电源电压降（共3篇）
电源电压降 篇1
0 引言
电压暂降是配电系统中常见的电压扰动现象, 无论如何提高电力系统的可靠性, 电压暂降现象仍然存在。电压暂降不同于电压波动或欠电压, 是指母线电压有效值大幅度快速下降且持续时间极短的突发事件。国际电工委员会 (IEC) 将其定义为下降到额定值的90%至1%, 国际电气与电子工程师协会 (IEEE) 将其定义为下降到额定值的90%至10%, 其典型持续时间为0.5个周期至1 min[1]。
就现象而言, 电压暂降并不是新问题。但是, 由于其危害和影响十分突出, 使它成为近年来日益引起电工界关注的最重要的电能质量问题。CIRED KL2002国际供电会议主席指出, 把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要问题, 而电能质量的首要问题是电压骤降, 应该作为研究解决的重点。到目前为止, 电压骤降还没有统一的国际标准, 现有的标准主要有:国际电气与电子工程师协会1346标准和欧洲的EN50160标准等, 我国至今还无相关标准。
1 电压暂降的起因和危害
1.1 电压暂降的起因
导致电压暂降的原因非常复杂, 有自然因素, 也有人为因素, 有供电部门系统保护的因素, 也有设备原因和误操作等因素。引起电压严重暂降的主要原因是系统元件或线路的故障, 其特征为:暂降幅度大、近乎矩形曲线、持续时间短 (即故障在线时间) ;引起电压暂降的另一主要原因是大功率的用电设备突然启动, 其特征为:暂降幅度小、非规则矩形、持续时间长。据统计, 非本线路故障引起电压暂降所占比例可达77%, 且配电线路故障引起电压暂降的比例大于输电线路引起电压暂降的比例[1]。
1.2 电压暂降的危害
电压暂降和中断是影响大工商业用户的最主要的电能质量问题。当保护装置动作时该供电线路上将出现电压中断, 而相邻线路上都将发生不同程度的电压暂降, 因此, 电压暂降远比电压中断发生的次数多。所以从总体上来看, 电压暂降所带来的损失是巨大的。
大多数电力电子设备对动态电压扰动非常敏感, 电压暂降会引起整套设备或生产线都受到牵连和影响, 导致产品报废、设备损坏以及重新启动达到生产所需的条件需要较长的时间, 给用户带来巨大的经济损失。电压暂降对不同行业和设备, 会产生不同影响[2]。
1) 冷却控制装置:对生产电子器件的厂家来说, 在发生电压暂降的情况下, 制冷用的大型电动机可能跳闸而停止工作;
2) 直流电机控制:在印刷与塑料生产中, 发生电压暂降期间, 直流驱动的控制器和卷绕机都可能断电, 造成巨大的经济损失;
3) PLC:在工业生产中, PLC的某些部分对电压暂降非常敏感;
4) 机械装置:电压的任何波动, 特别是电压暂降, 都有可能引起自动装置或复杂机械的不安全运行;
5) 可调速装置:电压暂降可能引起可调速驱动装置跳闸。
2 电压暂降的解决方案
2.1 提高设备抵御电压暂降的能力
根据ITIC曲线、SEMI曲线和国家标准GB/T17626.11-2008和GB/T22841-2008中所要求的或建议的对设备抗扰度的能力, 供电部门可建议用户在用电设备的订货合同上向设备制造商明确这方面的技术要求, 以使设备对某种程度内的电压暂降或电压短时中断有抵御能力。供电部分也可根据GB/T22841-2008的规定, 制定进入电网的设备应符合的抗扰度要求, 在审图意见方面进行规范。
2.2 安装电压补偿装置
2.2.1 动态电压调节器 (DVR)
DVR是一种串联型电能质量调节器, 采用基于电力电子器件的PWM逆变器结构, 其主电路由以下四个部分组成:基于全控器件的电压源型逆变器、输出滤波器、串联变压器和直流储能单元。DVR相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源, 采用适当的控制方法可以使该电压源产生所需填补的瞬时电压波形, 并串联加入电网, 使负荷侧近似保持为正弦波形额定电压[3,4]。单相DVR的原理图见图1。
2.2.2 动态电压暂降补偿装置 (Dy SC)
大多数的DVR补偿装置仅有补偿50%的电压暂降能力。Dy SC可以提供更深的电压暂降能力, 同时还可提供对短时电压中断的补偿。在响应时间上它可以在2 ms内提供对电压暂降的补偿。目前Dy SC的补偿容量可做到从250W到3MW。主要适用于对点的补偿。单相Dy SC的原理图见图2。从图中我们可以看出, Dy SC是由一个固态旁路开关和一个并联在输入输出端的校正储能模块构成。在正常运行情况下, 反并联晶闸管导通, 电源电压经过晶闸管给负荷供电, 同时电容器充电。在检测到电压暂降或中断时, 反并联晶闸管关闭, 校正储能模块串联在配电系统中, 在输入电压上叠加适当的补偿电压, 为负荷提供近似正常的工作电压, 同时电容可继续充电。Dy SC与DVR相比由于没有串联于线路中的变压器, 因此, 有效地防止了变压器饱和, 减少损耗, 提高输电效率。同时比DVR有更高的补偿深度和更短的响应时间。
2.2.3 不间断电源 (UPS)
UPS为一种长见的解决电压暂降和短时中断的不断电系统。其串联于供电端与负载间, 经整流与逆变器转换提供标准的电源到负载, 因此, 负载不会感受到供电电源的异常现象。日前, 市场上供应的UPS电源设备种类较多, 一般UPS用于低压系统, 输出容量可由50 VA~3 000 k VA, UPS一般采用蓄电池作为储能元件, 因此, 存在电池寿命、电池维护与监测等问题。飞轮储能装置和超导储能装置可以应用在UPS中代替蓄电池作为储能元件。
另外, 电压补偿装置还有铁磁谐振变压器、静态转换开关等。
2.3 改变配网系统设计
变电站某条线路发生接地或短路故障, 造成本线路出现电压中断, 也会造成同一母段其它线路出现电压暂降, 使事故进一步扩大、恶化, 给工业生产带来重大损害。因此, 把重要负荷和经常出现故障的线路或干扰源分开是降低电压暂降的可行方案之一。如:用户可投资建设自己的专线, 不接入其它用户;供电部门可考虑将同一区域内的对电能质量要求高、电量需求大的企业接入同一主变, 此主变不给其它用户供电等。改变系统设计是供电部门在与用户签署供用电合同时事先考虑的问题。
2.4 减少故障数目、缩短故障切除时间
在用户减少自身设备对本身影响的同时, 供电部门也应该努力降低因系统方面的原因造成的电压暂降。线路故障是一种随机事件, 不可能完全避免。但是减少发生的次数是能够实现的。如:加强线路巡视, 及时修剪线路走廊两旁的树枝来防止通过树木造成的短路;在电力设备周围加设护栏防止动物造成的短路;定期清洗绝缘子防止污染等。只有尽量减少故障数目, 才是最好的解决方案。
在线路发生故障至断路器成功切除故障之间同一母段其它线路会产生不同程度的电压暂降。电压暂降的幅值跟短路地点、线路阻抗、短路的类型等多种因素有关我们无法控制, 但是电压暂降的时间是由断路器的故障切除时间所控制的, 设备会随着电压暂降时间的减小而得到可以抵御更深幅度的电压暂降的能力, 因此, 减少故障切除时间可以使更多的设备抵御干扰。
3 结语
电压暂降是一个特别突出的电能质量问题, 本文提出了几种解决电压暂降的方案, 以期降低电压暂降次数及危害, 这不仅对电网安全意义重大, 而且对国家的经济发展也有重要意义。需进一步开展的工作有: (1) 电能质量在线监测系统软件要不断的健全完善, 提高电能质量的全面检测能力; (2) 我国至今还无电压暂降方面的相关标准, 因此, 需要建立相关标准, 以协调供电部门与用户之间的利益关系。
参考文献
[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社, 2010 (2) .
[2]李娟娟, 李天友, 蔡金锭.泉州地区电网电压骤降的分析及建议[J].电力设备, 2006, 7 (3) .
[3]徐忠.现代电能质量的主要问题及其对策[J].四川电力技术, 2004 (5) .
[4]沈广, 陈允平, 李欣.基于电能质量实时监测系统的电压暂降研究[J].高电压技术, 2006 (5) .
汽车电路故障的电压降检测法 篇2
1. 电压降检测法
1.1 电压降
在电路中, 电流通过电阻或导线时产生的阻碍引起的电压值的下降, 称电压降, 通常导线或用电设备的电阻越大, 其产生的电压降就越大。在闭合电路中的部件或负荷工作时需消耗一定的电压。电压降说的就是负荷两端消耗的电压。只在有电流时才有电压降。
汽车上的用电设备或控制单元都有额定的工作电压和电流, 不能有过大的偏差, 否则容易引起用电设备或控制单元, 功能丧失甚至损坏。以起动电路为例, 车辆起动时, 起动机工作电流高达200—600A, 这要求起动电路的电压降非常小, 以降低起动机的功率损失, 减少能量损耗, 从而实现发动机的稳定起动, 同时保护起动机。如果电压降过大, 将导致起动机两端电压过低, 起动机运转无力。
1.2 电压降检测法
电压降检测法师利用万用表测量电路中每个电器元件和插接器处前后位置的电压值, 并计算出该元件或插接其所差生的电压下降, 从而判断出电路技术状况的方法。电压降检测法对于汽车电路故障, 尤其是隐藏故障的诊断有着非常重要的作用。
实验证明, 汽车电路中, 单个回路的电压损失最大为电源电压的3%, 那么作为以12V电源电压制式的汽油发动机车辆上最大电压降应为0.36V。在电路检测中如果电压降超过0.40V, 可视为电路中存在异常, 即有高电阻存在。
在进行电压降检测时万用表应置于直流电压档 (DC档) , 确定电源电压正常条件下, 带电测试电路各节点的电压降。测试时应逆着电路电流方向进行, 并选用低量程 (0~5V) 的直流电压表。
2. 电压降和电阻检测法的比较
2.1. 电阻检测的局限性
以照明电路为例, 连接电路的到导线由数根直径很小的铜丝外面包裹绝缘材料组成, 铜丝横截面积之和对于导线的质量起决定作用。当照明电路线束内部分铜丝已经脱断, 仅少部分连接, 时用万用表进行电阻检测, 测量该导线阻值时极有可能为小于1欧姆, 从而判断做导线正常的判断。然而照明电路工作电流较大, 导线内部少量未断的铜丝, 不能承受过大的照明电流。在打开前照灯时断股的导线对电流的阻力会使导线自身快速发热, 产生功率消耗, 以致前大灯光照亮度不够, 甚至无法点亮。
上述情况下, 电阻检测方法就表现出了局限性, 它不能发现已经存在的故障隐患。原因在于使用万用表测量导线的电阻时, 不一定会表现出阻值增加, 从而使维修技术人员做出电路技术状况良好的判断, 无法发现电路真实存在的故障。
2.2 电压降检测
使用电压降检测法时, 利用电路中的各连接节点, 对每个部位进行电压测试, 则能准确快捷地找到线路中的故障。
以如图1所示起动电路为例, 车辆存在起动时起动机运转无力, 起动机发出“咔擦、咔擦”的响声。
使用电阻检测法进行故障诊断时将发现:测量起动机电源电压12V以上正常;测量起动机搭铁端与车身电阻小于1欧姆正常。此时极易做出起动机自身故障的诊断结果。
使用电压降检测法:如图1所示测量起动机正负极的电压损失发现正极的电压降为0.2V, 正常;而接地端电压损失为2V, 不正常。假设起动机工作时电流为200A, 这一电压降将产生的功率损失为P=U×I=2V×200A=400W, 意味着有400瓦的功率损失从起动电路中消失, 从而导致了起动机运转无力的故障。使用电压降检测法准确的判断出起动机接地存在“虚接”的故障。
进行电压降检测时, 虽然有电压降不大于电路电压3%的整体体要要求求, , 但但是是在在车车辆辆维维修修中中还还要要掌掌握握常常见见电电路路元元器器件件的的电电压压降降标标准, 以及企业的电路电压降标准, 以便判断电路质量, 进而确定故障部位。
摘要：介绍了电压降及电压降检测法的原理, 利用照明电路为例在比较了电阻检测法和电压降检测法, 同时举例说明电压降检测法能够更为准确的检测电路中已经存在的故障隐患和电路质量。
关键词：汽车电路故障,电压降检测法,电阻检测法
参考文献
[1]论汽车电路搭铁不良的故障及检修技巧, 李智杰, 《农业装备与车辆工程》, 2009 (5) :57-59
[2]大众轿车电路图解析与故障诊断, 孔水清, 《汽车维修》, 2010 (11) :7-10
电源电压降 篇3
基准电压源模块因其输出稳定, 与电源电压、温度等变化无关, 广泛应用于模拟和数模混合电路中, 例如A/D, D/A转换器, 逆变器等[1]。应用于高压逆变器中的基准电压源, 为其他模块提供偏置电流和作为比较器等的基准电压使用, 对此要求其在温度和电压变化的时候仍能保持其输出电压稳定, 否则会引起电路出现逻辑混乱, 使系统不能正常工作, 甚至发生过压击穿等事故。 这样在高压中低频环境下需要一个有良好温度系数和高电源电压抑制比的基准电压源的重要性就不言而喻。
传统的基准电压源在0~70 ℃的温度范围内产生温度系数为1×10-4/°C的基准电压, 电压抑制比在-80~-70 d B, 且随着频率升高在103Hz左右迅速下降, 难以达到逆变器电路要求。本文采用无锡上华1 μm、700 V高压CMOS工艺进行设计与仿真, 通过推导分析基准电压源电压抑制比的影响因数, 对核心电路进行了改进并设计了一个高开环放大倍数, 高电源抑制比的放大器, 以减小温度系数并提高基准电压源的电压抑制比。此基准电压源的温度系数达到8 ppm/℃, 交流低频电压抑制比达到-112 d B, 并在中高频都能保持较高的电压抑制比。
1改进的基准电压源电路
利用双极晶体管Vbe电压的负温度系数和不同电流密度偏置下两个双极晶体管电压差Vbe产生的正温度系数特性, 可以获得零温度系数基准电压[2]。如图1所示, 是经过改进的带隙基准电压源核心电路。使用两个双极晶体管并联来消除放大器失配的影响, 用共源共栅电流源来保持每个支路的电流有相同的温度系数, 并且利用共源共栅的电压屏蔽特性来解决因MOS管沟道长度调制所产生的对电源电压的依赖性[2,3]。
如图1所示, 放大器工作在深度负反馈下, 以保持Va和Vb相等, 即Va= Vb, 同时Va= 2Vbe, Vb= 2Vbe3+ IR2, 可得到:
式中:IS= AE× JC;AE为发射极面积, JC为集电极电流密度。
当T=300K时, 此时, 令双极晶体管Q3, Q4的发射极面积为Q1, Q2的N倍, I1, I2的电流为I3, I4的M倍, 再适当选取R1, R2的值, 使则可得到零温度系数输出电压Vref。
2 电源电压抑制比分析
启动电路和偏置电路对基准电压源的电源抑制比不产生影响, 电源电压抑制比只与放大器和带隙基准核心电路有关, 对于这两部分的结构如图2所示。
其中, A1 (s) 为放大器输入到输出的传递函数, 即放大器的开环放大倍数, V1为放大器的输出, Add (s) 为电源电压对放大器输出V1的传递函数, A2_va (s) , A2_vref (s) 分别为放大器的输出V1到端点a, Vref的传递函数, Add_va (s) , Add_vref (s) 为其相对应电源电压Vdd到a, Vref端的传递函数, A3 (s) 为Vref端到b的传递函数。
由式 (4) ~式 (7) 可推导出,
下面分析带隙基准核心电路, 双极晶体管交流接地, 可得到, A2_va (s) =0, Add_va (s) =0, 在低频下,
所以,
想要得到高电压抑制比的带隙基准电压源, 除调整带隙基准核心电路器件参数外, 还需要设计高开环增益、高电压抑制比的放大器, 即A1 (0) 要大, Add (0) 要小。
3带隙基准源设计
为了得到高电源抑制比的带隙基准源, 设计如图3所示的带隙基准电压源电路。其中M1-M8及Q1-Q4组成带隙基准电路, M9-M32为本文设计的高开环增益、高电压抑制比的放大器。M23-M32构成运算放大器电路。为了提高增益采用两级放大。第一级为差分放大, 使用共源共栅结构作为负载来提高增益。第二级采用共源级放大以继续提高增益, 同时也扩展输出摆幅。C1为米勒电容, 它使放大器的高频极点远离主要极点, 保持放大器稳定工作, 同时引入M30进行超前补偿, 使放大器有足够的相位裕度。M9-M22构成偏置电路。因为使用共源共栅结构会限制输出摆幅, 偏置电压的设计应尽量使共源共栅的每个MOS管都处于饱和区边缘, 以使输出摆幅达到最大。所以设计的偏置电路采用宽幅电流镜来替代普通的电流镜, 其提供的偏置电压能使共源共栅的每个MOS管都处于饱和区的边缘。图4中M9-M12和M20构成一个PMOS的宽幅电流源, M13-M16和M19构成一个NMOS宽幅电流源, M17, M18, M21, M22构成偏置电流环。
M33-M36构成启动电路。当电路中所有电流都为零时, M36处于截止状态, M33, M34的栅极为高电平, 使其导通, 启动电路。当电路启动后, M36导通将拉低M33, M34的栅极电压, 使它们关断, 从而不再影响电路。
如上文所述的设计可得到高开环增益的放大器, 对于高电压抑制比的设计如下。对于两级放大器的电源电压抑制比, 文献[5]给出了影响放大器电源抑制比的因素, 在低频时Add≈ 1 , 主要的影响因素为差分输入级尾电流的偏置电压Vbias随电源电压Vdd变化而引起的电流变化会使电源抑制比下降。所以在偏置电路的设计时要保证Vbias不受电源电压影响。对于偏置电路有ID15=ID16,
通过所设计的偏置电路使M16的跨导只有几何比例和R0决定, 与电源电压、工艺参数、温度等无关, 且与M16在同一个偏置网络中的所有晶体管的跨导都会保持稳定。这样对于M23的VGS就可以保持不随电源电压变化, 同时在设计时, 适当增大M23的L, 可增大M23的输出电阻, 也可有效抑制电源电压的影响, 这样可以保持尾电流不变, 解决放大器在低频时随电源变化电源抑制比降低的问题。
4电路仿真和测试
本次设计在5 V电源电压下, 利用Cadence SPEC-TRE工具对基准电压源进行电路仿真。图4是基准电压源的温度特性曲线, 在-45~100 ℃的温度范围内, 基准电压变化幅度为0.002 8 V, 温度系数为8 ppm/℃。
图5是基准电压源交流电源电压抑制比仿真曲线。 在中低频部分的电源电压抑制比可以达到-112 d B。带隙基准电压源的测试结果如表1所示。
5结语
本文使用1 μm, 700 V高压COMS工艺, 通过对基准电压源进行建模分析, 设计了一种高开环放大倍数和电源电压抑制比的放大器, 从而得到了在中低频下高电源电压抑制比的基准电压源。在5 V电源电压供电情况下, 该电路输出基准电压为2.394 V, 温度系数8 ppm/℃, 电源电压抑制比可达到-112 d B。
摘要：在此通过对带隙基准电压源电路进行建模分析, 针对逆变电路的中低频使用环境, 设计了一个应用于高压逆变器电路中的高电源电压抑制比, 低温度系数的带隙基准电压源。该电路采用1μm, 700 V高压CMOS工艺, 在5 V供电电压的基础上, 采用一阶温度补偿, 并通过设计高开环增益共源共栅两级放大器来提高电源电压抑制比, 同时使用宽幅镜像电流偏置解决因共源共栅引起的输出摆幅变小的问题。基准电压源正常输出电压为2.394 V, 温度系数为8 ppm/℃, 中低频电压抑制比均可达到-112 dB。
关键词：高电源电压抑制比,带隙基准,基准电压源,低温度系数,一阶补偿
参考文献
[1]应建华, 陈嘉, 王洁.低功耗、高电源抑制比基准电压源的设计[J].半导体学报, 2007, 28 (6) :975-979.
[2]JOHNS D A, MARTIN K.Analog integrated circuit design[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[3]张朵云.高电源抑制CMOS基准源的设计[D].南京:东南大学, 2006.
[4]SUN N, SOBOT R.A low-power low-voltage bandgap reference in CMOS[C]//Proceedings of 2010 23rd Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering.Calgary, Canada:[s.n.], 2010:1-5.
[5]周玮, 吴贵能, 李儒章.一种高电源抑制比CMOS运算放大器[J].微电子学, 2009, 39 (3) :340-343.
[6]VAJPAYEE P, SHRIVASTAVA A.Wide output swing inverter fed modified regulated cascode amplifier for analog and mixedsignal[C]//Proceedings of TENCON 2009 IEEE Region 10Conference.Singapore:IEEE, 2009:1-5.
[7]朱治鼎, 彭晓宏, 吕本强, 等.高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计[J].微电子学, 2012, 42 (2) :146-149.
[8]HEYDARI B, REYNAERT P.A 60 GHz 90 nm CMOS cascode amplifier with interstage matching[C]//Proceedings of Microwave Integrated Circuit Conference.Munich, Germany:[s.n.], 2007:88-91.
[9]周永峰, 戴庆元, 林刚磊.一种用于CMOS A/D转换器的带隙基准电压源[J].微电子学, 2009, 39 (2) :25-33.