直流电源（精选11篇）
直流电源 篇1
直流系统的设备由整流充电装置、整流控制装置、直流馈线、蓄电池组及相应的辅助信号装置组成, 它包括了电子技术、电力电子技术、蓄电池、继电保护等方面的知识, 因此在使用维护时, 要具备一些这几方面的基础知识, 使用和维护好设备。同时, 要抓好设备管理工作, 做到专人专职负责, 经常检查设备运行情况, 发现问题及时处理, 使直流系统设备处于完好的工作条件下。
直流系统的工作方式一般从可靠性的观点出发采用浮充电, 即正常时, 使整流装置与蓄电池组及负荷并联, 一方面向负荷供电, 一方面向蓄电池组浮充电, 为了延长电池的使用寿命, 要求整流装置要有高精度的稳压性和稳流性能, 同时还要设置电压调整电路, 以便蓄电池组在充电及放电时调整好控制母线电压, 使控制母线电压在合格的范围内。电压的调整方式一般用端电池调压方式和整流元件 (硅堆、硅链) 调压方式。
一、可控硅整流电路直流电源的常见故障及处理办法
(一) 交流电源故障。
容易造成充电机不能正常工作。
1.交流电源消失。
检查交流电源是否已经断开, 查明原因排除故障后把交流电源重新投入。
2.三相交流电源失相。
检查熔断器是否已经熔断一相或两相, 查明原因排除故障后更换新的熔断器。
(二) 过流继电器动作。
1.直流回路有短路故障。
检查短路故障发生的地方并进行排除。
2.充电装置输出的电流给定值。
过大会造成过流继电器动作, 因此要把充电装置输出的电流给定值往小调整, 调整到合适的位置。
3.蓄电池组的电压过低。
用大电流充电也会造成过流继电器动作。
(三) 熔断器熔断。
1.可控硅击穿。
如果1号可控硅击穿, 当触发了3号和5号可控硅时会经1号可控硅造成交流电源短路, 快速熔断器熔断, 查明原因, 把电停下, 更换相同型号的可控硅, 更换熔断器。
2.直流回路短路。
造成快速让熔断器, 需查明原因排除故障更换熔断器。
3.滤波电容器击穿。
会造成熔断器熔断, 需查明原因更换相同的滤波电容器。
(四) 调压回路故障。
调压回路故障会造成控制母线电压消失, 调压回路主要元件是降压硅堆和调整硅堆的继电器。硅堆因为是功率元件, 当控制回路发生较长时间短路时, 可能会造成硅堆击穿和烧坏。硅堆击穿后, 他的降压特性就没有了, 可定期用万用表检测每片硅堆两端的电压, 正常值在0.7—1.1伏之间。如果硅堆烧坏, 整个回路就是开路, 控制母线就会失去电压, 首先保护装置就会失去作用, 当一次设备有故障时, 保护装置不动作, 就会造成事故的扩大、越级, 这会造成很严重的后果。这时就必须马上将自动调压装置退出, 投入手动调压, 把发生故障的那组硅堆短接过去, 使母线不会失去电压。这时可用新的一片硅堆换下烧坏的硅堆, 换好后即可恢复原先的工作状态。
二、微机控制高频开关电源模块的直流电源
微机控制高频开关电压模块的直流电源是高技术、高智能化、高可靠性的直流系统。
(一) 高频开关电源模块电路设计。
采用先进的控制策略, 使电源模块的性能十分优越可靠
(二) 电源模块结构简单。
平时运行时, 当模块发生故障时更换模块很简单, 很容易。
(三) 高频开关电源模块有很好的率波和屏蔽。
能使电源模块具有良好的电磁兼容性。
(四) 电源模块具有很强的自主均流能力。
这样使模块在系统中扩容是十分的方便。同时模块具备完善的保护措施。
(五) 微机控制非常灵活。
使直流电源柜系统完全满足无人值守的电站的要求。
(六) 微机绝缘监测装置。
能够实时在线监测直流母线及各馈线回路的绝缘, 发现问题及时给出报警信号, 并及储存报警数据。
(七) 电源模块。
有很好的隔离性能及安全性能, 工作效率高, 输出电压的质量很高。
高频开关电源模块直流电源系统采用 (n+1) 高频开关电源模块并联运行方式供电。任一高频开关电源模块故障都不影响系统的正常运行, 并可实现不停电进行更换, 使系统运行的可靠性得到大大提高, 系统具备完善的输入、输出的保护措施。有蓄电池自动充电功能, 使蓄电池能够处于安全工作状态, 并得到科学的维护和保养, 提高了蓄电池的使用寿命。系统还有监控装置, 蓄电池组的监测装置。
三、高频开关电源模块的常见故障及处理方法
(一) 高频开关电源模块输出电压过高或过低, 故障指示灯亮。
应立即进行电压的调整, 把电压调整到合格的电压值, 故障指示灯灭, 恢复正常。
(二) 交流输入电压过高或过低, 故障指示灯亮。
检查交流输入电压, 找出问题立即处理。处理好后, 交流输入电压恢复正常, 故障指示灯灭。
(三) 模块温度过高, 故障指示灯。
检查模块里的散热风机是否正常。
(四) 模块的交流输入开关跳开, 模块故障指示灯亮。
检查模块的交流输入是否有短路及接地, 处理好故障。再给上交流输入开关, 故障指示灯灭, 恢复正常。
(五) 蓄电池保险烧毁。
检查蓄电池回路是否有短路的地方, 并立即处理好故障, 换上新的保险, 且保险容量应符合要求。
(六) 直流电源屏要经常地进行清扫、检查。
检查各个元器件的工作状态, 检查元器件是否有不正常工作的, 检查线路是否有发热的。检查屏上的电压表、电流表是否正常。检查监控装置工作十分正常。测量母线对地电压值, 看是否有接地现象。定期测量蓄电池的单只电压值是否合格。微机监控装置能够定时启动均充对蓄电池进行补充电。
直流系统的安全运行是靠我们日常很好的维护来保证的, 直流系统的安全运行是保证电力设备安全运行的一个关键的环节。
直流电源 篇2
①交流部分。交流部分的市电输入一般为2路380V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15-20KA，残压在1.5KV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220V交流输入，功率因素可达0.99以上，模块容量一般为每块20A/-48V～50A/-48V;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。
浅谈变电站直流电源系统设计 篇3
关键词：直流电源系统；蓄电池组；绝缘监测装置
中图分类号：TM642 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0116-02
1 变电站直流电源系统作用
变电站直流电源系统主要用于为变电站控制保护装置、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等装置提供电源，其性能与质量直接关系到变电站设备的安全可靠，甚至影响到整个电网的稳定运行。
2 变电站直流电源系统构成
变电站直流电源系统主要由交流进线、充电装置、监控单元、馈线回路、蓄电池组、绝缘监测装置等组成。
2.1 交流进线
交流进线主要由交流输入开关、交流接触器、防雷器等部件组成。为了保证交流供电的可靠性，交流进线大多使用两路交流输入，此时就需要配备带机械互锁装置的交流接触器或是双电源自动切换装置，两路交流电源应分别取自站用电不同段的交流母线。
2.2 充电装置
充电装置采用智能高频开关电源模块，具有体积小、效率高、扩容方便等优点。
2.2.1 模块采用N+1冗余设计，可带电热拔插。
2.2.2 多个模块并列运行时，具有良好的均流特性。
2.2.3 每个模块内部具有监控功能，能不依赖总监控单元，独立工作。
2.2.4 模块具有输入过压、欠压、缺相或相间不平衡、输出过压、欠压、短路、模块过温保护等功能。
2.3 监控单元
微机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。装置一方面能根据直流系统运行状态，综合分析各种数据和信息，对整个系统实施控制和管理；另一方面还能将整个电源系统的信息以客户指定的通讯协议上传到后台，而且能适应直流系统各种运行方式。监控单元一般有按键式和触摸屏两种操作方式，用户可以根据自己的需要灵活选择。
2.4 馈线回路
根据用户的实际需要设计一定数量的馈线回路，包括馈线开关、状态/报警触点、指示灯等部件。
2.5 蓄电池组
2.5.1 蓄电池组的型式。蓄电池组是直流系统的重要组成部分，一般选用阀控式密封铅酸蓄电池。
2.5.2 蓄电池组的配置。为满足控制和保护冗余供电需要，220～500kV变电站直流电源系统均应配置两组高频充电装置和两组蓄电池；为满足无人值班直流供电冗余需要，110kV变电站直流电源系统宜配置两组高频充电装置和两组蓄电池。
2.5.3 蓄电池组的安装方式。蓄电池组可以采用集中安装和分散安装两种方式。集中安装一般采用组屏安装然后与其余的充馈电柜等安装在一起；分散安装则需设立独立的电池室，将电池安装在电池架上。用户可以根据现场的实际情况选择合适的安装方式。当变电站设有继电保护装置小室时，一般采用分散安装方式。
2.5.4 接线方式。
（1）一组蓄电池直流系统采用单母线分段接线或单母线接线。单母线分段接线分为两种类型：一组蓄电池配置一套充电装置时，二者接入不同母线段；一组蓄电池配置两套充电装置时，两套充电装置接入不同母线段，蓄电池组跨接在两段母线上。
（2）两组蓄电池直流系统采用两段单母线接线，蓄电池组分别接于不同母线段，二段母线之间设联络电器。它可分为两种类型：两组蓄电池配置两套充电装置时，二者接入不同母线段；两组蓄电池配置三套充电装置时，两组蓄电池及两套充电装置分别接入不同母线段，第三套充电装置经切换电器对两组蓄电池进线充电。
两组蓄电池正常情况下应分列运行，考虑到定期充、放电试验要求，为了转移直流负荷，
需要对二段母线进行切换操作。切换时蓄电池组不得脱离直流母线，切换过程中允许两组蓄电池短时并列运行。并联操作时两组蓄电池的压差应满足小于系统额定电压的5%的要求。
两段母线间的联络电器可以采用直流隔离开关，因短时并联操作频率低，可加装机械锁。
2.5.5 蓄电池组出口保护电器。蓄电池组出口保护电器大多采用熔断器。由于多种因素导致熔断器熔断后其报警触点不能可靠地发出报警信号，所以运行人员不能及时发现蓄电池组自动脱离直流母线的重大故障。一旦站用交流发生异常，将会导致全站直流失压，造成非常严重的
后果。
针对以上情况提出一些解决方案：一是当系统某回路发生短路后，运维人员应对该回路进行系统的检测，尤其是蓄电池组熔断器，必要时要更换熔断器；二是在蓄电池组增加一只电流传感器，当回路电流为零时报警；三是蓄电池组保护电器可以选用带辅助触点的直流专用断路器。
2.6 绝缘监测装置
2.6.1 功能。绝缘监测装置的主要功能是对母线电压、母线对地绝缘电阻及各馈线支路、蓄电池回路绝缘状况进行测量判断，超过正常范围时自动发出报警信号，并正确指示发生故障的支路。它既可通过串口与监控模块通讯，也可直接与综合自动化系统相连。
2.6.2 工作原理。支路绝缘监测原理目前有两组检测法，即低频信号注入法和直流漏电流检测法。
（1）低频信号注入法：较早的绝缘监测装置基本上都采用了小信号注入法，即当母线检测到接地异常时，将一个约5～20V，5～20Hz的低频信号注入母线，交流CT通过锁相技术等方式便可检测到不平衡电流即漏电流，然后再通过数据线将检测信号送至主机做相应处理。优点是CT结构简单、成本较低。缺点是一旦注入交流信号的幅值或频率及低频信号源选择不当，容易引起保护误动或干扰设备正常运行；检测精度受接地电容影响，不能识别母线接地极性，当系统存在较大电容电流时，会影响装置的正确
判断。
（2）直流漏电流检测法：优点是无需向母线注入交流信号，受接地电容的影响小，能识别接地母线的极性，能测量双端接地。缺点是成本高于交流CT，环境温度和工作电压的波动会影响测量精度。
2.6.3 配置原则。直流系统发生一点接地时系统仍然可以维持运行，但应立即报警尽快消除，否则再发生一点接地就会形成两点接地，很有可能造成保护装置误动、拒动或直流系统短路等故障。因此直流系统绝缘监测装置应具有较高的绝缘故障监测灵敏度和绝缘阻值测量精度，应能连续长期运行，必须具有防止直流系统一点接地引起保护误动作的功能。
绝缘监测装置分主机和分机，主机需要配置平衡桥电阻和检测桥电阻，而分机不用。
220kV及以上变电站应按蓄电池组数量配置相应数量的直流微机绝缘监测装置主机。
同一变电站内两段独立的直流母线应在各自的直流主屏上分别配置一套同型号、独立的直流绝缘监测装置
主机。
直流分电屏应配置直流监测装置分机，不应再配置
主机。
独立运行的两段直流母线，若需要短时间并列运行时，应退出一套绝缘监测装置及断开平衡桥接地回路。为了操作方便，可以安装绝缘监测装置手动/自动投入开关。为了便于发生接地故障时能够较快查出接地位置，可以尽量多增加一些馈线开关，减少下级并联支路。
3 结语
为了更好地满足电网安全、可靠运行的要求，同时为了避免因为直流系统故障，扩大为事故，并导致大型设备损坏或引起大面积电网事故的可能性。我们应该不断地加强技术进步，优化设计方案，生产出优质的、高水平的
产品。
参考文献
[1] 电力工程直流系统设计技术规程（DL/T5044-2004）[S].
[2] 直流电源系统绝缘监测装置技术条件.
智能通信直流电源系统 篇4
关键词：直流电源,选型,维护,智能通信
0 引言
通信电源系统是通信的中枢神经系统,具有不间断的技术特性并在通信中占有重要地位。随着计算机自动控制技术的飞速发展,在通信电源中广泛应用的直流电源也相应得到了技术改进与提高。从传统的低频相控硅整流到智能高频开关直流电源系统,其系统的智能性、可靠性、安全性得到很大的改善和提高,实现了真正意义上的“遥信、遥测、遥控”等功能,同时为工作人员提供了便利,提高了工作效率。现以我公司通信C局为例,对如何保证通信电源的安全可靠进行探讨。
1 通信电源供电系统组成及工作原理
1.1 电源系统的现状
通信C局为无人值守局,通信电源的具体设备有:低压配电柜、交直流混合配电柜、高频组合电源柜及柴油发电机组。通信电源的运行状况是通过光电转换器传入主局电力值班室的监控器,通过监控设备值班人员可以了解市电的运行状况。随着通信业务的不断发展,该局设备的不断增加,在工作过程中发现目前此电源系统存在着一些弊端,为了确保通信电源的正常运行,通信设备的正常运转,针对目前的状况进行了技术改进,通过改进为公司节约了能源。
通信C局现有的供电系统是由变电所引入2路市电到低压配电柜中,通过两级转换变为一路送入交直流混合配电柜中。配电柜中还有一路是柴油发电机供电,它与市电之间采用机械互锁供电方式,当市电停电时,由柴油发电机供给所有用电设备。这种供电方式存在着一些弊端:首先从变电所引入的2路市电没有起到2路的作用,供给负载设备时仍然是1路;其次,随着用电设备的不断增加,当市电停电时,迫使柴油发电机超负荷运转。因此给设备正常运转带来一定困难。为了保障设备的正常运转,同时为了节能降耗,对此供电系统进行了改进。首先是加装1台控制器,其次是进行通信设备用电与生活用电设备系统分离。
2路交流电源引入到低压配电柜后,通过加装1台控制器BA实现2路交流电源的自动切换。系统默认第一路交流电源为常用电源,第二路为备用电源。当一路市电停电时,通过控制器自动切换到另一路市电供电。当2路市电都停电时,采用柴油发电机供电。柴油发电机与市电之间采用机械互锁的供电方式,市电优先。这种方式使原有的2路市电真正起到了双路送电的作用。并且,使生活用电设备与通信设备用电系统分离,当市电全部停电时柴油发电机只供给通信设备用电负载,减轻了柴机发电机供电负载量。确保了通信设备的正常运转。原有配电系统见图1,改进后的系统图见2。
1.2 直流供电系统的组成及原理
由交流电源输入至交直流配电柜中,配电柜有多路分路输出,其中分路断路器将交流供电送往整流器设备,整流器整流后,输出一48V直流电压;并且在配电柜中接入2路电池组,送到配电柜直流配电单元的汇流排,经配电单元各分路将一48V电源分配给通信设备使用,如图3所示。
整流器设备采用智能高频开关组合电源,它采用软开关高频变换,计算机控制及通信技术所构成的智能型通信电源设备,由交流配电单元、整流器模块、直流配电单元、监控器等部分组成。我们使用的是DUM34Ⅱ型智能高频开关组合电源。
(1)整流器单元采用单片机进行实时控制、液晶显示、体积小、效率高、功率因数高、无可闻噪声、可靠性高。能自动完成给电池充电过程,同时给负载提供电源。在配置时采用自动均流,N+1冗余模块化设计,给扩容提供了便利。监控器采用工业级控制机对系统进行监控和管理,实时记录交流配电、直流配电、整流器、电池的各种信息。并且通过RS-485转RS-232接口实现远程集中监控。
(2)蓄电池单元。
保证交流停送电时,通信设备一48V电源的正常供电。它采用MSE-C系列密封固定型铅酸蓄电池。该蓄电池具有以下特点:不需补充水,不需检查比重、液面、不需均衡充电,高效率放电特性卓越。此蓄电池由单体2V组成的48V,500Ah并联输出,这样可以提高蓄电池供电的可靠性。
(3)监控单元。
监控单元是电源系统的控制管理核心。我们采用的DK06Ⅱ监控器记录和显示各类信息,将交直流配电单元和各整流器的运行情况进行监控,对非正常情况进行告警。其通过RS-485转RS-232接口经光电转换设备接入主局监控电源系统,实现遥测、遥信、遥控等功能。主局值班人员通过观察监控器中各种显示信息,随时了解设备工作状态。一旦有告警信息及时告知相关人员到现场处理解决。
2 设备选型应注意的几个问题
(1)高频开关。
高频开关是直流系统中的关键设备,在选型时应根据电池容量和负载容量,确定其额定工作电流,由于具有自动均流技术,设计通常采取N+1冗余结构,应按照最恶劣情况选择,充分考虑它的可靠性、安全性。
(2)蓄电池。
蓄电池是直流系统中的重要设备,在选型时通常应考虑2个主要参数,即系统容量和电压。容量应根据局站的实际直流负荷进行计算,依实际负载量为其额定容量的60%～70%为宜,这样既可使蓄电池保持一定的容量裕度,提高其运行可靠性,又可以避免蓄电池因放电电流过小而产生的过放电现象。电压则根据局站相关设备的电压等级进行确定,电池可以根据用户应用需求特性选择。
3 直流电源日常使用中应注意的问题
(1)蓄电池组的维护。
目前所采用的蓄电池为免维护电池。所谓的免维护并不是指不维护,而是指相对于传统的液态减性或酸性电池来讲,不需要定期检测电池电解质浓度比重,添加电解液或蒸馏水。但外因的工作状态对蓄电池的影响并没有改变,不正常工作状态对蓄电池造成的影响没有变,这部分的维护检修工作仍是非常重要的。如阀控胶体铅酸电池电解质是由气体二氧化硅及多种添加剂以胶体形式固定,在电池浮充、均充的充放电过程中,电解质浓度均匀,不存在酸分层及减少现象。但由于长期处于浮充状态,造成单节电池容量、电压不均,从而导致整个电池组电压、容量下降。因此,最好每隔一个月检查浮充电中电池总电压,半年对蓄电池的外观进行检查:电池的外壳、盖有无损伤及漏液、连接线端子有无污染生锈、电池组按照0.1C倍率进行活化一次;做好单节电池电压容量检测,也可以用电池内阻测试仪检测电池内阻。发现有问题的电池经活化不满足要求的应立即更换。如某大型局站直流系统改造,选的是德国Sonnenschein Drift A400 100Ah/12V免维护电池,由于人为免维护电池认为不需要维护,结果不到2年时间就因容量急剧下降而报废。
(2)确保电池在规定的温度范围内恒温运行。
目前使用的蓄电池主要是免维护密封式铅酸蓄电池,设计寿命是5～15年,设计寿命是在蓄电池生产厂家要求的环境下才能达到。影响蓄电池寿命的典型因素是环境温度,一般蓄电池生产厂家要求的环境温度是在15～25℃之间,随温度的升高蓄电池的放电能力有所提高,但都高不出30%,付出的代价却是蓄电池寿命的大大缩短,因为环境温度一旦超过25℃,只要温度每升高10℃,蓄电池的寿命就缩短一半。蓄电池寿命对环境温度非常敏感,比如Sonnenschein电池,要求电池的工作环境温度必须在15～25℃范围。当环境温度超过25℃时,每升高10℃,电池寿命要缩短一半,温度低于15℃时,同样会缩短电池寿命。再如MSE-C系列蓄电池是密封固定性铅酸蓄电池,蓄电池的许可使用温度在一15～45℃,推荐使用温度为5～30℃。这种蓄电池属阴极吸收式,比液式电池所产生的热量多、热容少、温度上升快、温度对他的寿命、性能有很大的影响。因此,建议在电池室安装空调。
(3)防止过充过放电。
虽然新型铅酸电池抗深度放电能力强,具有完善的防过充过放功能。但是,电池组的过充、过放对电池本身的寿命还是有很大的影响,应尽量避免。主要是因为蓄电池在过渡放电过程中,会导致电池内部大量的硫酸铅被吸收到电池的阴极表面,形成阴极的硫酸盐化。由于硫酸盐本身是一种绝缘体,将会导致电池的内阻越来越大,从而缩短电池寿命。
4 结束语
直流电源 篇5
关键词：智能型：高频开关：直流电源系统
中图分类号：TN86
文献标识码：A
文章编号：1006－8937(2009)16－0128－02
直流操作电源系统作为变电站不可或缺的二次配置设备，它为控制装置、自动化装置、继电保护装置、高压断路器分合闸机构、事故照明等提供直流用电，它的稳定可靠运行及电压质量对变电站设备的正常运作起着至关重要的作用。
近几年由于阀控密封铅酸蓄电池的优越性促使其得到普遍应用，与镉镍碱性蓄电池相比，阀控密封铅酸蓄电池具备免维护的重要特点，该电池容易组成成套装置，在正确使用的情况下，温度为25℃的浮充电使用寿命达到10－15年，电池寿命有明显增长；电池自放电的电流小，25℃下每天的自放电率仅为2％；不存在“记忆效应”，工作时电池容量损失少；密封及抗震性能好，结构紧凑。但是虽然具有上述良好性能，阀控密封铅酸蓄电池对温度、充电装置的要求也是更为严格，过充和欠充电都容易造成蓄电池损坏乃至直流系统瘫痪，因而势必要采用更好的直流电源操作系统，智能型高频开关整流系统很好地满足了阀控电池的要求，得到了广泛应用。
目前220kV翁江变电站使用的WATT智能型高频开关直流电源系统主要由高频开关电源模块和分布式监控系统组成，系统采用分布式微机监控技术和国际先进的三电平桥式软开关技术，并率先在直流系统上应用了现场总线技术，使得各模块以信息交互的方式协同工作。系统采用容错方式设计，数据本地采集，数字信号远传，任一模块均可带电插拔，实现了系统的在线维护，可以直接与变电站综合自动化等智能化设备连接，满足日益增多的无人值班变电站要求。
1WATT智能型高频开关电力直流电源系统特点
①采用三电平桥式软开关电源模块化设计，N+1热备份；
②任一功能模块(如监控模块、充电模块)均可带电热插拔，便于系统的安装和维护，大幅度减少了平时维护工作量；
③采用抢总线式的自主均流技术，各模块之间输出电流的最大不平衡度小于5％；
④控制母线和合闸母线可以实现由充电模块单独直接供电，也可以通过降压装置进行热备份；
⑤可靠的电气绝缘和防雷措施，利用绝缘监测装置实时监测系统的绝缘状态，保证了系统和人身的安全；
⑥分布式控制技术，信号采集模块与微机监控模块组成分布式监控系统，就地采集数据，数字信号传输，抗干扰能力强，便于安装、检修；
⑦采用小母线硬接线布线技术，母线采用国际标准色标识，易于识别；
⑧系统采用IEC(国际电工委员会)国际标准，可靠性和安全性有充分保证。
系统智能化程度高，对系统的每个部分能够通过监控模块进行参数配置；实现全数字控制技术，充电模块、微机监控模块、绝缘监测仪、电池巡检等采用数字化控制技术，充电模块采用三电平桥式高频软开关技术，主拓扑电路应力小，充电模块可靠性高，特别适用于电力直流电源三相整流高输入电压条件下的高可靠性要求；监控系统与现代电力电子、网络技术相结合，对直流电源系统提供“四遥”功能的支持，为无人值班工作提供了前提条件；具有输出电流和电压平滑调节的功能，能够实现蓄电池充电温度自动补偿功能；对蓄电池组进行自动保护和管理，能够对蓄电池的均充、浮充电进行智能化控制，实时监控蓄电池的充放电电流和整组、单个电池端电压，设有电池过压、欠压声光提示和充电限流功能；通过设有的多个扩展通讯接口，通常在变电站会接入如电池监测仪、绝缘监测装置等外部智能设备。
2WATT智能型高频开关电力直流电源系统在变电站的应用
220kV翁江变电站直流系统主要由两路交流输入、交流测控模块、充电模块、防雷模块、整流模块、降压模块、集中监控单元、绝缘监测单元、电池数据采集模块和蓄电池等部分组成：
两路交流电源均正常输入时，运行人员通过交流测控模块设置其中一路输入系统，为各个充电模块提供电源。充电模块将外部输入的三相交流电进行转换。整流为110V或220V的直流电源，经二极管隔离后输出，一方面给二次回路及直流装置(如直流交换机等设备)供电，另一方面给蓄电池浮充电。系统通过监控模块对系统进行监控和管理，每一组蓄电池组均配备有信号采集模块，信号发生后由采集模块进行采集，再汇总到监控模块统一处理，有故障时可以发信号至变电站后台监控系统并发出声光提示。系统的绝缘监测仪是其中一个重要部分，当母线绝缘或支路绝缘被检测到降低获接地时，同样会发送信号至变电站后台监控机通知运行人员处理；当其中一路交流电源发生故障时，通过选择自动切换开关实现系统自动切换至另一路外部交流电源。
当两路交流电源同时发生故障或停电时，充电模块因失去输入电源停止工作，由蓄电池供电带起全部负荷，监控模块发出故障告警信号至变电站监控机，通知运行人员尽快恢复交流电源供电。交流停电期间，运行人员需要通过监控模块密切监控蓄电池电压，当电池放电超过规定单节电池容量(如2 V)时，监控模块会发出告警声响，此时应自动或手动停止放电。外部交流电源输入正常以后，充电模块自动恢复对蓄电池的充电(严格按充电曲线进行充电：主充、均充、浮充电)。
系统采用单母线分段接线，交流电源由站用变系统分别由#2、#5柜引出，经整流后由#1、#2馈线柜引出至各保护屏及测控屏。母线电压110V，翁江站装置设有交流互投回路，能够自动切换事故照明单元，蓄电池正常时在浮充电状态，每组容量400Ah，调压装置置“自动”位置，微机绝缘监测仪对正负直流母线的绝缘电阻和对地电压进行实时监测，集中监控器实时采集直流系统内信号，与本站监控系统保持通信，实现对直流系统的四遥功能。正常时两段直流母线开环运行，负荷按两段分配平衡为原则，不存在环路或寄生。
系统正常工作时，充电模块对蓄电池的均／浮充电压与控制母线允许的波动电压范围相比，往往会高出一些，在翁江站采用多级硅调压装置串联接在充电模块输出与控制母线之间，使得调压装置的最终输出电压能够满足控制母线的电压规定。
翁江站调压装置每档可调5V，共五档，通常打在“自动”档位。蓄电池通常在浮充电状态，当系统连续浮充运行超过设定的时间(可通过监控器键盘设置，出厂设置为3个月)或交流电源故障后，蓄电池放电超过十分钟时，系统自动进行均充。自动均充过程：以监控模块设定的均充电流进行稳流充电，当电压逐渐接近均充电压设定值时转为稳压充电，充电电流小于0.01CIO A后延时1h，自动转为浮充运行，当手动定时均充时，可通过监控器键盘预先设置的均充电压、均充时间，按“均充”按钮即可，过程与自动均充过程相同。
3直流系统存在问题及处理
3.1监控模块故障
①监控一直处于开机启动状态，无法正常工作。可能监控模块的软件在运行中死机，关掉监控模块上的电源开关，重新上电。
②按键无响应、显示屏黑屏、花屏。可能监控模块的软件在运行中死机，关掉监控模块上的电源开关，重新上电。
③监控模块无故障告警显示、光字牌报警。此现象一般是后台的遥信信号使用告警干接点连接，在系统曾有过告警又恢复的情况下，与监控模块配套的系统测控模块的告警干接点相应继电器触点不能释放所致，关掉监控模块上的电源开关，重新上电后即可消除。
3.2交流输入故障：
①充电模块对应的交流输入开关跳闸。需要检查直流回路是否有短路现象，如果经检查直流输出回路有短路现象，应判断是有直流屏外故障引起的还是屏内设备原因引起的，如果屏内设备引起的则需要厂家进行处理；如果和上充电模块对应的交流输入开关，如果开关立刻自动断开，则可能是该充电模块故障或交流开关不良。
②交流接触器不吸合。测量交流输入的线电压和相电压是否正常，是否有缺相，如电压过高、过低或者有缺相，可能交流测控模块保护动作断开了交流接触器；经测量交流电源正常，可以拔出交流测控模块电源接口的插头，如能正常吸合则可能是交流测控模块故障，如果不能吸合则可能是交流接触器的故障。
4结语
低压直流电源技术的作用 篇6
除了上述的应用之外, 在实现这项技术的所有功能之前还有一些亟待解决的问题需要处理。其中一个问题就是应该以何种形式对建筑中的这种新电波进行功率分配。许多新电力设备都在使用低压直流电源, 提高交直流电源的转换率和调解率, 可以减少电力的生产和消费, 整个系统的复杂性降低了并且增加了设备和系统的可靠性。这是为从建筑层面上改变用电方式做准备, 新的配电方式解决了电力系统中不断增加的不匹配问题。本文主要描述了如何使该技术安全、高效地进行商业化应用, 在NEC 2014的第393条中也对该技术有所描述。
1 NEC 2014第393条的使用范围
第393条 (低压吊顶配电系统) 涉及低压吊顶配电系统及相关设备的安装。这些系统需要符合UL2577:低压吊顶配电网络和其他设备的安全标准 (如图1所示) 。
第393条规定最大电压不得超过交流30V或直流60V, 每个回路中的最大功率不得超过100VA, 因此, 最大电流值为所用电压的百分之一。
第393条适用于在NEC中定义的室内、干燥、暴露的环境, 尤其是住宅、商业和工业项目中, 包括部分特殊场所, 如部分防火地板和天花板部分。非通电的悬吊天花板格栅属于建筑结构的范畴, 所以这部分不在NEC此条的处理范围内, 但会有规范中其他的条款涉及到此部分, 如抗震部分的内容。
在标准的系统中使用的组件必须在国家认可的测试实验室 (NRTL) 列出的清单上, 并且符合UL2577的要求。例如包含导体的吊顶栅格部分, 即使是低电压组件也要在NRTL的清单中, 这份清单可以是一个系统或是单个组件 (配件) 。
虽然从瓦数和导线损耗的角度来看, 第二类功率限值似乎有一定的限制性, 但在实际应用中发现他们完全可以满足要求 (见表1) 。
2 第393条包括的部分
第393条涵盖的一个完整系统包括:
1) 低压2级电源。
2) 低压电线、电缆和电网总线 (互连) 。
3) 低电压共同用电设备 (负载) 。
从电源开始, 关键的组件是功率服务器模块。一个功率服务器模块 (PSM) 通常配置了1~32个低压二类功率输出通道。供应的电源可以是交流 (AC) , 也可以是直流 (DC) , 这取决于上游电力系统的配置。在系统中可以转换成线电流AC, 输入的AC通常为240VAC~277VAC。系统中使用替代能源进行直接反馈, 如太阳能、风能和燃料电池等, 输入电压通常为350VDC~400VDC。直流输入可以消除在传统的交流配电系统中的直流-交流转换损耗。许多PSM都集成了控制和其他电源管理功能, 如分支开关和监控/调光。当“一直在线”的电源在某些时间不需要时, 这些功能就显得非常有用。PSM的通信可以是有线的, 也可以是无线的, 并且可以包含Zig Bee、IPv6、0~10V、Modbus等协议。互连 (线) 的组件包括:
1) 网格总线。
2) 供电线。
3) 电源负载电缆。
吊顶格栅安装总线组件为电力负载电缆提供柔性插头的位置, 但对电力馈电电缆进行固定位置连接, 以控制总线长度、限制低压电线损失。供应商提供的各种实际的互联组件可以从提供的照片 (见图2) 中查看。
用于PSM和电网母线之间供电线缆上的特殊连接器可预防总线过载。这是系统的一个重要特征, 并且该特征不可以被覆盖或篡改, 否则该系统可能会被认为违反了NEC的规定。
布线方案中的一个重要指标是设备直接从PSM为电力设备供电的能力。并且非常重要的是, 在标准低压2类等级的电源中要使用符合规范的布线标准, 当负载设备不位于或靠近吊顶网格, 或有其他原因不能使用某总线型吊顶网格时, 是非常有用的。
系统中的线缆损耗和/或电压降取决于线缆规格和长度。这不是NEC的一部分, 这些变量在使用该系统的联盟标准中进行指定。用于维护交流系统中的线缆损耗的典型指标和长度限制如表2所示。
在吊顶供电电网中/附近使用的典型电器可能包括以下部分:
1) 照明 (白炽灯–HID、荧光灯、LED、采光阴影和百叶窗) 。
2) 控制器 (传感器、主控制器、无线链路) 。
3) AV/IT (有源音箱、远程放大器、显示器/监视器) 。
4) 暖通空调 (控制、VAV箱、风机、传感器、天窗、自动阀门) 。
5) 安全设备 (摄像机、控制器、记录仪、运动检测器、音频探测器、自动门、锁) 。
任一单信道功率馈送装置的实际功率限制为95W, 典型的照明功率通常小于45W。
3 规范以及标准系统的设计
大多数人都对线电压系统中的电器件连线和分支电路非常熟悉, 但当某个低压吊顶栅格配电系统改变时, 之前的连线和分支电路也会发生变化 (见图3和图4) 。实际上, 电源是沿覆盖整个房间的总线进行分配。在PSM和总线之间的电源连线是固定的, 并且对整个空间进行统一供电。这样可以非常方便地对空间内的设备进行定位或改变位置, 而不需要重新布线。而且可进行非常紧密的控制衔接, 因为总线通道可以被看做是可以单独控制和检测的小分支。设备之间的连接“线缆”通常允许连接至就近的2~4个通道, 以避免通道超载 (通道超载为自动检测) 。
若有需要, 未使用的总线可以预接或后接以使初始设备费用最低, 但所有增加的初始设备成本都可以快速地通过对设备重新配置所节约的资金收回。这种情况是“初期多投入一点, 后期可以节约更多成本”。但无论哪种方式, 实现同等功能所需的投入成本是非常有竞争力的, 特别是需要实现一些高级功能时 (如直接可再生能源、高度控制和铰接式功率、增强的监控等) 。
系统设计的另一个重要要求是正确配置照明灯具, 在新的电力条件下必须正确指定具体的整流器和/或LED驱动器的输入电压。
当涉及到布局、设计和文档制作时, 最重要的区别是对吊顶结构和电气系统进行划分。吊顶栅格和瓷砖仍然由建筑师在CSI第9部分中进行规定, 由墙壁安装承包商进行购买/安装。电气部分由电气工程师在CSI第16部分和第26部分进行规定, 由电气工程商进行购买/安装 (见表3) 。
栅格嵌入式总线不能由声学承包商进行电气连接, 并且需要保持非活动或非电气状态, 直至通过电气承建商连接激活, 在不考虑电气和结构部件配置的情况下确保了行业的传统划分。
于娟翻译自http://ecmweb.com/low-voltagecommunications/leveraging-low-voltage-dc-power, 肖昕宇校对。
超级电容直流电源的研究 篇7
20世纪80年代以来,能源和环境已成为人类社会可持续发展的两大瓶颈。为了保持社会的可持续发展、经济的快速增长,能源缺口随着能源需求的扩大也日益严峻,迫切需要发展可再生的新型能源及相关材料[1]。随着经济的快速增长,新材料电池的发展是解决能源技术、提高能源生产和利用效率的重要途径,新材料电池的需求日益增加,高效、环保、新型的新材料电池将保持强劲的需求[2]。
1 超级电容的储能原理及其模型
超级电容器又称电化学电容器,它具有良好的脉冲充电性能和大容量的储能性能,因其质量轻、存储容量大,可多次重复充电而成为一种新型的储能装置,越来越受到科学研究人员的重视。随着环保型电动车、电动汽车研究技术的兴起和发展,超级电容与其他动力电池配合使用构成新型复合电池,在电动汽车的电源启动系统中得到广泛应用。由于在超级电容内部,电解液与电极构成的两相界面是由空间分布的,因此超级电容器的特性不能只用一个普通的电容器来对其进行描述,而需要用一个非线性电容与复杂的电阻构成的RC网络模型来描述[3],如图1所示。
图1—图3中,R1为等效的串联电阻,R2为等效的并联电阻,Rp和Cp是电路中串并联组合所引起的阻抗和容抗,而Rp值很小,一般为几mΩ,Cp为C/13[4]。
2 超级电容直流电源工作原理
近几年来,由于超级电容的容量已经达到法拉级,而且其既具有可使用安培级电流充电、十万次以上的充电寿命且过充无危险等电容固有的特性,又具有大能量体积比的特点 ,被称为绿色新能源。其中超级电容的大电流充电的特点尤为突出,而且由于等体积的超级电容所含的电能已十分接近锂电池的电能容量[5] ,所以设计一种电路,使超级电容的电能能够平稳地释放,从而使其作为独立的电源使用。超级电容直流电源电路总体结构如图2所示。
超级电容电源电路结构包括充电电路和工作放电电路两个相互独立的部分。充电电路可快速地将超级电容由低电压充满至饱和状态;而放电电路则使超级电容的能量高效、稳定地给负载供电。
当超级电容的电压降低到一定数值时,便由充电电路利用超级电容大电流充电的特点,给其充电,这一过程仅需要几分钟及可完成。充完电后,电容接入工作放电电路中即可正常工作。超级电容选用额定电压为2.7 V、容量为360 F, 而一般负载需要3.7 V的电压供电,所以必需用升压电路1模块将电压值升高。此电路应选择简单、高效且输出电压能使负载稳定地工作一段时间的电源电路。
另外,由于电容自然放电的过程是电压沿指数规律下降的过程, 要获得恒定的电压则需通过控制电路来控制电容的放电时间。而控制芯片也是从超级电容取电,为了不引起干扰,选用另一个独立的MCU电源电路为其供电。此部分电路需高效,仅消耗少量超级电容的能量,达到对控制电路的供电。
依据上述要求,超级电容直流电源的主电路设计如图3所示。
超级电容供电电压分成两路:一路对Boost电路供电,使其稳定、高效地升压至3.7 V;另一路形成控制电路的电源模块,将2.7 V电压升压至5 V,对单片机供电。所以需要设计两个独立的升压电路模块分别进行控制。升压电路1模块为主电路,升压电路2模块为MCU电源电路。
升压电路1模块—主电路:单片机对Boost电路进行控制,将超级电容高效、稳定地从2.7 V升压至3.7 V,并能恒定一定的时间。
升压电路2模块—MCU电源电路:对单片机进行供电。使用较少的超级电容的能量,将2.7 V电压高效转换到5 V,达到对控制电路的供电,且对超级电容的影响较小。
3 MCU电源电路拓扑结构设计
由于电池供电的各种电子产品及便携式仪器仪表更多倾向于低电压、微型化、低功耗的设计,因此其电源系统都需DC/DC转换器。此转换器的核心是转换效率、输出精度、启动电压等参数。本设计使用一款结构简单、体积小、效率高、功耗低的升压型PFM控制DC/DC转换器件——SP6641芯片[6]。SP6411B-3.3 V型在输入电压在2.6 V以上时,效率可达85%以上,而SP6411B-5.0 V型在输入电压在3.3 V以上时,效率可达85%以上。因此本设计,选用2级方式将超级电容从2.7 V升到5.0 V,如图4所示,其效率可达84%左右。
经试验测试,基于SP6441B型芯片所构成的MCU电源电路的电路拓扑在输入电压2.6 V驱动PIC16F877A单片机工作的输出电压关系如表1所示。
由表1可以看出,超级电容电压在高于1.8 V时,MCU电源电路的输出电压可稳定地维持在5.0 V,约1 h,即可正常驱动PIC16F877A单片机工作,维持单片机正常工作。当超级电容电压低于1.8 V时,MCU电源电路的输出电压非线性下降,在一定范围内仍可驱动单片机正常工作,但电压快速下降,至超级电容电压为1.3 V左右时,其输出电压低于单片机正常工作的最低电压3.8 V,则不能使Boost电路的输出电压稳定在3.7 V,此过程可保持约一个半个小时左右。
4 Matlab仿真及实物平台测试结果
本设计主电路的控制电路使用PIC16F877A单片机作为控制芯片,通过对输出电压的检测,RC2引脚产生PWM波,对主电路进行控制。使Boost电路可高效、稳定地将超级电容的2.7 V电压升至负载所需的3.7 V电压。其各项性能指标均可达到负载的要求。控制电路仿真平台组成超级电容电源的PID控制模块,利用此模块在Matlab/Simunlink工具箱中利用SimPowerSystems工具包搭建超级电容直流电源仿真平台,如图5所示。
由图5可以看出此系统结构简单,通过对输出电压的检测,利用PID控制算法,调节输出的PWM波,以实现对控制开关管IGBT的控制,从而调节输出电压稳定在3.7 V电压。仿真平台内的各参数为:
(1)设置电源电压为2.7 V,电阻的阻值为5 Ω。
(2)脉冲发生器脉冲周期T=0.2 ms,脉冲宽度为50%。
(3)IGBT和二极管的参数可以保持默认值。
(4)初选L的值为0.1 ms,C的值为100 μF。
启动仿真:
设置仿真时间为0.01 s,算法采用ode15 s。所对应的开关管电压的波形、输出电压的波形、二极管电流的波形、开关管电流的波形仿真图如6所示。
将此图有效部分放大后,如图7所示。
由图8可见,可以看出此电路拓扑,在3 ms时达到稳定,响应速度极快。随着时间增大各器件的电压和电流也随之增长,电感电流在5 ms时左右趋于稳定,开关管电压趋于稳定。此时其输出占空比保持不变,输出电压维持在3.7 V保持稳定。由图7可以看出输出电压与输出电流几乎一致,其各项性能均能保持一致,输出特性较好。当输出电压稳定时,其输出电流也稳定,没有滞后等现象。
稳定后的开关管电压的波形、输出电压的波形、二极管电流的波形、开关管电流的波形仿真图如图8所示。
由8可以看出,稳定后,各器件的电压电流均保持不变,各器件功率趋于稳定,输出的电压保持在3.7 V不变。输出电压与输出电流的波形如图9所示。
由图9可以看出,输出电压维持在3.7 V电压保持不变,输出电流维持在30 mA保持不变。输出电流能很好地跟随输出电压,它们的功率因数几乎为1。此平台能高效、快速地将超级电容2.7 V电压升至3.7 V,并维持稳定,其电路结构简单,功耗较低,可满足对负载的基本要求。
依据上述原理及仿真平台的各实验参数。由于单个超级电容的能量较小,本设计使用4个2.7 V、360 F的超级电容并联,构成一个超级电容器组,作为初始的电源端,其输出电压仍为2.7 V。其实际工作电路平台如图10所示。
由上面的实验平台利用示波器所测得的输出电压的波形图如图11所示。
图11中,横轴为时间轴,单位为ms,纵轴为电压轴,单位为V,可以看出超级电容的电压可较快速地升压至3.75 V,并保持稳定。输出电压在3.75 V时处于稳定状态,并能保持大约1 h。此实验平台能快速、稳定地将超级电容器组的输出电压维持在3.7 V,而输出电流,利用此波形图使用WFMReaderWithCompiledDemo软件将实验的各个参数输入后得到,如图11所示。
图12中,横轴为时间轴,单位为ms,纵轴为电压轴,单位为V,可以看出输出电流能很好地跟随输出电压,与输出电压之间几乎没有任何差别,其波形没有滞后现象,功率因数几乎为1 ,能较好地满足本设计的要求。
5 结论
通过Matlab/Simulink仿真平台与实际工作平台的测试可以看出:超级电容作为电源是可行的。且其作为电源的主电路拓朴采用Boost电路进行升压,结构简单,易于控制。从上文的仿真与实验平台结果来看,各器件的输出电压功耗较小,可高效地将超级电电容2.7 V电压升至5 V且保持不变。此电路的控制策略简单易行,控制效果可以达到对负载供电的各项指标,输出电流能很好地跟随输出电压的变化,输出电压与输出电流之间的功率因数几乎为1,很好地满足负载的要求。其控制电路的电源MCU电路,利用SP6411B型芯片构成的两极升压电路,效率较高,稳定性强,其输出特性能很好地维持单片机的工作,使整个系统工作稳定。此实验平台比锂电池电源充电速度快,稳定性强,且输出持续时间较长,高效、稳定地输出,很好地满足本设计的要求。
摘要：针对目前小型电器电源充电缓慢的问题,提出了将超级电容直接作为小型电器的直流电源,以实现大电流快速充电和稳定放电的良好性能。在未来作为便携式电器设备的直流电源,具有很好的发展前景。通过对超级电容的结构原理进行分析,验证了其作为电源的可行性。对Boost电路进行了理论分析,选用Boost电路作为超级电容供电电路中DC/DC控制部分的拓扑结构,选用PID控制器对主电路进行了控制。最后,在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型并与实际测试电路的试验数据进行了对比,验证了控制策略的可行性和高效性。
关键词：超级电容,SP6411,MCU
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直流电源的设计参数论证 篇8
关键词：稳压,整流,滤波,直流输出
0 引言
电子设备中电源大多采用的都是稳定的线性直流电源, 功率较小的线性直流电源大多数都是将50Hz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电;整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压;滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分, 使之成为平滑的直流电压;稳压电路的作用是当输入交流电压波动、负载和温度变化时, 维持输出直流电压的稳定。
1 总电路设计
线性稳压电源包括变压、整流、滤波、稳压四个模块。
1.1 变压器的选择
变压器的作用就是把交流电网供给的220V, 50Hz交流电变换为合适的数值。变压电路相对简单, 仅有一个单相变压器, 变压器将市电转化为电路能承担的电压。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件, 当初级线圈中通有交流电流时, 铁芯 (或磁芯) 中便产生交流磁通, 使次级线圈中感应出电压 (或电流) 。变压器由铁芯 (或磁芯) 和线圈组成, 线圈两个或两个以上的绕组, 其中接电源的绕组叫初级线圈, 其余的绕组叫次级线圈。
输入电网电压由额定值变化±10%时, 稳压电源输出电压的相对变化量, 有时也以绝对值表示。一般稳压电源的电网调整率等于或小于1%、0.1%, 甚至0.01%。
1.2 半波整流电路
整流电路是把经过变压后的交流电通过具有单向导电性能的整流二极管, 将正负交替的正弦交流电压变换为单向的脉动直流电压。但是, 这种电压直流幅值变化很大, 包含有很多的脉动交流成分, 还不能作为直流电源使用。对于高质量的稳压电源, 其整流电路一般都选用桥式整流电路。本次设计桥式整流滤波电路, 就是四个二极管两两并联后接入输出电压分别把正负电压整流在输出时候获得了正负输出的两次的整流电压。
1.3 电容滤波电路及工作原理
设电容两端初始电压为零, 并假定t=0时接通电路, U2为正半周, 当U2由零上升时, V1、V5导通, C被充电, 同时电流经V1、V5向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻, 电容充电时间常数近似为零, 因此U0=UC≈U2, 在U2达到最大值时, UC也达到最大值, 然后U2下降, 此时, UC>U2, V1、V5截止, 电容C向负载电阻RL放电, 由于放电时间常数τ=RLC一般较大, 电容电压UC按指数规律缓慢下降, U2>UC, V2、V4导通, 电容C再次被充电, 输出电压增大, 以后重复上述充放电过程。其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。为获得良好滤波效果, 一般取: (T为输入交流电压的周期) 。
1.4 稳压电路设计
稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。它利用调节流过稳压管自身的电流大小 (端电压基本不变) 来满足负载电流的改变, 并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化, 以适应电网电压的波动。在电网电压不变时, 负载电流的变化范围就是稳压管电流的调节范围。负载不变时, 电网电压的波动, 在波动至最低时必须保证稳压管工作在反向击穿状态, 在波动至最高时, 要保证管子的功耗不超过允许的最大管耗。本设计的是固定式三端稳压器。固定式三端稳压器又分为以下系列:CW7800 (正电源) 和CW7900 (负电源) 。其额定输出电流以78或 (79) 后面所加字母来区分。L表示0.1A, M表示0.5A, 无字母表示1.5A。如CW7805表示输出为+5V, 额定输出电流为1.5A。
2 注意事项
把220V交流电压转换成+15V和-15的直流电源的电路图, 滤波电容不能接反, 三端稳压器引脚不能接错, 输出端不应有短路现象。CW7800和CW7900系列在降压电路中应注意以下事项:
(1) 输入输出压差不能太大, 太大则转换效率急速降低, 而且容易击穿损坏;
(2) 输出电流不能太大, 1.5A是其极限值。大电流的输出, 散热片的尺寸要足够大, 否则会导致高温保护或热击穿;
(3) 输入输出压差也不能太小, 大小效率很差。
3 总结
由于采用的是由变压、整流、滤波、稳压的流程思路将220V交流电压变换成15V的直流电源, 而其中主要是以三端固定稳压器CW7815、CW7915构成的稳压电路设计作为设计的重点核心内容。三端固定稳压器CW7815的使用使系统具有功能强、性能可靠、成本低、方便易学等的特点。为满足设计需要, 使用滤波电路的过滤, 输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。在我们设计和调试的过程中, 也发现一些问题, 滤波电路滤除整流后电压中总是还含有交流成分, 使之不能成为平滑的直流电压, 从而为整个电路的下步步骤带来了较大的影响。另外, 当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时, 直接影响了输出直流电源稳定。因此, 如果设计能够单一化, 那么整个电路的误差将会大大的减小, 为整个电路带来更精确的结果, 是调试现象更加显著。
通过本次毕业设计, 我学会了知识和技能。在本次的毕业设计中, 我选择了线性直流稳压电源为设计题目。这是一个主要以模电为核心的设计课题。通过这次毕业设计强化了我在大学期间所学的基础课及专业课的认识和理解, 巩固了我的整体知识体系结构, 并且通过自行设计电路图我熟悉了各种制图的工具软件, 其实主要使用了Protel99se这一工具软件。另外, 在设计过程中, 熟悉掌握了电路元器件的选择方法, 特别是集成三端固定稳压器的型号参数及应用。最后, 通过调试使我掌握了直流稳压电源的调试与测试方法。
最后, 通过这次毕业设计还使我了解了科学论文的写作规范, 熟悉了Office办公软件的使用。这次的毕业设计对我而言并不是简单的完成一个课题, 而是巩固了我的专业知识, 练习了我的实践操作能力和解决问题的能力。
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[5]康光华.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2005.
泰克公司推出新系列直流电源 篇9
PWS4000系列产品具有宽电流和电压范围以及高达0.1 mA和1 mV的分辨率,工程师可借此生成多种应用所需的功率。此外,支持直接输入的数字键盘,以及能够存储多达40个用户自定义设置的存储器,都有助于快速精确选择电压和电流。
PWS4000系列提供了高达72 V的输出电压,基本电压误差不超过0.03%,基本电流误差不超过0.05%。配合不到5 mVp-p的噪声和输出波纹规范,上述产品能够提供准确清洁的功率输出。
为方便执行测试进程,PWS4000系列提供了内置列表模式,能使用户定义多达7个列表,每个列表多达80个步阶。这些列表经配置后,可根据外部触发器或前端面板按钮控制按顺序步进。此外,用户也能指定每个步进的长度,则仪器便自动顺序步进。
PWS4000系列提供USB设备端口,支持与个人电脑的即插即用连接。有的任务需要多个测试仪器,为了实现这种任务的自动化,客户可在基于Windows的个人电脑上使用配套提供的NI LabVIEW SignalExpressTM泰克版软件远程控制所支持的泰克仪器。这为用户提供了自动测量、分析多个仪器上的数据、捕获和保存测量结果并创建报告等功能。仅支付一定额外费用即可获得添加了更多分析、数据记录和模拟功能的SignalExpress软件更高级版本。
直流电源 篇10
关键词高压直流；建设；标准；节能减排
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)041-0108-02
2010年底，我院接到某地运营商委托的为某区政府新1个IDC机房的建设任务。根据调研得悉，新IDC机房定位为该区政府办公OA网和教育网的数据中心，该IDC机房作为该区社会信息网络化的坚实后盾，客户就供电系统的稳定性及可扩展性提出较高的要求。
根据现场勘察及调研，该新IDC机房终期规划能安装30个设备机架，本期工程将安装10个机架及设备。每个设备机架的用电按照电流16A/220V（3.52KVA）规划，则本期工程需为该IDC机房新建一套电源系统，在初期提供3.52KVA×10=35.2KVA的电源容量，并且该电源系统要能满足IDC远期用电3.52KVA×30=105.6KVA的需求。
1电源系统建设方案的选择
1）UPS电源系统。长久以来，在IDC机房的电源系统建设中UPS系统是我们的唯一选择，随着IDC业务迅猛的发展，越来越多的UPS系统上线运行，但UPS系统存在的弊端却一直无法解决。近年来，UPS系统故障造成的通信阻断事故频繁发生，给客户、运营商甚至社会造成重大的经济损失和负面影响。UPS系统存在的弊端主要如下：系统可靠性差、效率低、初期建设成本高、维护难度大等。并且现在很多使用UPS的机房为无人值守机房，一但发生故障，恢复时间较长，影响大。
2）高压直流电源系统。众所周知，高压直流电源系统有着生产技术成熟、可靠性高、维护操作简易、转换效率高、在线扩容简单等优点，在IDC机房供电领域，通信业界一直在探讨采用高压直流系统来代替UPS系统。在国内，电信标准化协会于2009年通过了YDB 037-2009《通信用240V直流供电系统技术要求》研究报告。
目前，国内江苏电信已有多个IDC机房、多套核心IT系统和业务平台改用高压直流系统进行供电。从江苏电信提供的统计数据显示，用高压直流替代UPS供电，在UPS整个生命周期内平均节能20～30%；从新建系统统计分析，新建高压直流系统平均节省投资大于40%。并且高压直流系统结构简单，生产技术更成熟，其系统安全性相对UPS有很大提高，并且维护操作方法得到简化。
在综合对比高压直流电源系统与UPS电源系统的优劣及电源设备初期投资之后，建设单位决定建设一套高压直流电源系统为区政府新IDC机房进行供电，既提高电源系统的稳定性，也积极响应了国家的节能省排号召，贯彻落实科学发展观精神。
2高压直流电源系统工程设计中需注意的问题
对于高压直流供电的可行性，业界已有众多文章证明，本文就不再做说明。下面本文结合YDB 037-2009《通信用240V直流供电系统技术要求》，对高压直流供电系统在工程设计时应注意的问题展开探讨。
1）系统容量的选择。国内的240V高压直流电源系统制造技术及供电体制还处在摸索阶段，无论是模块制造技术还是系统结构，或者是维护方式，都没有丰富的经验可循，因此，在工程設计时宜遵守《通信用240V直流供电系统技术要求》的要求：系统供电宜采用分散供电方式，单个系统容量最大不宜超过600A。
故本期工程拟采购1套最大整流能力为600A的高压直流电源设备，根据前期的调研，新建的600A高压直流电源系统完全满足区政府新IDC机房的终期用电需求，并且本期工程只需要配置300A的整流能力即可满足初期用电需求，能有效节省工程的初期建设投资。
2）系统应对地悬浮。提到直流电源系统，我们自然会想到的是接地问题。但如果我们将高压直流电源系统的一极接地，由于系统的电压远高于人体的安全电压，人触及到未接地的一极时，触电电流通过大地形成回路，将发生电击事故，见图1。
图1高压直流系统接地，人体触电示意图
因此，《通信用240V直流供电系统技术要求》明确规定：通信用高压直流供电系统正、负极均不得接地，应采用对地悬浮即不接地的方式；系统的交流输入应与直流输出电气隔离；系统输出应与地、机架、外壳电气隔离。
3）系统应该配置有绝缘监控装置。由于高压直流电源系统不接地，当高压直流供电系统的负载出现故障时，对高压直流供电系统本身的保护及维护人员的保护就显得非常重要了。
假如系统负载甲发生设备正极碰地故障，负载乙发生设备负极碰地故障，此时通过两个故障设备就构成了电源系统的短路故障，如图2。
图2设备碰地导致系统短路示意图
更严重情况是，如果仅在一极发生绝缘度降低或碰地，由于没有短路电流流过，断路器不会断开，系统仍能继续运行，若此时有人触摸了另一极或者电池端子，那将造成电击事故，有可能造成严重的人身伤亡事故，该情况与图1类似。
为了及时发现这种碰地故障，有必要对系统配置绝缘监察装置，用于监视直流系统对地绝缘状况，便于维护人员对供电回路的绝缘故障进行判断、查找和处理，保障通信安全及人身安全。
4）采用直流型断路器及双极开关。在-48V直流电源系统中，我们在工程上经常发生使用交流型开关的情况，由于48V电压比较低，灭弧相对容易，所以使用交流型开关没有太大问题。但是对于240V的直流系统而言，其电压高，灭弧会困难很多，因此决不能将交流型断路器用在直流电路上，要选用专门针对直流设计的直流型断路器。
另外，240V高压直流系统的输出正负极均未接地，并且直流电压高，单极的断路器往往达不到这个电压等级的要求，因此两极都应安装开关，通过采用双极开关来分担分断电弧电压。
本期工程是新建工程，故我们新采购的直流配电柜及设备机架PDU均要求配置双极直流断路器的。在此特别提醒，如果是采用高压直流电源系统对现有的UPS系统进行替换，为了安全起见，我们应将未端设备机架原有PDU的交流单极输入空开更换成与上一级同容量的双极直流断路器。
5）统一系统未端负载的接线标准。我们在设计设备机架内部配电时应考虑高压直流的正负极与IT设备L、N电源线之间的对应关系。虽然从理论上说，直流系统的正负极和IT设备的L、N 极无需严格的采用某种对应关系，但是，从管理的规范、运行的安全及维护的方便等方面考虑，我们工程建设应该统一遵循《通信用240V直流供电系统技术要求》的建议：
直流输出“正”极，对应于设备输入电源线的“N”端，直流输出“负”极对应于设备输入电源线的“L”端，设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接，如图3所示。
图3设备机架内插座接线路示意图
6）寻求必要的技术支持。高压直流电源系统做为一种前沿的电源应用新技术，目前尚未在国内广泛建设使用，无论是运营商、设计院还是施工单位，均对高压直流电源系统缺乏足够的建设经验。故在方案编制阶段，我司派出了电源设计专家对工程进行设计支撑，同时也联系了参与起草《通信用240V直流供电系统技术要求》的中达电通、爱默生能源等公司寻求技术支持，并邀请拟采购的高压直流电源系统设备厂商技术督导一并参与设计方案会审，确保工程建设方案的可行性，为工程的顺利实施打下坚实的基础。
3结束语
对于通信高压直流电源系统的应用，通信行业已就高压直流供电电压、电流等级、关键技术指标、试验方法、检验规则等关键问题达成了共识，并开始推广使用。我们相信，在解决了后端IT设备的适应性标准问题后，高压直流电源技术必将得到更大规模的商用，由运营商应用延伸至广大的社会客户应用，为国家节能减排做出更大的贡献。
参考文献
[1]YDB 037-2009 通信用240V直流供电系统技术要求[S].
[2]赵长煦.IT设备高压直流供电热点问题研究与应用[J].2009年通信电源专刊,2009,1:136-144.
[3]孙文波,侯福平.通信用240V直流供电技术探讨[J].电信技术,2009,9:23-25.
[4]孙文波,侯福平.高压直流供电几个值得注意的问题[J].2009年通信电源专刊,2009,1:131-133.
[5]赵长煦.IT设备高压直流供电探索与实践[J].2008年通信电源专刊,2008,1:121-127.
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直流电源浪涌电流抑制电路研究 篇11
所谓浪涌,是一种突发性瞬态电压或者电流脉冲,是指电源接通瞬间,引起流入电源设备的峰值电压或电流,此类电压或者电流的脉冲宽度甚至可以短到纳秒数量级。当电源上电瞬间,由于加在滤波电容上的瞬态电压很大,将引起很大的浪涌电流,这些滤波电容(包括外部电容和寄生电容)的作用相当于一根短路线,产生上升很快的瞬时浪涌电流。浪涌电流的尖峰可能比稳态电流大的多,如果浪涌电流不加以抑制,就很可能会烧毁保险丝,损坏连接器的引脚,因此电流尖峰和电流上升下降斜率必须被有效的控制。
通常以下几种情况会引起浪涌电流产生[1]:
(1)电源开、关瞬间;
(2)同一电网中其他用电设备的开关动作;
(3)雷电感应;
(4)电路中电子元器件的引脚接触不良(如虚焊或者电连接头松动等),造成电源时通时断;
(5)电子元器件带电插拔;
(6)电子元器件参数突变;
(7)示波器等检测设备使用时探头带电;
(8)电烙铁或人体静电。
图1 为直流+28 V电源经DC-DC电源模块转化成+5 V后给负载电路上电(未加抑制电路)的简化示意图,测试点1、2 分别为+28 V、+5 V的浪涌电流测试点,测试工具为电流钳(1 A/100 m V)、示波器等。图2 为测试点1、2 处测试到的浪涌电流实测变化曲线,+28 V处峰值浪涌电流为4.19 A,+5V处峰值浪涌电流为3.44 A,而负载电路稳定工作电流仅为200 m A左右,可见电路上电瞬间产生的浪涌电流对电源母线及电路自身安全是一个十分可怕的隐患。
1 传统浪涌电流抑制电路分析
传统的电子设备采用熔断器作为浪涌电流抑制器[3]。熔断器是在玻璃管中封装的一根熔丝,熔丝的开断时间与通过熔丝的电流幅度之间具有反时限的安- 秒特性,即通过的电流幅值越大,开断的时间越短,熔断器是一次性器件,熔丝一旦烧断,熔断器就报废了,这就大大限制了熔断器作为浪涌电流抑制功能的应用,尤其是在航空航天领域。现如今有一种能自重置的熔丝正在取代一次性熔丝,并在电子线路的浪涌保护中发挥作用,这种熔丝由聚合物载体充以导电微粒组成,在熔断状态下,导电微粒互相保持接触,熔丝呈现低阻态,当通过熔丝的电流接近某一个阈值时,熔丝的自身加热引起导电微粒重新排列,互相之间失去约束,使熔丝表现为高阻态。但是从聚合物熔丝的工作原理可以看出,聚合物熔断器的响应时间较长,不适合作灵敏的、高速的浪涌电流抑制器。
使用大电感或者是和电容串联电阻来抑制浪涌电流[2],如图3。大电感带来的问题是电源的体积增大和重量增加,而串联电阻造成电源转换效率降低。为了克服串联电阻带来的功率损失,许多设计者在电阻两端并联一个开关(半导体器件或者是继电器)。继电器的尺寸和重量取决于工作电流,而且必须设计特定的控制电路来控制继电器的通断,增加了电路的复杂度,从一定程度上也降低了电源的可靠性。在一些场合中也可以在电阻两端并联半导体器件,如SCR。这些器件的使用也带来体积过大以及功耗较大的问题,同时还要设计专门的控制电路来控制SCR的通断,因此增加了电路的复杂性并降低了电路的可靠性。
2 新型浪涌电流抑制电路的设计
本文提出一种新型的浪涌电流抑制电路。该电路采用MOSFET配合其它外围电路来实现浪涌电流的抑制。之所以选择MOSFET来抑制浪涌电流,主要是由于其具备如下特点:
(1)MOSFET是多子压控型器件,具有很快的开关速度;
(2)开关损耗小;
(3)栅极驱动方式简单;
(4)RDS低,因此在MOSFET导通状态下,漏-源极之间导通压降也较低,一定程度上提高电源效率。
以MOSFET管NTMD6N03R2 为例,MOSFET的开关速度取决于输入电容充放电的速度,从MOSFET的栅极电荷转移特性曲线(见图4)可以看出,当栅源电压VGS上升并保持在Vplt(产品手册中可查到)时,漏源电压从VDS迅速下降到10% 位置之后,缓慢下降到Vdss,从RDS与ID关系曲线(见图5)中可以看出,内阻RDS变化非常微小,可以忽略不计,此时IDS几乎保持不变,d VDS/dt得到了很好的控制。因此,采用MOSFET管作为浪涌电流抑制的核心器件主要就是利用利用了MOSFET在VGS上升并保持在Vplt过程中对d VDS/dt很好的控制能力这个功能。
图6 所示电路为直流+28V电源浪涌抑制电路,其中MOSFET M1 被置于电路的回路中,经过抑制后的浪涌最大电流取决于电路R5、R67 并联后的阻值与电容C1、C24 串联后容值的乘积( 阻、容值需依据实际情况经试验测试确定),电阻R7 的功能是对+28 V输入电压进行分压,使得M1 的栅- 源电压VGS不会超限而导致器件损坏,稳压二极管V1的功能是限制M1的栅-源电压由于输入+28V电源不稳定而导致VGS超限,从而损坏器件。
如7 所示电路为直流+5V电源浪涌抑制电路,其工作原理同样是利用MOSFET电荷转移特性, 通过控制VGS的打开时间来实现浪涌电流抑制,区别只是MOSFET的选型和阻容数值的匹配。
3 实验结果
按照图6、图7 所示电路设计,DC-DC模块采用Interpoint公司航天标准电源,按图1 所示连接方式连接,同样在图2 所示中两个测试点测试浪涌电流,+28V的浪涌电流为0.7 A(见图8),为浪涌抑制前4.19A的16.7%,+5 V的浪涌电流为0.34 A(见图9),为浪涌抑制前3.44 A的9.8%,取得了很好的抑制效果。
4 结论
本文针对直流电源在上电瞬间会产生浪涌冲击电流的现象,分析了传统抑制浪涌电流方法的局限性,提出了一种基于自驱动MOSFET的新型浪涌抑制电路,通过实验验证了该电路的可行性和实用性,并最终将该电路成功应用于航天 ×× 项目星载开关电源中,在一系列严苛工作条件下,其工作状态正常,表现优秀,有效抑制了浪涌电流对系统的影响。
摘要：文章介绍了直流电源浪涌电流产生的原因及危害,并对传统浪涌电流抑制电路进行分析,指出其局限性,并提出一种新型的基于MOSFET的浪涌电流抑制电路。该电路经过实验验证,具备优秀的浪涌电流抑制能力,最终成功应用于航天星载开关电源中。
关键词：浪涌电流,直流电源,抑制,MOSFET
参考文献
[1]刘澄.半导体激光器的浪涌损坏及消除方法[J].电力环境保护,2003,19(4):49-61
[2]张乾,王卫国.星载开关电源浪涌电流抑制电路研究[J].电子技术应用,2008,12:82-84
[3]谷金宏.电子线路的浪涌保护[J].河南师范大学学报,2001,29(4):40-42