談電源設備的適配性

談電源設備的適配性

TalkaboutSuitabilityofPowerSupplyEquipments

摘要：提出電源設備適配性的觀(guān)點(diǎn)，電源與負載間的關(guān)系用適配性表達。從電源及其負載組成一個(gè)系統出發(fā)，統一進(jìn)行電源的研發(fā)、設計。而“適配性試驗”用以預測電源在實(shí)際應用環(huán)境下的工作狀況。

關(guān)鍵詞：適配性穩壓電源

1引言

　　電源與用電設備之間應有適當的連接。例如，經(jīng)導線(xiàn)直接連接；經(jīng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行通斷操作；接入穩壓電源穩定電壓或設一變頻器實(shí)現其它控制功能。上述中間連接裝置可稱(chēng)之“電能耦合級”，其特點(diǎn)是滿(mǎn)足用電設備對電源供電質(zhì)量及其控制的特定要求。電源設備必須滿(mǎn)足用電設備的技術(shù)要求這一共同性，即“電源裝置的適配性”。不難發(fā)現眾多可觀(guān)察的現象都存在“適配性”，如汽車(chē)產(chǎn)品中適合山地行駛的與高速公路行駛的性能差異很大；攻擊移動(dòng)目標的武器與攻擊固定目標的武器也不一樣，各有其適用場(chǎng)合?！拔锉M其用”從一個(gè)側面形象地表達了客觀(guān)存在的“適配性”，或者說(shuō)適配性是存在于所有需求和供給之間的普遍關(guān)系。

　　文獻提出“靈敏電子設備、計算機和以數字處理為基礎的各種電子、電氣設備所代表的負載量不大于市電總負載的0.01％”。這說(shuō)明占市電總容量約0.01％的大量用電設備應經(jīng)不同功能要求的“電能耦合級”連接到市電。這里討論電能耦合級所提供的交流電源與用電設備之間的適配性。

2交流電源適配性的分類(lèi)

　　常用電源設備有交流與直流兩大類(lèi)。表征電源與負載間適配關(guān)系的主要內容來(lái)自電源的各項性能指標，這里以交流穩定電源為對象討論其適配性的內容，當然其中包含許多與直流電源有共性的部分。

　?。?）安全要求設備類(lèi)別、電氣間隙、爬電距離、絕緣電阻、絕緣強度、機內接地的導電電阻、溫升、泄漏電流、外殼防護等級、保護功能。

　?。?）環(huán)境適應性溫度、濕度、海拔、振動(dòng)、沖擊、運輸、三防（防潮、防霉、防鹽霧）、有害粉塵、蒸汽或油霧、含易爆物質(zhì)的環(huán)境、放射性幅射。

　?。?）穩定工況下的供電性能容量、電壓、頻率、輸出電流、輸入電壓范圍、穩壓精度（源電壓效應、負載效應、波形畸變效應）、相對諧波含量、電壓不對稱(chēng)度增量、輸出電壓漂移、負載能力（負載功率因數、不平衡負載、過(guò)載能力）。

　?。?）動(dòng)態(tài)性能輸入電壓階躍、負載階躍、低功率因數負載階躍、直接起動(dòng)異步電動(dòng)機、穩定工況下電壓波動(dòng)、開(kāi)（關(guān)）機過(guò)沖幅值。

　?。?）平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）

　?。?）電磁兼容（EMC）電源干擾的情況，可以從持續期很短的尖峰干擾到完全失電之間變化。其中包括電壓跌落、浪涌與中斷、頻率變化、波形失真、持續噪聲及瞬變。當然不是所有這些都會(huì )影響設備的正常工作。這里列出電源進(jìn)線(xiàn)造成危害的主要幾項干擾：

　　1）電壓跌落指電壓低于正常值，時(shí)間大于1周期至數小時(shí)。

　　2）尖峰電壓持續時(shí)間約幾十us到幾個(gè)ms，尖峰幅度在正常電壓的150％至6000V。

　　3)振鈴干擾是一種振蕩幅度隨時(shí)間迅速衰減到零的一串高速脈沖列。頻率400Hz～5000Hz，峰值超過(guò)正常電壓數倍甚至更高。

　　4）電壓浪涌情況與電壓跌落相似，大約在半周期到1s時(shí)間內，屬于一種持續的電壓升高過(guò)程。

　?。?）其它效率、噪聲、外形尺寸、質(zhì)量、制造成本。

　?。?）與用電設備生產(chǎn)工藝相對應的電源功能以變頻器為例，應用很廣泛，主要用于實(shí)現有特定要求的傳動(dòng)控制。例如：加工中心的傳動(dòng)控制，可實(shí)現極高的加工精度、復雜程度和高生產(chǎn)率；用于電動(dòng)車(chē)輛傳動(dòng)，達到舒適、操縱靈活、高速、安全的目的；高速電梯的傳動(dòng)必須在滿(mǎn)足舒適性的前提下加、減速特性及高速運行；礦井提升機和大型軋機的傳動(dòng)系統在高度可靠的前提下都能滿(mǎn)足嚴格的工藝要求又有良好的經(jīng)濟性；1990年一份訪(fǎng)美報告中提到橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的“高級馬達”，與之配用的調速系統可精確控制速比為1：100000的水平。僅這些例子就充分表明變頻器這類(lèi)交流電源可以滿(mǎn)足眾多不同的工藝要求、性能較高且經(jīng)濟性良好的傳動(dòng)需求。這些均可歸

納為此類(lèi)電源設備的適配性。

3具有寬范圍適配能力的交流穩壓電源

　　基于廣泛調查和長(cháng)期積累的經(jīng)驗說(shuō)明必須為軍用電子裝備配置高可靠性、高性能、高穩定性的交流穩定電源。寬范圍適配能力包括：有效值穩壓功能，在電壓波形畸變率增大情況下，這一功能是十分必要的。還有特殊的環(huán)境條件、高可靠性、高穩壓精度、良好的動(dòng)態(tài)特性等等。我們從適配性出發(fā)研制成功新一代補償式有效值交流穩壓電源。

　　通常的補償式存在三個(gè)缺點(diǎn)：穩壓精度較低、可靠性差、響應速度慢（不宜承受沖擊負載）。因此提出用無(wú)觸點(diǎn)方式取代的方案，研制初期發(fā)現無(wú)觸點(diǎn)補償結構的最小調整量難以降低，這就限制了穩壓精度的提高。從這一點(diǎn)出發(fā)，仍然采用機械式調壓的方案，在保留機械式調壓機構的同時(shí)開(kāi)展了若干專(zhuān)題的研究工作。經(jīng)過(guò)實(shí)踐克服了補償式的主要缺陷，小批產(chǎn)品的三項性能：穩壓精度優(yōu)于±0.5％；全負載沖擊時(shí)最大過(guò)沖2.4％，動(dòng)態(tài)恢復時(shí)間0.3s；MTBF達50000h。

　　新產(chǎn)品還具有以下特點(diǎn)：

　?。?）除了滿(mǎn)足一般環(huán)境條件外，允許環(huán)境溫度為－40～＋50℃，還能用于海拔4000m。

　?。?）有效值穩壓功能實(shí)測結果：波形畸變率為20％時(shí)，輸出電壓有效值偏差0.2％。

　?。?）三相電壓分調，允許各相負載不平衡度達100％，電壓不對稱(chēng)度增量不高于0.3％。短時(shí)過(guò)載能力為160％、5min。

　?。?）可承受頻繁的沖擊負載，對各種階躍干擾的響應均滿(mǎn)足過(guò)沖≤0.5％。

　　經(jīng)廣泛使用考核，軍用電子裝備配置該穩壓電源后避免了諸多故障，運行良好。

　　[附]該產(chǎn)品已通過(guò)軍內部級鑒定（詳見(jiàn)本期“新品介紹”欄目）

4討論

　?。?）把電源設備看成產(chǎn)品，用戶(hù)選用產(chǎn)品時(shí)用適配性的原則去考慮，即將電源的各種參數、性能看成電源的適配性。這樣更容易實(shí)現最合理的選配。從這一點(diǎn)出發(fā)還可以按適配性對電源產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)。這個(gè)認識仍將電源與負載分別作為獨立的兩個(gè)設備，它們之間存在適配性的關(guān)系。

　?。?）在狹義范圍內將適配性定義為“電源設備與負載組成一個(gè)系統”在特定的條件下運行時(shí)，該電源的穩壓和暫態(tài)供電指標能滿(mǎn)足預期的要求。電源與負載所組成系統的這種特性稱(chēng)之為適配性。這里又提出一個(gè)新的觀(guān)點(diǎn)，即“電源與負載組成一個(gè)系統”，在特定條件下這個(gè)觀(guān)點(diǎn)有益于推動(dòng)電源產(chǎn)品的研制。

　?。?）舉例闡明這個(gè)觀(guān)點(diǎn)。穩壓穩頻電源受到階躍負載擾動(dòng)時(shí)輸出電壓和頻率有一過(guò)渡過(guò)程。為獲得較小的過(guò)沖及穩定時(shí)間，早期曾采取大馬拉小車(chē)的辦法。這不僅增加初期投資，且運行及維修費用也相應增加。將電源與負載組成一個(gè)系統，調節器的控制量不僅取自電源的輸出量，而且將擾動(dòng)的參數變化引入調節器。結果大大降低了過(guò)沖和穩定時(shí)間。值得注意的是“組成一個(gè)系統”后，使得若干技術(shù)措施得以應用于這“一個(gè)系統”。

　　因此，電源與負載組成一個(gè)系統，按系統的要求來(lái)研制電源設備，將有助于獲得更高技術(shù)性能的電源來(lái)滿(mǎn)足特定負載的需求。

　?。?）電源與負載組成一個(gè)系統對電源的性能考核增添了新的內容，即根據運行特點(diǎn)歸納出特定項目的試驗條件和試驗方法。這類(lèi)試驗的內容可能是多種多樣的，統稱(chēng)適配性試驗。穩壓電源用于雷達裝置的適配性考核是一個(gè)例子，雷達運行對電源設備是強烈且頻繁的沖擊性負載，如果電源動(dòng)態(tài)特性差則易引發(fā)故障甚至系統不穩定。這在現場(chǎng)條件下難以鑒別、判斷和維修。針對這個(gè)情況設置了相應的適配性試驗項目，用試驗的方法預先考核電源用于雷達的適配能力。新研制的有效值穩壓電源先經(jīng)適配性試驗，然后與多種型號雷達配用取得良好的效果。

　　適配性試驗的項目設置、試驗條件、試驗方法必須有效地再現原有系統的運行狀況，使得適配性試驗結果可直接用來(lái)判斷實(shí)際運行情況。

　?。?）未來(lái)電源的適配性研究是電源產(chǎn)品發(fā)展的方向之一。例如納米技術(shù)的應用引起各方的充分關(guān)注，與之相適應的電源研究是個(gè)重要的發(fā)展分支。

　?。?）適配性也涉及電源產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理。例如供需雙方原有的關(guān)系中一方是出產(chǎn)品，另一方是選用?，F在看起來(lái)這只是兩者關(guān)系的一個(gè)方面。另外還可以由用戶(hù)提出要求，制造廠(chǎng)從設計到制造的全過(guò)程都必須滿(mǎn)足該特定的需求。