智能高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊的設計方案
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0 引言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/231350.htm隨著(zhù)我國科技生產(chǎn)水平的不斷提高，各行各業(yè)對供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而智能高頻開(kāi)關(guān)電源作為一種繼電保護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。當市電供電中斷時(shí)還可以作為后備電源，所以說(shuō)智能高頻開(kāi)關(guān)電源是對供電質(zhì)量保證的重要組成部分之一。它具有高度靈活組合、自主監控的特點(diǎn)，另外可靠性強、穩定性好且具有體積小、噪聲低、節能高效、維護方便等也是它的一大優(yōu)點(diǎn)。
可以說(shuō)智能高頻開(kāi)關(guān)電源是一種集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，可實(shí)現系統的自動(dòng)診斷、自動(dòng)測試和自動(dòng)控制。本文主要闡述的是智能高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊的設計方案。
1 系統總體結構介紹
智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統的總體結構主要由主監控單元、配電模塊、交流配電單元、整流模塊等組成，系統總體的結構圖如圖1所示。系統中的各個(gè)監控單元受主監控單元的管理和控制，通過(guò)通信線(xiàn)將各個(gè)監控單元采集的信息送給主監控統一管理。主監控顯示直流系統各種信息，用戶(hù)也可以觸摸顯示屏查詢(xún)信息及操作，系統信息還可以接入到遠程監控系統中。系統除了交流監控、直流監控、開(kāi)關(guān)量監控等基礎單位外，還配置了絕緣監測、降壓裝置、電池巡檢等功能單元，以達到對直流系統進(jìn)行全面監控的目的。
圖1 系統控制原理圖
工作時(shí)兩路市電(交流)經(jīng)過(guò)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換為直流電，給備用電源(蓄電池)充電，同時(shí)也給合閘母線(xiàn)負載供電，另外合閘母線(xiàn)通過(guò)降壓裝置給控制母線(xiàn)供電。所以說(shuō)本文設計的整流模塊是將整流和充電兩項功能結合于一體的一種新型的整流模塊。
2 整流模塊的設計
整流模塊是智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統中的一個(gè)重要部分，關(guān)系到系統的直流電壓輸出和工作時(shí)電壓輸出的穩定狀況。本文的設計主要是對模塊整流原理的改進(jìn)和完善，利用無(wú)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。
本文設計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(guò)過(guò)防雷處理和濾波對輸入的三相交流進(jìn)行處理，這樣才能保證模塊后級電路的安全；經(jīng)過(guò)處理后的三相交流經(jīng)過(guò)整流和無(wú)源PFC后轉換成高壓直流時(shí)，這時(shí)轉換的高壓直流要經(jīng)過(guò)DC/DC變換器再次轉換成可變的直流電壓輸出；另外模塊控制部分還有負責過(guò)壓、過(guò)流以及短路保護等作用，這樣才能保證輸出電壓的穩定，也同時(shí)能對模塊各部件進(jìn)行保護。模塊還在遠程監控中提供了 四遙(遙控、遙調、遙測、遙信)接口。
圖2 整流模塊的的工作原理圖
即功率因數校正(Power 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(wú)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(wú)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(lái)平滑電容充電強脈沖的波動(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(lái)補償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數和電磁干擾都得以改善。
這種方式只是一種簡(jiǎn)單的補償措施，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的補償能力都很差。
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、快速響應的性能，同時(shí)可以收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約20%~30%的電能。直流斬波器不僅能起到調壓作用，還能起到有效抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。
圖3 無(wú)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T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo(續流電感)起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級無(wú)再有復位繞組，因為VD1，VD2的導通限制了兩個(gè)調整管關(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)續流二極管VD4(VD3，VD4最好均選用恢復時(shí)間快的整流管)。輸出濾波電容CO應選擇低、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(kāi)關(guān)管所承受的電壓不會(huì )超過(guò)UIN，Ud(UIN為輸入電壓；Ud為VD1，VD2的正向壓降)，VD1，VD2必須是快恢復管，其在實(shí)際設計和調試中恢復時(shí)間越短越好。
(2)與單端正激式DC/DC變換器相比，它無(wú)須復位電路，這有利于簡(jiǎn)化電路和變壓器的設計；它的功率器件可選擇較低的耐壓值；它功率等級也會(huì )很大。
(3)兩個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源這樣大功率等級電源中比較適合。
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(chēng)為紋波電壓)。為了獲得平滑的直流電壓，應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(380V、50Hz)變換成額定的直流輸出(5A/230V)之外，還具有保護功能和設置功能，現將模塊的保護功能和設置功能介紹如下：
3.1 保護功能介紹
(1)輸出過(guò)壓保護。輸出電壓過(guò)高會(huì )對用電設備造成重大事故，為杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生，在模塊內部設有過(guò)壓保護電路，當出現過(guò)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)系統的正常運行。
(2)輸出限流保護。因為每個(gè)整流模塊的輸出功率受到限制，輸出的電流不能過(guò)大。因此，對每個(gè)模塊的輸出電流最大限制為額定輸出電流的1.2倍，如果超出負載，模塊自動(dòng)調低輸出電壓以達到保護模塊的功能。
(3)短路保護。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，以達到保護模塊的目的，這樣模塊長(cháng)期可以長(cháng)期工作在短路狀態(tài)而不至于損壞，同時(shí)當故障排除后模塊可以自動(dòng)恢復工作。
圖5 整流模塊輸出特性
(4)模塊并聯(lián)保護。每個(gè)模塊內部均有并聯(lián)保護電路，可以保證模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)退出系統，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(guò)溫保護。模塊的過(guò)溫保護主要是保護大功率變流器件，這些器件的結溫和電流過(guò)載能力均有安全極限值，正常工作的情況下，系統設計留有足夠余量，但在一些特殊條件下，如環(huán)境溫度過(guò)高、風(fēng)機停轉燈情況下，模塊檢測散熱器溫度超過(guò)一定值時(shí)，就會(huì )自動(dòng)關(guān)機保護，當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(guò)流保護。過(guò)流保護主要是保護大功率變流器件，在變流的每一個(gè)周期，如果通過(guò)的電流超過(guò)器件承受的電流，模塊就會(huì )關(guān)閉功率器件，以達到保護功率器件的目的。
3.2 調節功能介紹
(1)電壓調節功能。模塊的電壓調節主要是指輸出電壓的調節，在模塊的輸出端設有電壓調節電位器，當模塊和監控單元相連接時(shí)，輸出電壓也可以由監控系統設定，這時(shí)電位器調節無(wú)效。
(2)測量功能。模塊的測量功能主要是測量模塊的輸出電壓和電流以及模塊的工作狀態(tài)，并通過(guò)LCD顯示，可以使用戶(hù)直觀(guān)方便的了解模塊和系統的工作狀態(tài)。
(3)遙控功能。遙控：控制模塊的開(kāi)/關(guān)機狀態(tài)，以及備用電源(蓄電池)的均/浮充狀態(tài)；遙調：對輸出電壓和輸出電流的調節控制；遙測：可以在模塊工作時(shí)測量輸出電流和輸出電壓的值；遙信：通過(guò)遠程監控監測模塊的工作狀態(tài)。
4 結語(yǔ)
本文主要對智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統中的整流模塊進(jìn)行的設計與研究，利用無(wú)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)側諧波電流噪聲，體現了智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統中整流模塊的優(yōu)點(diǎn)，適用于鐵路、礦山等變電場(chǎng)所。該系統雖然能夠準確的進(jìn)行交流變換，但是在對備用電源充電時(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。
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