整流與變換設備

1通信電源設備與維護—整流與變換設備

通信電源教研室廣州城建職業(yè)學院2主要內容1高頻開關整流器主要技術

2高頻開關電源系統(tǒng)簡述

3整流設備運行與維護操作

4參數(shù)測量5通信高頻開關整流器的基本原理

整流與變換設備35.1通信高頻開關整流器的基本原理

1．高頻開關整流器的特點（1）重量輕，體積小。適合于分散供電方式。（2）功率因數(shù)高（3）穩(wěn)壓精度高，可聞噪音低（4）效率高(90%以上）（5）沖擊電流?。?）模塊式結構（7）智能化程度較高整流與變換設備45.1通信高頻開關整流器的基本原理2．高頻開關整流器領域的研究方向和有待解決的問題主要有：（1）解決高頻化與噪聲的矛盾問題。（2）如何進一步提高效率，提高功率密度。（3）開發(fā)高性能的功率器件、電感、電容和變壓器，提高整機的可靠性。整流與變換設備55.1通信高頻開關整流器的基本原理高頻開關系統(tǒng)組成：交流配電單元整流模塊直流配電單元監(jiān)控模塊整流與變換設備65.1通信高頻開關整流器的基本原理高頻開關整流器的結構圖

整流與變換設備75.1通信高頻開關整流器的基本原理1．主電路：AC(380/220V)→DC(48V)（1）交流輸入濾波：處于整流模塊的輸入端，包括低通濾波器、浪涌抑制等電路。其作用是將電網存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產生的雜音反饋到公共電網。（2）整流濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電，并向功率因數(shù)校正電路提供穩(wěn)定的直流電源。（3）功率因數(shù)校正：位于整流濾波和逆變之間，為了消除由整流電路引起的諧波電流污染電網和減小無功損耗來提升功率因數(shù)。（4）逆變：將直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關的核心部分，在一定范圍內，頻率越高，體積重量與輸出功率之比越小。高頻變壓器取代了笨重的工頻（50HZ）變壓器，從而使穩(wěn)壓電源的體積和重量大小減小。（5）輸出整流濾波：由高頻整流濾波及抗電磁干擾等電路組成，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。整流與變換設備85.1通信高頻開關整流器的基本原理2．控制電路一方面從輸出端取樣，經與設定標準進行比較，然后去控制逆變電路，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。整流與變換設備95.1通信高頻開關整流器的基本原理3．檢測電路除了提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)供值班人員觀察、記錄。4．輔助電源提供開關整流器本身所有電路工作所需的各種不同要求的電源（交直流各種等級的電壓電源）。整流與變換設備105.1.3高頻變換減少變壓器體積的原理

采用高頻變換技術減小變壓器體積可以認為是高頻開關整流器的核心技術

U=4BSfN

式中：Ｕ——變壓器電壓，單位為V；

B——磁通，單位為Gs；

S——變壓器鐵芯截面積，單位為cm2f——變壓器工作頻率，單位為Hz；

N——變壓器繞組匝數(shù)。在變壓器電壓和太磁通（與電流有關）一定的情況下，即變壓器功率一定的情況下，工作頻率越高，變壓器的鐵芯截面積可以做得越小，繞組匝數(shù)也可以越少。整流與變換設備115.1.4高頻開關整流器的分類

（1）按激勵方式:為自激式和他激式（2）按開關電源所用的開關器件:雙極型晶體管開關電源、功率MOS管開關電源、IGBT開關電源、晶閘管開關電源等。(功率MOS管用于開關頻率100kHz以上的開關電源中，晶閘管用于大功率開關電源中)（3）按開關電源控制方式:脈寬調制（PWM）開關電源，脈頻調制（PFM）開關電源，混合調制開關電源

（4）按開關電源的功率變換電路的結構形式:可分為降壓型、反相型、升壓型和變壓器型。變壓器型中按開關管輸出電路的形式可分為了單端開關電源、雙端開關電源。而雙端開關電源又可分為推挽型、半橋型、全橋型。單端開關電源可分為單端正激型、單端反激型。整流與變換設備125.2高頻開關整流器主要技術

高壓直流（幾百伏）轉換成低壓直流（幾十伏），是由功率轉換電路完成的。功率轉換電路：高壓直流→高壓高頻交流→高頻降壓變壓器→低壓高頻交流→低壓直流

根據(jù)DC／AC逆變電路工作原理的不同，高頻開關整流器可分為PWM型和諧振型兩類。整流與變換設備13PWM型功率轉換電路PWM型功率轉換電路控制簡單，有推挽、全橋、半橋以及單端反激，單端正激等形式。整流與變換設備14PWM型功率轉換電路

整流與變換設備15PWM型功率轉換電路推挽式功率轉換電路：高壓開關管BG1、BG2工作在飽和導通和截止關斷兩種狀態(tài)下，由基極驅動電路控制，對稱交替通斷（所以稱為推挽式），輸入直流電壓被轉換成高頻矩形波交變電壓，再由高頻變壓器降壓后，由全波整流電路將高頻交流轉換成直流電。

整流與變換設備16PWM型功率轉換電路

當BG1導通時，變壓器初級電流途徑為：E（＋）→N1→BG1→E（－），變壓器次級導電回路為：N2（5）→D2→RL→N2（3）。當BG2導通時，變壓器初級導電回路為：E（＋）→N1→BG2→E（－），變壓器次級導電回路為：N2（4）→D1→RL→N2（3）。整流與變換設備17PWM型功率轉換電路整流與變換設備開關管在導通和關斷時的損耗大。主要是由于開關管的通斷都是強制的（有時稱為硬開關）。在開關過程中，開關管的電壓、電流波形存在交疊的現(xiàn)象，從而產生了開關損耗（p=u*i）。18諧振型功率轉換電路

諧振型功率轉換電路是利用諧振現(xiàn)象，通過適當?shù)馗淖冮_關管的電壓、電流波形關系來達到減小開關損耗的目的。諧振型功率轉換電路有串聯(lián)、并聯(lián)和準諧振幾種。準諧振型功率轉換電路是在PWM型功率轉換電路的基礎上適當?shù)丶由现C振電感和諧振電容而形成的。諧振電感、電容與PWM功率轉換電路中的開關組成了所謂的“諧振開關”（對應PWM型的硬開關，這種諧振開關有時稱為軟開關）。在這種功率轉換電路的運行中將周期性地出現(xiàn)諧振狀態(tài)，從而可以改善開關的電壓、電流波形，減小開關損失，又由于工作在諧振狀態(tài)的時間只占開關周期的一部分，其余時間都運行在非諧振狀態(tài)，故稱為“準諧振”型功率轉換電路。整流與變換設備19諧振型功率轉換電路準諧振功率轉換電路又分為兩種，一種是零電流諧振開關式，一種是零電壓諧振開關式。前者的特點是保證開關管在零電流條件下斷開，從而大大地減小了開關管的關斷損耗（p關斷=u*0），同時也能大大地減小斷開電感性負載時可能出現(xiàn)的電壓尖峰，后者的特點是保證開關管在零電壓條件下開通，從而大大地減小了開關器件的開通損耗（p開通=0*i）。整流與變換設備20時間比例控制穩(wěn)壓原理

整流器輸出電壓要穩(wěn)定---穩(wěn)壓整流器高頻開關整流器穩(wěn)壓的原理：時間比例控制。整流與變換設備21時間比例控制穩(wěn)壓原理開關以一定的時間間隔重復地接通和斷開，輸入電流斷續(xù)地向負載端提供能量。經過儲能元件的平滑作用，使負載到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。實際上其原理仍然是將直流（E）變成交流（Uab）再變成直流（Un）的過程。整流與變換設備22時間比例控制穩(wěn)壓原理時間比例控制：改變開關接通時間ton和工作周期T的比例，即可改變輸出直流電壓Uo。這種通過改變開關接通時間ton和工作周期T的比例，亦即改變脈沖的占空比，來調整輸出電壓的方法。整流與變換設備23時間比例控制穩(wěn)壓原理TRC有三種實現(xiàn)方式①脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，PWM）：PWM方式指開關工作周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。本節(jié)以上提到的PWM型功率轉換電路就是指其穩(wěn)壓方式是讓開關管工作頻率固定（即周期不變），通過改變開關管在一個固定周期內導通時間（即寬度）來改變直流輸出電壓最終達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。②脈沖頻率調制（PulseFrequencyModulation，PFM）：PFM是指導通脈沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率（即工作周期）來改變占空比的方式。③混合調制：是指導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上兩種方式的混合。整流與變換設備245.2.2功率因數(shù)校正電路

功率因數(shù)低的開關電源存在的問題：1、諧波嚴重污染公共電網，干擾其他用電設備。2、在輸出功率一定的條件下，輸入電流有效值較大，增大了傳輸線衰耗。3、增加了前級設備的功率容量，如UPS，發(fā)電機組、電源線、路斷器規(guī)格等，增加了基建投資。4、當采用三相五線制供電時，三及三的倍數(shù)的諧波在中線中同相位，合成后中線電流大，有可能超過中線配制的線徑，會造成中線嚴重過載，而且按安全規(guī)定，中線無保護裝置，這將造成中線過熱，引起火災。整流與變換設備255.2.2功率因數(shù)校正電路

開關整流器中，功率因數(shù)校正的基本方法有兩種：1、無源功率因數(shù)：開關整流器的輸入端加入電感量很大的低頻電感，以減少濾波電容充電電流尖峰。此方法簡單，但效果不很理想，一般校正后PF可達0.85，并且加入的電感體積大，增加了開關整流器的體積2、有源功率因數(shù)校正：減少輸入電流諧波，而且使輸入電流與輸入電網電壓幾乎同相為正弦波，提高功率因數(shù)。方法是在主電路輸入整流和功率轉換電路之間串入一個校正的環(huán)節(jié)（BoostPFC電路），用于提高功率因數(shù)和實現(xiàn)功率轉換電路輸入直流的預穩(wěn)壓，因此也簡化了后級功率轉換電路結構，提高了可靠性。整流與變換設備265.2.3負荷均分電路

一套開關電源系統(tǒng)至少需要兩個開關電源模塊并聯(lián)工作，大的系統(tǒng)甚至多達數(shù)十個電源模塊并聯(lián)工作，這就要求并聯(lián)工作的電源模塊能夠共同平均分擔負載電流，即均分負載電流。均分負載電流的作用是使系統(tǒng)中的每個模塊有效地輸出功率，使系統(tǒng)中各模塊處于最佳工作狀態(tài)，以保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、高效地工作。均分負載不平衡度≤±5％輸出額定電流值整流與變換設備275.2.4電磁兼容性

電磁兼容（EMC）是指各種設備在共同的電磁環(huán)境中能正常工作的共存狀態(tài)。騷擾：電子設備自身產生的噪聲等干擾對外界的影響。根據(jù)噪聲向外界傳播的途徑，騷擾又可分為通過導線向外界產生的傳導騷擾和通過空間發(fā)射向外界產生的輻射騷擾。抗擾：能夠承受一定外界的干擾而不至于發(fā)生設備自身性能下降或故障的能力。整流與變換設備285.2.4電磁兼容性為了抑制噪聲影響自身和外界，一般采用濾波、屏蔽、接地、合理布局、選擇電磁兼容性能更好的元件和電路等等。另外，在安裝開關電源時，注意輸入線路和輸出線路的隔離、輸出線絞合或平行配線、機架地線和信號地線分開、配置必要的輸入浪涌抑制等。

整流與變換設備295.3高頻開關電源系統(tǒng)簡述

通信用高頻開關整流器一般做成模塊的形式，由交流配電單元、直流配電單元、整流模塊和監(jiān)控模塊組成開關電源系統(tǒng)。整流與變換設備30整流與變換設備315.3高頻開關電源系統(tǒng)簡述

1、交流配電單元：負責將輸入三相交流電分配給多個整流模塊（一般用單相交流電居多）。交流輸入采用三相五線制，即A、B、C三根相線和一根零線N、一根地線E。首先接有MOA避雷器，保護后面的電器遭受高電壓的沖擊，再接有三個空氣開關控制三相交流電的輸入與否。整流與變換設備325.3高頻開關電源系統(tǒng)簡述

2、整流模塊完成將交流轉換成符合通信要求的直流電。通信要求：輸出的直流電壓要穩(wěn)定、輸出的直流電壓所含交流雜音小、輸出電壓應在一定范圍內可以調節(jié)，以滿足其后并接的蓄電池充電電壓的要求。均流功能：多個整流模塊并聯(lián)工作，需合理分配負載電流。選擇性過電壓停機功能：其中某個整流模塊出現(xiàn)輸出高壓時，該模塊能正常退出而不影響其它模塊的工作整流與變換設備335.3高頻開關電源系統(tǒng)簡述

3、直流配電單元負責將蓄電池組接入系統(tǒng)與整流模塊輸出并聯(lián)，再將一路不間斷的直流電分成多路分配給各種容量的直流通信負載。配有一組或兩組蓄電池，在相應線路中接有熔絲保護和測量線路電流的分流器。蓄電池組的低壓脫離LVD裝置。作用：當系統(tǒng)輸出電壓在正常范圍內時，該常開觸點是動作閉合的，蓄電池組并入開關電源系統(tǒng)參與工作的；當整流模塊停機，蓄電池組單獨對外界負載放電時，當電池電壓達到一個事先設定的保護電壓值時，為了保護電池組不至于過放電而損壞，常開觸點釋放打開，從而斷開了電池組與系統(tǒng)的連線。整流與變換設備344、監(jiān)控單元是整個開關電源系統(tǒng)的“總指揮”，起著監(jiān)控各個模塊的工作情況，協(xié)調各模塊正常工作的作用。監(jiān)控單元主要實現(xiàn)對開關電源系統(tǒng)的信息查詢、參數(shù)設置、系統(tǒng)控制、告警處理、電池管理和后臺通信等功能。監(jiān)控模塊分為交流配電單元監(jiān)控單元、整流模塊監(jiān)控單元、蓄電池組監(jiān)控單元、直流配電單元監(jiān)控單元、自診斷單元和通信單元6個功能單元。整流與變換設備355.4整流設備運行與維護操作

1整流設備維護的基本要求

（1）輸入電壓的變化范圍應在設備允許工作電壓變動范圍之內。工作電流不應超過額定值，各種自動、告警和保護功能均應正常。（2）要保持布線整齊，各種開關、刀閘、熔斷器、插接件、接線端子等部位接觸良好，無電蝕與過熱。（3）機殼應有良好的保護接地。（4）備用電路板、備用模塊應半年試驗一次，保持性能良好。（5）整流設備輸出電壓必須保證蓄電池要求的浮充電壓和均充電壓，整流設備的容量必須滿足負載電流和0.1C10A的蓄電池充電電流的需要。整流與變換設備365.4整流設備運行與維護操作2開關電源的周期維護項目

整流與變換設備375.4.3開關電源的運行操作

1．上電調測順序系統(tǒng)初次上電前一般要進行必要的接線以及各部位檢查，將所有開關斷開，確保沒有短路事故。上電依次順序為：（1）合上系統(tǒng)外交流配電開關。（2）合上系統(tǒng)交流配電屏（單元）的交流1（或交流2）輸入開關或刀閘，此時如果交流輸入正常，機柜面板上的電源指示燈應亮。（3）合上防雷開關。確認系統(tǒng)無任何異常。（4）首先合上交流配電屏（單元）輸出至整流架的分路開關，再逐一合上整流模塊開關，整流模塊開始工作后。用萬用表測量系統(tǒng)直流電壓是否為默認浮充電壓(誤差應在0.2V以內)。整流與變換設備385.4.3開關電源的運行操作1．上電調測順序（5）監(jiān)控模塊上電。檢查監(jiān)控實時數(shù)據(jù)是否與實際相符、監(jiān)控模塊與每—個模塊的通信是否正常。（6）設置系統(tǒng)運行參數(shù)。（7）接入蓄電池組。先調整系統(tǒng)的輸出電壓與蓄電池組的開路電壓一致（誤差一般在0.5V以內），再逐一合上蓄電池熔絲，恢復系統(tǒng)的正常工作電壓。（8）功能測試。（9）負載上電。確認用電設備的電源輸入開關斷開、供電線路的正負極性正確、線路絕緣良好，合上負載熔絲或空氣開關。交流下電順序與上電順序相反。先斷開模塊交流空開，再斷交流配電屏（箱）里的交流輸入總開關（空開），最后切斷機柜外用戶配電開關。下電結束。整流與變換設備395.4.3開關電源的運行操作

2．監(jiān)控模塊的運行操作（1）告警參數(shù)的設定（2）整流模塊功能的設定（3）電池功能的設定（4）系統(tǒng)時間和語言選擇的設定整流與變換設備405.4.3開關電源的運行操作

艾默生開關電源系統(tǒng)PSM-A型監(jiān)控模塊操作實例

（1）參數(shù)設置（2）系統(tǒng)控制操作（3）遠程通訊（4）通訊參數(shù)設置（5）整流模塊運行操作（6）直流配電的使用操作整流與變換設備415.4.4維護操作指導

1．系統(tǒng)均流2．電壓電流顯示3．參數(shù)設定4．告警功能5．保護功能6．管理功能7．內部連接8．風道與積塵9．直流熔斷器10．直流電纜11．節(jié)點壓降與溫升12．防雷器（以艾默生開關電源為例）整流與變換設備425.4.5常見故障處理1．交流接觸器不吸合2．防雷器告警3．交流輸入缺相4．電池保護接觸器不閉合5．二次下電誤動作6．監(jiān)控單元不保存歷史告警7．監(jiān)控模塊顯示的直流電流嚴重偏離正常范圍整流與變換設備435.5溫升、壓降的測量1、溫升的測量2、接頭壓降的測量3、直流回路壓降的測量整流與變換設備445.6整流模塊的測量

1、交流輸入電壓、頻率范圍及直流輸出電壓調節(jié)范圍測量2、穩(wěn)壓精度測量3、整流模塊均分負載能力測量4、限流性能的檢測6、開關機過沖幅值和軟啟動時間測量5、輸入功率因數(shù)及模塊效率測量7、絕緣