Pg电子平台：配电自动化终端中电源模块的设计pdf
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第 2 9卷 第 1 8 9 期 电力 系统通信 2 O 0 8年 7月 1 0 日T e l e c o mmu n i c a t i o n s f o r E l e c t r i c P o we r S y s t e m V0 l 29 No 1 89 J u 1 1 0， 2 008 53 。 配 电 自动化终端 中电源模块 的设计 荣德生 ， 李洪珠 ( 辽宁工程技术大学 电气与控制工程 学院 ， 辽宁 葫芦 岛 1 2 5 1 0 5 ) 摘 要 ： 基 于 实际使 用需要 的 角度 ， 介 绍 了配 电 自动 化 系统 电 源模 块 的特 殊 性 ； 通过 深入研 究和 分 析， 总结了设计中应注意的几个要点， 包括 器件选择 、 封装形式、 电气隔离、 工作方式设计、 输入输 出特性 设 计 ； 设计 制作 了样 机 ， 对样 机 的输 出纹 波和动 态响 应进 行 了测试 ， 并 给 出 了测试 结果 ； 介 绍 了变压 器绕组 的绕 制顺序 及 方法 对输 出纹 波噪 声 的影 响 ； 分析 了输 出特 性设 计 中的 动 态响 应 特 性设 计 ， 进 行 了动 态响应 测试 ， 对 动 态响应 的 测试 结果进 行 了解释 说 明 ， 验 证 了设 计 的可行 性 。 关键词 ： 电气隔离； 输入特性； 输 出特性 ； 纹波噪声； 动态响应 中图分类号 ： T M 4 1 文献标志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 5 7 6 4 1 ( 2 0 0 8 ) 0 7 0 0 5 3 0 4 0 引言 配电终端设备 的可靠性和 自动化程度 ， 直接影 响到整个配电 自动化系统的可靠性和 自动化水平。 由于配 电终 端设 备一 般 安 装 于 户外 或 比较 偏 僻 的 地方 ， 不可能有直流电源提供， 因此 ， 配电网终端设 备 的直 流供 电方 式成 为 各 配 网 自动 化 改造 中必 须 要研究和解决 的重要 问题。 配 电 自动化 系统非 常复 杂 ， 配 电网设备 数量 庞 大 ， 种类 繁多 。为 了保证 配 电 自动 化 系统终 端设 备 良好 的工作状态 ， 终端设备配备高稳定性、 高可靠 性 的 电源模 块 十 分 重要 。根 据 配 电 自动 化 系 统 终 端设备的要求 ， 结合一次设备 的特点 ， 研究适用于 配 电网终 端设 备 的电源模 块具 有重 要意 义 。 1 配电 自动化 终端对 电源模块 的特殊要求 由于配电网终端设备一般安装于户外或 比较 偏僻的地方 ， 并且要求电源系统同时提供一次供电 和二次供电， 对于配电网设备电源系统应提出一些 特 殊要求 。 1 1 环境 要 求 由于配 电网终端设备安装在户外 ， 要经受 户 外环境及其环境变化 的考 验 ， 对于 配电网终端 电 源所用 的元 器件 ， 应满 足环境 条件 ， 才 能保 证其 正 常工 作 。 收 稿 日期 ：2 0 0 80 22 1； 修 回 日期 ： 2 0 0 80 40 8 1 2电气 性 能要 求 对配电网终端设备 电源系统 电气性能的要求 ， 与继 电保护装置电源的要求基本相同， 但要同时满 足一次和二次设备供电电源的要求 ， 主要应考虑电 源输 入端 与输 出端 之 间的绝 缘 电阻和介 电强度 。 1 3不 间断供 电要求 对于配网终端设备 ， 一般要求在交流消失后仍 可工作较长的一段时间， 因此要求配网设备电源系 统具有不问断供电的功能 ， 这就要求电源系统应具 有储能元件 ， 同时还应具备对上述储能元件的管理 功能。实现该要求的设计等同于通用的 U P S工作 原 理 ， 本文对 此 不做 讨论 。 1 4输入 要求 安装于户外的配电网终端设备不会配置专用变 压器 ， 也不会有单独的交流供电， 唯一有效的办法是 从 电网上直接取 得输入供 电 。因此要 求配 电网设备 电源系统具有较宽 的输入电源范围和较强的电网适 应性 ， 同时还要满足电网的电压等级要求。 1 5输 出要 求 由于配 电网设备电源系统的供 电对象既有二 次设备也有一次设备， 其输出必须满足这两方面的 要求。对于二次设备， 输出电压一般为 5 ， 1 5 ， 2 4 V； 对 于一次设备则相对差别较大 ， 如 2 4 V储能操作机 构 、 1 1 0 V永磁操作机构、 交流操作机构等， 要求配 网设备 电源 系统 应 可 以 根 据需 要 输 出满 足要 求 的 直 流 电。 配 电网设备作 为负载 ， 除 了正常的平稳 工作 维普资讯 http:/ 5 4 电 力 孽 锈 通 僧 2 0 0 8 ，2 9 ( 1 8 9 ) 状 态 之 外 ， 经 常 会 进 行 瞬 变 动 作 ， 如 合 闸 、 分 闸 等 ， 这就要求配电网设备 电源能够承受负载 的动 态 变化 。 2 配电网设备 电源的设计 要点 由于配 电网终端设备 电源具有特 殊性 ， 在设计 中必须考 虑相应 的对策 ， 以满 足特殊 性要求 。 2 1 器件 选择 器件对于工作环境 的要求较 高， 在设计中， 应 选 取能够 满足 环境要 求和性 能要求 的 电子 元器 件 。 对元器件的使用温度 、 湿度 等限制条件要 格外注 意， 对器件的耐压、 电流等电气参数要做降额处理， 留出足够的余量。 2 2电源封装 形式 普 通 的开 板 式开 关 电源 无法 完 全满 足 工作 环 境的要求 ， 即使部分开板式开关电源产品可以满足 这一要求 ， 但其工作寿命又会明显缩短 。采用模块 电源 的封装 形式 代替开板 形式 ， 可 以有 效地解 决这 个 问题 。 模块 电源采用 了密 闭金属 外壳 、 整 体灌 封 的生 产工艺 ， 使其工作环境的温度范围、 适应环境温度 变化的能力、 防潮 、 防湿 、 抗干扰、 抗震 、 散热性等都 有了很大程度的提高 ， 可以完全满足配电网终端设 备 电源对于工作环境的要求。 2 3 输 入端与 输 出端 之 间的电气 隔离 由于 配 电网终 端设 备 电源 采 取 直接 与 电 网相 连的工作方式 ， 所以要保证该类电源的输入端与输 出端 之间 的隔离 。如 果不 采取 隔离方式 ， 与输 入端 连接 的设 备故 障可 能 通 过 电源 传输 到与 输 出端 连 接 的设 备上 ， 导致 与电源输 出端 连接 的设 备受 到损 害， 所以该类电源的设计必须使用隔离方式。 与普通 隔离方式 的开关 电源相 比 ， 隔离方 式没 有什么区别 ， 是在功率传输 回路使用变压器， 控制 反馈回路使用光电耦合器， 输入端与输出端的地线 分 开后用 隔离 电容 连接 ， 实现输 入端 与输 出端 之 间 的隔离 。而不 同点在于 ， 配 电网终端设 备 电源所要 求的绝缘电阻更大 ， 要求 的介 电强度更强， 这就要 求 在设计 中 ， 必 须 在 电路 板 上 留 出更 大 的安 全 距 离 ； 在变压器骨架带引脚两端先绕绝缘介质 ， 再绕 漆包线， 从而保证漆包线与变压器骨架引脚之间的 安全 距离 ； 另外选 择 光 电耦 合 器 和 隔离 电容 时 ， 要 保证 器件 的耐压 强度 满 足 该类 电源 耐 压强 度 的要 求 。 电源 的实 际耐 压是 由电路 板 、 变压 器 、 光 电耦 合器和隔离电容共同决定的。 2 4工 作方式设 计 由于配电网设备电源系统要求具有不问断供 电的功能， 该系统应具有储能元件。当前一般选用 蓄电池作为交流断电后的供电电源 ， 但是电池本身 又要求必须满足其对于充放 电曲线需求和对电池 的具体 管理 功 能 ， 因 此 在设 计 时要 求 U P S具有 智 能化工 作方式 ， 以满 足不 同电池及设 备 的需 求 。该 工作方 式一般 使用数 字信 号处理 器或单 片机实现 ， 本文对 该类 电源 的智 能化 实现不 做讨论 。 配 电网设 备 电源工作方 式如 图 1 所示 。 图 1 配电网设备 电源工作方式 Fi g 1 W or ki n g mo de of p owe r s up pl y e qui pme nt i n p o w e r di s t r i but i o n gr i d 其中， 核心部件为变换器 ， 也就是本文讨论 的 重点。为了满足配电网设备 电源的各种特殊要求 ， 将该变换器设计为模块 电源 ， 采用金属外壳封装 ， 抗干扰和电网适应能力强。根据要求变换器 的工 作状态 大致 可分为 2种 ： 一 是 电网直接为变 换器 提 供交 流输入 ， 变换 器实现 A C D C功能 ， 将 交流转 变 为 直流后 ， 给配 电 网设 备 供 电 ， 同时对 电池进 行 充 电或 维护 ； 二是 电 网供 电 出现 问题 ， 电池 为 变换 器 提供 直流输 入 ， 变 换器实 现 D C D C功 能 ， 将 电池直 流转变为所需要的直流后 ， 给配电网设备供电。 2 5输入 特性设计 特殊的工作 方式决 定 了变 换器要 同时具有 A C D C和 D C D C的双 重 功 能 。 电网 作 为输 入 供 电时 ， 变 换 器 工作在 A C D C模 式 ； 电网故 障 ， 电池 作 为输 入 供 电时 ， 变换 器 工作 在 D C D C模 式 。所 以要在变 换器 内部并 联 输 入端 需 要 的 2种 输 入模 式 ， 结构 如 图 2所 示 。 无论 是 电网供 电模 式 ， 还 是 电池 供 电模 式 ， 输 入 电压都会有一定范围的波动， 电源本身必须在这 种 波动范 围 内正常工作 。 2 6 输 出特性设 计 为每一个需要供电的配电网设备部件都单独 维普资讯 http:/ 开发与应用 荣德生 等配电 自动化终端 中电源模块 的设计 5 5 电网交流供 电 电池直流供 电 F二 一 整流 工 器 内 部 _ _ 1 皇 兰 茎 I ： L 一 一 一 一 一 一 一 一 一 J 一 一 一 一 一 一 J t I 配电网终端设备( 一次和二次用电设备) I 图 2 2种供电模式并联结构 Fi g 2 Par a l l e l c onn e c t i on o f po we r s upp l y m o du l e s 配备 电源是不现实 的。所以在同一时间 ， 一个模块 电源要为 多个 配 电 网设 备 ( 一 次 和 二 次用 电设 备 ) 供电， 这就要求电源要具有多路输 出， 且各路之 间 是非均载状态 。在设计反馈稳压电路时 ， 不能使各 路的输出信号都处于反馈环 内， 而只能采用稳一个 主路 ， 耦 合多 条副路 的方 式 。 所谓稳一个 主路 ， 耦合多条副路 ， 就是将多路 输出中的一路进行输 出采样 ， 作 为系统 的反 馈信 号 ； 而其他副路输出则不在反馈环 内， 通过变压器 磁通耦 合 主路 ， 达到 稳压 的 目的 。在 这种 稳压 方 式 下 ， 主路输 出 电压 精度 一 定 能 满 足 设备 要 求 ， 而 各 个副路的输 出电压精度取决 于与主路耦合的紧密 程 度 。 为了使副路输出电压达到预期的精度 ， 要适当 调整变压器上各个绕组之间的包绕方式 ， 从而调节 耦合 的紧密程度。绕组之间耦合的紧密程度 ， 从输 出电压 的纹波 噪声 中可 以观 察 出来 ， 与主路 绕 组耦 合紧密的绕组 ， 对应输出电压 的纹波噪声相对要小 一 些 ， 相反 ， 与主路绕组耦合松 的绕组 ， 对应输出电 压 的纹波 噪声相 对要 大一 些 。 绕 组 之 间的包绕 方式 大致 分为 简单 分布 、 三 明 治分布 、 交错分布和混合分布 ， 不同方式各有利弊 ， 具体采用哪种包绕方式， 取决于实际设计需要 。 配 电网设备 的瞬变动作会对电源系统本身造 成 冲击 ， 这就 要求 配 电网设备 电源能够 承受 负 载 的 动态 变化 。 3 设 计 举
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