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高頻開關(guān)電源的原理特性及與原始直流設(shè)備的性能比較
2018-10-18 10:34:24
一、高頻開關(guān)電源的原理和特性
高頻開關(guān)整流器一般是先將交流電直接經(jīng)二極管整流、濾波成直流電，再經(jīng)過開關(guān)電源變換成高頻交流電，通過高頻變壓器變壓隔離后，由快速恢復(fù)二極管高頻整流、電感電容濾波后輸出。
（二）采用高頻化有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時，用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計的（5～10）％。這正是開關(guān)電源實現(xiàn)變頻帶來明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機(jī)、通訊電源用浮充電源的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。
那么，以同樣的原理對傳統(tǒng)的電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等各種直流電源加以類似的改造，使之更新?lián)Q代為“開關(guān)變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90％或更高，還可節(jié)電30％或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，既可帶來顯著節(jié)能、節(jié)材的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。
（三）設(shè)計模塊化――自由組合擴(kuò)容互為備用提高安全系數(shù)
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對器件造成更大的應(yīng)力（表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，而把相關(guān)的部分做成模塊。
多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，便極大地提高了系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供了充分的時間。
二、電力智能高頻開關(guān)整流器與原始直流設(shè)備的性能比較
以前我國各地的發(fā)電廠、水電站及500kV、220kV、110kV、35kV等各類變電站所使用的直流電源設(shè)備，大部分采用的是相控電源，由于受工藝水平和器件特性的限制，上述電源長期以來處于低技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)難的狀況。我國在近幾年來也逐步完成了從原始直流設(shè)備到高頻直流電源的過渡。
由以上表格我們可以看出，智能型高頻開關(guān)電源與傳統(tǒng)的相控電源比較，主要技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于部標(biāo)1-2個等級以上，具有以下優(yōu)點。
（一）相控電源硅整流器采用1+1主從備份方式，而高頻開關(guān)電源采用N+1模塊冗余并聯(lián)組合方式供電，即如果N個模塊的輸出電流能滿足充電電流需要，則采用N+1模塊平均分配，因此，可提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。個別模塊故障時，可帶電更換，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，擴(kuò)容維護(hù)方便。
（二）可控硅整流器運(yùn)行于浮充電方式時，直流輸出的紋波系數(shù)較大，曾發(fā)生中央信號裝置誤動作和高頻繼電保護(hù)誤發(fā)信號等事故，按部頒要求紋波系數(shù)不大于2%。另外，可控硅整流器與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，紋波系數(shù)較大時，若浮充電壓波動或偏低會出現(xiàn)蓄電池脈動充電放電現(xiàn)象，對蓄電池不利。高頻開關(guān)電源的充電裝置采用多個智能化模塊并聯(lián)組合供電，使得供電質(zhì)量和技術(shù)參數(shù)明顯提高。模塊采用準(zhǔn)諧振技術(shù)（或脈寬調(diào)制技術(shù)）和電流電壓雙環(huán)控制技術(shù)，提高開關(guān)工作頻率，開通損耗小，輸出電壓的紋波系數(shù)很小，一般≤?1?7.1%額定電壓，進(jìn)而可防止蓄電池脈動充電放電，延長蓄電池的使用壽命，可靠性更高。
（三）高頻開關(guān)電源整流模塊具有內(nèi)置微處理器，是提高設(shè)備管理水平的基礎(chǔ)，在滿足直流系統(tǒng)故障信號應(yīng)盡量完善的前提下，使接線簡單，安裝調(diào)試快捷。除了能在面板上直接顯示輸出電流和電壓及模塊的各種運(yùn)行狀況外，還能通過監(jiān)控模塊與電力系統(tǒng)的自動化網(wǎng)或變電工區(qū)直流班監(jiān)控系統(tǒng)通信，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和對模塊各項操作，實現(xiàn)四遙功能。傳統(tǒng)的直流電源一般在屏柜上裝設(shè)電流、電壓表和其它專用裝置對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，且這些測量值不能經(jīng)通信口實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視（微機(jī)型除外）。即使有遙測，也是采用直流采樣方式，采樣點不多，對反映各種運(yùn)行狀況的信號也以接點方式接至光字牌或遙信屏，因此，接線繁瑣，自動化程度低，實現(xiàn)遙控和遙調(diào)功能的難度較大。
（四）按部頒要求，充電時穩(wěn)流精度誤差≤17%，浮充電時穩(wěn)壓精度誤差≤17%。而高頻開關(guān)電源穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度更高，其誤差一般≤17.5%，可避免對蓄電池過充、欠充，保證蓄電池運(yùn)行在最佳狀態(tài)。閥控式電池容量大、維護(hù)量孝放電倍率低，適用于大容量的直流電源。從原理性能看，高頻開關(guān)模塊適合與閥控式電池配套使用。
（五）高頻開關(guān)電源整流模塊具有并聯(lián)運(yùn)行方式下自動均流功能。同時，設(shè)有過流、過壓及瞬時短路保護(hù)，安全可靠的防雷措施，能有效地承受輸出短路沖擊。另外，采取多重有效措施，防止高頻電源及諧波對交流電網(wǎng)側(cè)的干擾。
（六）高頻開關(guān)電源綜合轉(zhuǎn)換效率高，多數(shù)廠家的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%以上，而相控電源轉(zhuǎn)換效率一般只有60%-80%。
再有一大特點就是這種電源系統(tǒng)設(shè)有微機(jī)型集中監(jiān)控裝置，可以支持多種通信協(xié)議，與調(diào)度中心或變電工區(qū)的直流班監(jiān)控系統(tǒng)通信，對直流系統(tǒng)進(jìn)行四遙監(jiān)控，具有測量模塊的輸出電流和電壓、直流母線電流和電壓、電源的輸出電流和電壓、電池充放電電流和電壓等；控制電源的開關(guān)機(jī)等；控制高頻開關(guān)電源實現(xiàn)對蓄電池浮充、均充方式的自動轉(zhuǎn)換；控制硅鏈的自動或手動投切，保證控制母線的穩(wěn)壓精度等功能。同時，這種系統(tǒng)還設(shè)有專用微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置，能實時顯示母線電壓和正、負(fù)母線對地絕緣電阻的大小及發(fā)出異常報警，對各回饋線的絕緣情況進(jìn)行巡檢，指示具體發(fā)生故障的回路，這種選線功能為查找直流接地帶來極大方便。
三、結(jié)束語
目前，我國正大力實施變電站的無人值班管理，因此，對設(shè)備的選擇將會朝著小型化、少維護(hù)或免維護(hù)及自動化程度高的方向發(fā)展。高頻開關(guān)直流電源正能適應(yīng)這種要求，經(jīng)過這幾年的運(yùn)行考驗，這種產(chǎn)品的性能已逐步成熟、穩(wěn)定。憑著優(yōu)越的技術(shù)性能和良好的價格性能比，高頻開關(guān)電源將成為直流電源的首選產(chǎn)品。
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