稳态运行状态,与接线方式、直流电压方式和控制方式等有关[1]。双极直流工程可能的接线方式有单极大地回线、单极金属回线、双极线并联大地返回和双极运行等。正常情况下均采用双极方式正向输送额定功率,当一极故障停运时,通过改变极、接地极线路、直流线路和转换母线的配置,可转换至其他方式。此外,当绝缘降低或无功控制需要时,可采用降压运行方式,同时还可能伴随降电流。
直流系统运行方式的多样性对保护定值的适应性提出了更高的要求。目前的仿真研究通常重点考虑双极额定功率运行方式和单极大地返回最小功率运行方式,在特殊情况下,例如研究直流线路横差保护时,还需考虑单极金属返回运行方式。
2.2 直流系统故障时刻
换流器网络拓扑随着阀臂通断状态的变化而变化,稳态运行时拓扑变化具有周期性;受扰后,在直流控制保护系统的调节作用下,变化将无序。网络拓扑的时变特性,导致不同时刻发生的直流故障会产生不同的故障过程和特征故障量波形。因此,在仿真获取直流保护整定预备量时,需考虑故障时刻的影响。
实际情况下考虑到故障时刻影响时,可根据故障特征设置典型时刻。以整流侧阀短路故障为例,考虑桥两侧交直流电流差值的变化情况,根据换流桥侧绕组交替发生两相和三相短路的基本故障特征可知:与两相短路相比,三相短路中的差值变化更快。因此,可以根据阀短路后绕组进入三相短路的快慢来选择典型故障时刻。
当然,故障过程还受到直流控制系统的调节作用影响,在面对特定的直流工程时,通过建立实际、详细的控制仿真模型可整体计及控制的影响。因此,一般只考虑系统运行方式和故障时刻2个主要影响直流保护整定预备量的因素。在电磁暂态仿真时,考虑上述影响因素的完备组合便可形成仿真集,仿真集中的元素可称为故障模式。每个故障模式表示了在特定运行方式下、在特定时刻、发生特定故障后的一个独特故障过程。
3 直流保护整定预备量的获取方法
基于以上研究,直流保护整定预备量的获取方法可分为如下步骤。
步骤1:对整定预备量的影响因素进行组合得到完备的故障模式集。组合时,一般需考虑系统运行方式和故障时刻的影响,当保护区内有多个故障位置或多种故障类型时,还必须考虑故障位置或类型的影响。在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中,对故障模式集中所有故障模式分别仿真,得到与保护相关的特征故障量的波形集。
实际上,PSCAD的仿真结果以文本格式记录在输出文件Output File中,仿真波形是依照输出文件中对应的数据列绘制而成的。对波形的处理意味着对数据的处理,反之亦然。
步骤2:利用时间尺法,对波形集中的每条波形(数据列)逐条求取满足保护选择性或灵敏性要求的最大值或最小值,并形成集合。
直流保护判据大多基于采样值,但是,计时策略不完全相同,如返回较慢的DISA1模块和返回最快的传统计时模块。为方便介绍时间尺法,下文以传统计时模块为例进行说明,其在保护延时内任一采样点不满足动作判据时就清零计数器。
如图1所示,时间尺是表征时间的、长度对应于保护动作延时Δt的尺子,朝着时间轴正向,沿着与保护相关的故障电气量ΔI波形平行移动。当在时间尺长度之内的所有波形值恰好都能满足保护的选择性或灵敏性要求时,时间尺在纵坐标上的对应值,如图1中的ΔImax,便是所求故障特征量的极限值。
时间尺法本质上是对仿真输出数据列的循环判断,保护计时策略决定了循环判断的退出条件。因此,时间尺法具有普适性,同样可用于DISA1模块,此时时间尺的长度还与该模块的返回特性有关。
步骤3:从步骤2得到的最大值集合或最小值集合中,再次选取满足选择性或灵敏性要求的最小值或最大值,即为直流保护整定预备量。
4 直流保护整定预备量的应用
4.1 直流保护整定流程设计
工程上,应用PSCAD/EMTDC程序仿真研究直流保护定值的一般模式为:①电磁暂态仿真;②挑选极限故障量;③整定计算。
但是,电磁暂态仿真在设置故障条件时随意性强,容易出现仿真量过大或遗漏极限故障模式等问题;挑选极限故障量对仿真结果输出文件分析的效率偏低;整定计算则基本依赖人工进行。
针对上述缺点,基于整定预备量的研究,设计了一套系统化的整定程序,其计算流程如图2所示。
由于还难以实现EMTDC仿真程序的直接调用,整定计算程序特地设计了数据读取模块,负责将仿真结果输出文件中的相关数据列传递至预备量计算模块。预备量计算模块将结合系统数据库提供的保护延时与返回特性,按照预备量获取步骤计算出特征故障量的极限值,并送至整定计算模块,由其按照具体的保护整定原则完成整定计算。
可见,除了仿真,整定计算余下工作,包括仿真数据的读取、分析和应用,皆由整定计算程序完成,实现了整定计算流程的自动化。而且,利用整定预备量影响因素的研究结果来设置故障模式,消除了故障设置的随意性,既可不遗漏极限故障模式,还可合理降低仿真量。
4.2 直流保护的整定预备量表
直流保护采用的保护原理有差动保护、过/欠量保护、行波保护等,不同保护原理的整定预备量可能不同。以Siemens直流保护装置为例,根据直流保护整定预备量的概念和具体保护的整定原则,归纳了如表1所示的换流器保护、高压母线保护和直流线路保护的整定预备量。接地极保护由于动作延时长,常按运行参数或躲稳态最大不平衡电流的测量误差整定;高速开关保护则常按躲零值测量误差整定,两者均不涉及整定预备量。
结合归纳出的直流保护整定预备量表,按照图2所示流程开展整定工作,能够降低整定工作量并提高自动整定水平,有利于提高保护定值的合理性。
5 直流保护整定预备量实例
在阀侧绕组两相短路、阀短路或整流侧直流出线端短路后,阀会遭受严重的过应力。以贵广Ⅱ回为例,利用故障期间换流桥交流侧电流大于直流侧电流的故障特征构成了短路保护,其Y桥判据为:
式中:Iac,Y为Y绕组电流经整流后的最大值;IdH为整流器高压直流母线电流;IdN为整流器中性直流母线电流。
为避免换流阀遭受严重的过应力,短路保护Ⅰ段(Ⅱ段只在逆变侧投入)应能可靠动作,其定值IⅠ,set应满足选择性和灵敏性要求。根据预备量的定义和保护动作要求,Ⅰ段预备量应是保护动作量ΔI(ΔI=Iac,Y-min(IdH,IdN))在所有故障模式下的极限值{ΔImax}min。此处,ΔImax表示对某个故障模式仿真后得到的保护动作量波形的极大值,{ΔImax}min则表示极大值集合中的极小值。
根据预备量影响因素的分析,对于Y桥短路保护Ⅰ段,系统运行方式在交流侧考虑最大与最小2种方式,并分别对应于直流侧的双极额定功率方式与单极大地返回方式。至于故障时刻,对于阀侧绕组两相短路和阀短路,典型故障时刻可依据故障后进入三相短路的速度(最快、适中、最慢)来考虑;而对于整流站阀厅出线端短路故障,其典型故障时刻需考虑换相开始与结束时刻,以及出线端直流电压的最大值和最小值时刻。
在PSCAD中搭建了贵广Ⅱ回的仿真模型,并按照上述要求一共形成28个故障模式,仿真输出文件保存在指定的文件夹路径下。整定计算程序的数据读取模块根据保护动作量ΔI的测量通道关键字读取输出文件的对应数据列;预备量计算模块则利用时间尺法对每个故障模式的数据(波形)选取极大值ΔImax构成集合,再从中选出最小的极大值{ΔImax}min。
考虑到故障模式较多,以及篇幅的限制,图3仅给出了属于不同故障点的最小极大值所对应的保护动作量波形。
由图3可知,预备量计算模块短路保护Ⅰ段的整定预备量{ΔImax}min约为2.1(标幺值)。在整定计算模块中,根据短路保护Ⅰ段整定原则,IⅠ,set={ΔImax}min/Ksen(Ksen为灵敏系数,是由系统数据库提供的整定参数,其值一般为1.3~1.5),短路保护Ⅰ段定值IⅠ,set自动整定为1.4~1.6(标幺值)。
贵广Ⅱ回直流工程的Y桥短路保护Ⅰ段定值为1.5(标幺值),实例定值与之相当接近,证明了本文所提出的整定预备量定义、获取方法在应用于贵广Ⅱ回直流保护整定时具备一定的可行性,能够在不遗漏极限故障值的同时合理地降低仿真量(28次仿真),所设计的整定程序则进一步降低了整定工作量,显著地提高了整定自动化程度。
6 结语
针对目前利用PSCAD仿真研究直流保护定值所存在的问题,本文提出了直流保护整定预备量的定义,对其影响因素和获取方法进行了深入分析。基于上述分析,设计了仿真研究直流保护定值的整定计算流程,并归纳了直流保护涉及的全部预备量。通过仿真,初步验证了采用整定预备量的定义和获取方法可以确保不遗漏极限故障值;按照设计的整定计算流程,根据归纳的整定预备量表开展直流保护整定工作,可显著地降低整定工作量和提高整定自动化程度。上述工作整体上有利于提高保护定值的合理性。
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