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高頻開關電源的原理特性及與原始直流設備的性能比較
2018-10-18 10:34:24
一、高頻開關電源的原理和特性
高頻開關整流器一般是先將交流電直接經二極管整流、濾波成直流電，再經過開關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經濟指標
理論分析和實踐經驗表明，電器產品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時，用電設備的體積重量大體上降至工頻設計的（5～10）％。這正是開關電源實現變頻帶來明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機、通訊電源用浮充電源的開關式整流器，都是基于這一原理。
那么，以同樣的原理對傳統的電鍍、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，使之更新換代為“開關變換類電源”，其主要材料可以節約90％或更高，還可節電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高頻設備固態化，既可帶來顯著節能、節材的經濟效益，更可體現技術含量的價值。
（三）設計模塊化――自由組合擴容互為備用提高安全系數
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重，對器件造成更大的應力（表現為過電壓、過電流毛刺）。為了提高系統的可靠性，而把相關的部分做成模塊。
多個獨立的模塊單元并聯工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。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來說功率很小的冗余電源模塊，便極大地提高了系統可靠性，即使萬一出現單模塊故障，也不會影響系統的正常工作，而且為修復提供了充分的時間。
二、電力智能高頻開關整流器與原始直流設備的性能比較
以前我國各地的發電廠、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指標、維護保養難的狀況。我國在近幾年來也逐步完成了從原始直流設備到高頻直流電源的過渡。
由以上表格我們可以看出，智能型高頻開關電源與傳統的相控電源比較，主要技術指標均優于部標1-2個等級以上，具有以下優點。
（一）相控電源硅整流器采用1+1主從備份方式，而高頻開關電源采用N+1模塊冗余并聯組合方式供電，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，可提高系統運行可靠性。個別模塊故障時，可帶電更換，不影響系統的正常運行，擴容維護方便。
（二）可控硅整流器運行于浮充電方式時，直流輸出的紋波系數較大，曾發生中央信號裝置誤動作和高頻繼電保護誤發信號等事故，按部頒要求紋波系數不大于2%。另外，可控硅整流器與蓄電池并聯運行，紋波系數較大時，若浮充電壓波動或偏低會出現蓄電池脈動充電放電現象，對蓄電池不利。高頻開關電源的充電裝置采用多個智能化模塊并聯組合供電，使得供電質量和技術參數明顯提高。模塊采用準諧振技術（或脈寬調制技術）和電流電壓雙環控制技術，提高開關工作頻率，開通損耗小，輸出電壓的紋波系數很小，一般≤?1?7.1%額定電壓，進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）高頻開關電源整流模塊具有內置微處理器，是提高設備管理水平的基礎，在滿足直流系統故障信號應盡量完善的前提下，使接線簡單，安裝調試快捷。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行狀況外，還能通過監控模塊與電力系統的自動化網或變電工區直流班監控系統通信，進行遠程監視和對模塊各項操作，實現四遙功能。傳統的直流電源一般在屏柜上裝設電流、電壓表和其它專用裝置對設備進行監視，且這些測量值不能經通信口實現遠程監視（微機型除外）。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，實現遙控和遙調功能的難度較大。
（四）按部頒要求，充電時穩流精度誤差≤17%，浮充電時穩壓精度誤差≤17%。而高頻開關電源穩壓、穩流精度更高，其誤差一般≤17.5%，可避免對蓄電池過充、欠充，保證蓄電池運行在最佳狀態。閥控式電池容量大、維護量孝放電倍率低，適用于大容量的直流電源。從原理性能看，高頻開關模塊適合與閥控式電池配套使用。
（五）高頻開關電源整流模塊具有并聯運行方式下自動均流功能。同時，設有過流、過壓及瞬時短路保護，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側的干擾。
（六）高頻開關電源綜合轉換效率高，多數廠家的轉換效率達到90%以上，而相控電源轉換效率一般只有60%-80%。
再有一大特點就是這種電源系統設有微機型集中監控裝置，可以支持多種通信協議，與調度中心或變電工區的直流班監控系統通信，對直流系統進行四遙監控，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；控制電源的開關機等；控制高頻開關電源實現對蓄電池浮充、均充方式的自動轉換；控制硅鏈的自動或手動投切，保證控制母線的穩壓精度等功能。同時，這種系統還設有專用微機絕緣監察裝置，能實時顯示母線電壓和正、負母線對地絕緣電阻的大小及發出異常報警，對各回饋線的絕緣情況進行巡檢，指示具體發生故障的回路，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，對設備的選擇將會朝著小型化、少維護或免維護及自動化程度高的方向發展。高頻開關直流電源正能適應這種要求，經過這幾年的運行考驗，這種產品的性能已逐步成熟、穩定。憑著優越的技術性能和良好的價格性能比，高頻開關電源將成為直流電源的首選產品。
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