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開關電源原理及設計范文第1篇

【關鍵詞】開關電源節能 現網節能改造 通信

一、前言

改革開放以來，我國的經濟成就舉世矚目，但環境問題也越來越嚴重，引起大家的高度重視 ，2007年世界經濟論壇《全球風險報告》 中指出：21世紀全球面臨的最嚴重挑戰之一就是氣候變化。2014年11月12日中美兩國在京共同《中美氣候變化聯合聲明》，中國計劃到2030年將非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期間，中國政府在節能減排上要求國內能耗降低20%，主要污染物排放總量減少10%。同樣在嚴峻的節能減排壓力下，各通信行業運營商越來越重視設備的節能，將節能作為首要的發展方向。在這個背景下，對開關電源提出了極高的節能要求，努力開發節能的產品和尋找現網設備的節能改造方法。

二、開關電源節能原理分析

（一）開關節能的原理

通信開關電源節能的關鍵是要提高系統的整體效率。通常開關電源的節能主要在兩個原理：第一個最直接的節能原理是提高整流器的效率。通過技術改進提高整流模塊的整體效率特性、降低模塊功耗等措施，從最初至今，整流器的效率已經在原有的基礎之上提高了百分之十，達到96%。隨著技術的進一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，規模應用將成為現實。開關電源節能的另一個節能原理是通過電源模塊的休眠管理，提高運行模塊的負載率可以提升系統實際的工作效率。

（二）開關節能的具體方法

如今，越來越多的行業開始廣泛應用開關電源，其具體發展要求是，輕量化、小型化、高頻化等。但是，隨著開關電源的頻率迅速提高，所產生的損耗也逐漸加大，因此需要考慮相關節能的方法。首先應該對開關電源的損耗進行系統的分析，要想達到上述發展要求，需要將開關電源的工作頻率由低頻轉向高頻。例如采用硬開關技術，這種技術損耗量小于線性電源采用串聯電阻改變電壓的方式，但隨著工作頻率的提高，相應的損耗依然會增加。其次，采用軟開關技術，能有效提高開關電源的頻率，也能降低開關電源的損耗，提高整體效率。軟開關技術是使用電感諧振及電容，將變壓器中的開關器件中電壓按照準正弦規律進行變換，讓開關管在電流為零的情況下立即關斷，在電壓為零的情況下立即開通的方法。最后，采用零開關技術，其主要在電路中增加電容或電感等相關儲能元件，具體分為零電流、零電壓開關。零電流開關指的是當開關管關斷或開通的時候，讓電流為零。零電壓開關指的是當開關管關斷或開通的時候，讓電壓為零。這樣可以最大程度降低開關損耗，起到節能的作用。

二、現網設備節能的必要性

隨著世界經濟特別是發展中國家經濟的快速發展，全球能源消耗總量不斷攀升。根據全球能源機構統計，近些年來，全球能耗高達82%，造成二氧化碳排放量高達80%，遠遠超過預想的估計，因此，節能是現階段的主要任務。如何采取有效的方法使現網設備最大程度的節能非常必要。能源的消耗一方面導致了溫室效應和一系列的自然災害，另一方面其與制造業、工業等成本的價格息息相關。所以，環境問題及氣候變化問題成了人類面臨的重要的挑戰，全社會也越來越重視節能。從全球范圍來看，通信行業與煤炭、有色、鋼鐵等行業相比，雖然不是能耗、排放問題最突出的行業。但一些數據顯示，一些通信行業的能耗也很大，某些運營商在全國企業能耗排行榜中排名靠前。政府在國際組織上的節能承諾，社會、公眾的重視形成對運營商的節能壓力越來越大。由于全球資源價格持續上漲，新的市場逐漸開闊繼而大大提高了網絡的擴容性。而我國通信企業整體仍處于發展階段，在增大網上運行設備容量的時候必然導致能耗需求也擴大，給運營商帶來了長期的財務壓力。為了應對氣候及能耗的挑戰，電信行業各主流運營商、設備商先后啟動節能減排計劃。近10年來已經取得了很大的進步，技術的進步與產品的更新換代使單位能耗持續下降，領先的運營商取得了超過50%的節約。

三、現網設備節能手段

（一）通信網絡中基站設備節能

基站設備分基帶、射頻和饋線三部分，其中能源消耗量占首位的是射頻部分，超過能源消耗量的百分之八十。但是，在射頻部分中，功放耗能幾乎占射頻部分的一半，因此，提升基站設備能效的關鍵點就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多種，比如，有智能減壓、智能匹配、新型高效功放等，但多載波技術是提高功放效率的最直接的辦法之一。

（二）通信網絡中站點節能

一般來說，通信網絡的節能主要是站點的節能。站點的節能可以從兩方面來分析：網絡拓撲和網元。網絡拓撲的節能就是通過減少站點來提升單位話務量能效。以下為通信領域中減少站點兩個有效的手段：⑴規劃網絡，降低無效的系統開銷，以最少的站點服務最多的用戶來提高覆蓋效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等關鍵技術增加設備本身的覆蓋半徑提高，從而提升基站設備本身的覆蓋能力。在現實中，將適宜的網絡規劃和較強覆蓋能力的設備配合使用通常能大幅度實現廣覆蓋場景下四分之一以上的能源消耗節約，無疑不是一種進步。

（三）通信網絡中新能源節能

減少碳排放最直接方法就是開發新能源。如：太陽能、核能、風能、潮汐能、生物能源等。企業減少碳排放的最有效途徑就是選擇無排放能源或者低排放能源。通常在一些邊遠地區，風能、光能資源比較豐富，可以根據當地氣候因素建一些風、光能源的小型站點。這些新能源小型站點也可能在市電不穩定的城區作為補充能源使用。而對于這些偏遠的小型站點來講，通常面臨的問題有以下三個方面：第一是引電困難；第二是電網公司引電價格可能過高；第三是小型站點本身的能耗不高，因此，通信運營商往往使用油機系統來解決能耗問題。

只有重視開關電源節能及現網設備節能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，開創新的可再生能源。才能與環境和諧相處，共同促進社會經濟的發展。繼而帶動了通信網絡的節能開拓，發展新用戶、開拓新市場。使用新領域的節能設計補充帶網絡建設的需求，減少開關電源、現設備帶來的排放壓力。同時設備廠商及運營需要積極的投入到可持續發展、高效節能的研究當中。

參考文獻：

[1]郭忠銀.一種綠色模式開關電源的研究與設計[D].南華大學，2010.

開關電源原理及設計范文第2篇

關鍵詞 電源管理系統；PMS；安全生產

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0211-03

流花11-1油田位于南中國海珠江口外海海域，距香港東南約220km，水深約310m左右。平臺電站由3臺進口小功率機組和一臺大功率國產機組并網供電，對運維人員來說，保持電站平穩運轉具有很大的挑戰性。

流花11-1FPS電站電源管理系統（PMS）由發電機組PLC控制系統，與VSD PLC系統，鉆機SCR PLC和集成在FPS生產控制系統（FCS）的電源管理PLC組成，實現對平臺現有電源管理功能。

電站電源管理系統（PMS）要切實保障油田電站正常生產和生活用電的需求，所以必須滿足以下條件：

1）確保人身安全和設備安全。

2）確保持續供電和可靠性供電。

3）確保電能質量和減少能源浪費。

4）盡可能做到節能減排，提高能源效率。

油田電站安全可靠運行、提供優質電能和提高電能經濟性，是PMS系統建設和運營的一項最基本任務。

1 設計原則

流花11-1FPS電站PMS系統按照以下原則進行設計：

1）符合國家標準、行業標準和相關規定，嚴格按照國家或者國際及行業最新規范和標準要求

2）性價比高，系統具有較高的性能價格比，使管道以最低的運行成本、最優的工況正常運行。

3）技術先進，功能強大，系統采用羅克韋爾自動化公司軟硬件產品進行開發，其產品在工業應用中已被證明是成熟的產品。系統具有強大的人機對話能力，能滿足各種現場復雜環境下的連續監控的功能。

4）系統安全、穩定、可靠。PMS系統的PLC控制器、控制電源、I/O系統、HMI等都采用冗余的架構，重復利用率可達到99.99%，當某一節點發生故障時，可自動進行切換，電站系統安全、穩定、可靠的運行。

5）可擴展性強，硬件是模塊化的，允許將來在容量和功能上的擴展。

2 硬件架構（圖1）

流花11-1FPS電站PMS系統控制系統硬件采用A-BPLC的ControlLogix系統，ControlLogix系統封裝外形小，不僅可提供離散、驅動、過程和安全控制，還具有可靠的通信功能和最先進的I/O，系統采用模塊化結構，使開發者能高效的進行設計、構建和修改，從而大幅節省培訓和工程設計成本。

2.1 過程信號采集

系統輸入信號：

1）發電機輸出功率。

2）發電機組出線斷路器狀態。

3）4160V A/B段母線頻率。

4）ESP，生產管匯及測試管匯運行優先權數據。

5）鉆/修井工況時，SCR系統斜率控制和相位控制。系統輸出參數：

1）以百分比柱狀圖形顯示的發電機功率。

2）VSD/ESP運行功率。

3）發電機組接入和停機提示信號。

4）系統錯誤，事件及故障報警信號及打印。

5）鉆機SCR系統模擬相控信號。

6）ESP/VSD 速度降低至預設低頻信號。

2.2 軟硬件配置

PMS系統的硬件要求配置如下：

1）ControlLogix系統采用雙環ControlNet網絡。

2）CPU采用冗余配置。

3）各控制子站的交換機網絡采用冗余環網架構。

4）由不間斷電源供電（即UPS），信號電源采用獨立的DV24V電源供電。

5）DO信號輸出的繼電器需確保可靠性。

6）HMI服務器由主服務器和備用服務器構成。

7）PLC程序基于RSLogix5000開發，上位機基于FactoryTalk View Studio開發。

3 系統功能（圖2）

3.1 電源管理及負荷分配

PMS系統與5臺機組通過以太網通訊交換數據，包括有功功率、無功功率、頻率、電壓等。并根據不同的在線發電機配置，PMS系統可與發電機的調速器和AVR協調工作，并實現以下功能。

1）有功功率和無功功率分配控制：在電站中發生負荷波動時，為了防止個別發電機的頻率和電壓可能會接近其PQ圖的邊界，此時PMS系統將分配各發電機組之間的出力，以提高系統在擾動下的穩定性。

2）功率需量和功率因數控制：PMS系統會實時各發電機相對于母線的輸入/輸出功率，并計算功率差額。然后根據功率因數的范圍，在滿足發電機基本出力的前提下，調整AVR控制無功功率輸出，以維持系統的功率因數在合理范圍內。

3）母線頻率和電壓控制：當電站負荷發生變化時，系統調整發電機輸出的有功功率和無功功率，以維系電站的頻率和電壓穩定。

3.2 負荷優先脫扣

PMS系統會實時監測電站電氣設備的狀態，如發電機的出力、負載消耗的功率以及斷路器的狀態。當系統檢測到發電機斷路器跳閘，則會根據預計算的能量平衡結果，如果超過了電站所能承受的最大出力，則切除部分負荷，以確保電站發電機平穩運行。

優先脫扣系統可設置多個優先級，由運行人員預先定義。在系統中針對不同的優先脫扣觸發條件，形成一個優先級別卸載表，當優先脫扣觸發后，將系統計算得到的卸載級別與優先級別表對比后，發出卸載指令，卸載時間在80ms以內。

3.3 重載啟動時負荷的保證及分配

一些重載設備（大負載）都可在HMI上設定額定負載及啟動沖擊系數。系統根據機組剩余功率、要啟動的重載設備額定功率及啟動沖擊系數，實時計算發電機功率余量，以判斷此重載能否啟動。重載啟動后，機組按照前述負荷分配模式自動分配負荷。

3.4 斷路器的控制及自動同步控制

斷路器與控制系統之間通過硬接線，連接斷路器狀態、手車位置、分合閘指令等信號，實現包含基本的狀態監視、控制等功能。當進行發電機并車時，系統會判斷邏輯條件，發出發電機斷路器合閘指令，并最終由同期裝置完成并車。

3.5 備用發電機組自啟動控制

當在線機組發生故障停機，或過載，過流，過壓，低頻等極限情況時，處于備用狀態的機組自動啟動。

3.6 電站監控和報警系統

系統監視整個電站主要電氣設備的狀態和運行參數，當出現報警時，會有多種報警提醒方式，包括蜂鳴器，指示燈，旋轉報警燈，同時HMI上會有詳細的報警信息文字。

4 關鍵技術問題介紹

4.1 發電機轉速控制技術

發電機的調速系統中調頻器的作用在于，當發電機的負荷發生改變時，手動或者自動的操作調頻器，使發電機的靜態特性發生改變。如果負荷變動時，調速系統使原動機的轉速保持不變，則稱之為無差調節（Isoch）；而如果負荷變動時，原動機的轉速隨著負荷增大而降低，則稱之為有差調節（Droop）。多臺發電機并列運行時，為了實現對其調節的有效性及避免系統震蕩，都會采用單機Droop模式運行，調速系統完成部分調速任務，剩下的由機組控制系統來實現轉速無差調整。

4.2 發電機頻率調整策略

區域發電機組頻率調節時，可分為按頻率偏差調整、按交換頻率偏差調整和按頻率和交換功率偏差調整三種。按頻率偏差調整時，只能保證系統頻率不變，不能控制聯絡線上流通的功率；按交換功率偏差調整時，只能保證聯絡線上的交換功率不變，而不能控制系統的頻率。只有按頻率和交換功率偏差調整時，才可以保證區域范圍內功率的就地平衡。在PMS系統，對影響發電機頻率的各個調整因素進行邏輯排序，當發電機的頻率和對電站的有功貢獻發生偏差時，便對其進行相應調整。

5 結論

流花11-1FPS電站PMS系統自投入運行以來，系統運行效果良好，給整個電站提供了完整的安穩策略，極大地減少了故障停產的損失，取得了顯著的經濟效益，為整個油田安全穩定生產提供了可靠的保障。

參考文獻

[1]高健.淺談海上電網優先脫扣系統控制方法[J].通訊世界，2016（1）：174-175.

[2]劉新天.電源管理系統設計及參數估計策略研究[D].合肥：中國科學技術大學，2011.

開關電源原理及設計范文第3篇

關鍵字： 開關電源； 模糊PID控制； DSP； 電源控制算法

中圖分類號： TN79?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0149?03

Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control

ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao

（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.

Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm

近年來，隨著電力電子技術高速發展，開關電源得到廣泛應用，普通模擬開關電源逐漸顯示出其不足之處：采用模擬器件會導致元器件比較多，分散性大，穩定性差；設計缺乏靈活性，不便于修改，調試不方便，控制不靈活，無法實現復雜的控制算法。為設計出更精確、響應速度更快、效率更高、體積更小的開關電源，開關電源設計人員采用數字化電路與開關電源相結合來設計數字化開關電源。以DSP系統為基礎的開關電源電路簡單，結構緊湊，性能卓越，功能齊全。DSP系統具有較高的計算與控制能力，利用DSP進行A/D轉換后進行運算，可以有效抑制或消除各個功能模塊間相互干擾，提高開關電源輸出電壓的穩定性和精度。本文將重點分析和討論利用DSP系統設計開關電源的實現方法和控制算法。

1 基于DSP控制的實現方法

DSP系統已廣泛應用于開關電源控制電路，是開關電源的控制核心電路，可以有效利用DSP系統的高速性、可編程性、可靠性等特點，結合相應算法實現特定功能，可為開關電源輸出質量好、頻率和幅值可以任意改變的控制信號。圖1為采用DSP系統的控制電路開關變頻電源基本控制硬件框圖。

圖1 開關變頻電源基本控制硬件框圖

開關電源采用高頻SPWM技術和普通電壓逆變電路，DSP系統與IGBT功率模塊構成全數字控制電路。輸出的電壓和電感電流經過網絡轉換成DSP所需要的電平，連接至DSP的A/D單元進行模數變換；控制輸入單元輸入需要的電壓值及頻率值，從而得到逆變電路的基準電壓。

DSP系統經過特點算法進行相關計算后會產生一定死區的控制信號。由于輸出的數字PWM控制信號不足以驅動IGBT開關管，需要經過驅動電路對開關管進行驅動。DSP芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速地進行各種復雜的運算對電源進行控制，可以實現較高的動態性能和穩壓精度。為了有效保護開關電源器件，防止出現過壓、欠壓、過載等情況，系統專門設計了保護電路，一旦出現故障，DSP控制系統封鎖PWM脈沖控制信號，切斷開關電源電壓輸出。

2 開關電源基本控制算法

2.1 PID控制

開關電源的數字化控制需要進行一定的控制算法來產生控制信號，實現控制規律。數字開關電源控制最初是借鑒模擬控制原理，通過數字化實現模擬控制信號。PID算法在數字控制中應用比較廣泛，它具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點。

PID控制是應用最廣泛的控制規律。圖2為常規PID控制原理圖，系統由PID控制器與被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值[r（t）]與實際輸出值[y（t）]構成的控制偏差[e（t）]來計算：

[e（t）=r（t）-y（t）] （1）

將偏差的比例[P、]積分[I]和微分[D]通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規律為：

[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）

或寫成傳遞函數的形式：

[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）

式中：[Kp]為比例系數；[TI]為積分時間常數；[TD]為微分時間常數。

圖2 PID控制框圖

數字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采用時刻的偏差值計算控制量。因此，連續域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，還有一些微分先行法和帶死區的PID控制算法等。

2.2 模糊PID控制算法

目前，開關電源的各種應用場合對電源的動態性能提出了越來越高的要求，其中電壓超調與恢復時間是重要指標。負載的變化或者輸入電壓的變化引起輸出電壓變化，而輸出電壓值取決于濾波器和控制策略。由于開關變換器為一個時變、非線性系統，無法建立精確的數字模型。而模糊PID控制算法的優點在于不需要建立準確的變換器數字模型，非常適合DC?DC變換器的強非線性。自適應的模糊控制可以保證控制系統的信號穩定性。

模糊控制器是以誤差量化因子[e]和誤差變化率量化因子[ec]作為輸入，利用模糊控制規律自整定找出PID控制器三參數[KP，][KI，][KD]與和之間的模糊關系。模糊PID控制原理框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制原理框圖

取[e]和[ec]為輸入語言變量，每個語言變量取“大、中、小”三個詞匯來描述輸入輸出變量的狀態。模糊推理的模糊規則一般形式為：

If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]

其中[Ai，][Bj，][Ci]為其理論上的語言值。

上述規則可以用一個模糊關系矩陣來描述：

[R=i，jAi×Bj×Ci]

根據各模糊子集的隸屬度幅值表和各參數模糊控制規則，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣得到[KP，][KI，][KD]參數調整算式如下：

[KP=K′P+ei，ecj×KuP]

[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）

[KD=K′D+ei，ecj×KuD]

式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制參數，[{e，ec}]是誤差[e]和誤差變化率[ec]對應控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作為修正系統，在控制過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成PID參數的在線自校正。

3 系統硬件及關鍵點設計

3.1 硬件主體

本文設計的開關電源主要是將開關電源優良特性和DSP系統精細化控制相結合。開關電源采用反激式拓撲結構，包括EMI濾波電路、整流/直流平波電路、控制器、信號采樣、PWM驅動、鍵盤及顯示部件組成，力求使開關電源具有高效低耗、便攜化、負載輸出穩定、電路保護可靠、電網寬電壓輸入、電網污染小等特點。圖4為硬件系統主體設計示意圖。

圖4 系統主體設計示意圖

3.2 輸出電壓檢測隔離設計

開關電源輸出電壓檢測過程中對控制電路的隔離保護是非常必要的，這樣不僅可以實現控制電路的安全工作，而且避免了將輸出電路的噪聲引入控制電路中。電壓檢測電路與控制電路隔離保護采用光耦合器進行隔離，它由發光二極管LED、輸出光電二極管PD組成。光耦合器在開關電源的主振回路與輸出采樣之間進行電氣隔離，并為電源穩壓控制電路提供信號通路。

3.3 EMI濾波器設計

開關電源在正常工作時會產生傳導噪聲和輻射噪聲，毫無疑問噪聲主要產生于電源開關過程。開關過程中包含了最大的功率以及最大的電壓變化率dV/dt，同時也包括了最高頻率成分。噪聲的存在將污染電力線路，影響周圍精密電子儀器的運行，比如設計濾波器。EMI濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或者工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。圖5為EMI濾波模型，濾波器的基本結構就是一個分離的二階LC濾波器，其取值原則就是在最小的體積下可以獲得期望的抑制效果。在濾波器模型中還有一個額外的高頻LC濾波器；高頻濾波器當寄生參數使得前面的LC濾波器性能變差時，用來抑制這些高頻噪聲。

圖5 EMI濾波器模型

3.4 高溫保護電路

開關電源在設計中由于轉換效率不同，將部分能量以熱量輻射。溫度升高將影響系統正常工作甚至產生人身危險，為了保證系統安全，開關電源工作時溫度需要實時監控。圖6為溫度采集電路部分電路圖。當系統檢測到溫度過高時，控制模塊立即關斷開關電源輸出，待系統溫度達到工作溫度范圍后開始繼續工作。

圖6 溫度采集電路

4 開關電源性能分析

本文采用反激式開關電源和模糊PID控制算法進行仿真。反激式開關電源的等效模型傳遞函數為：

[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）

式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]為系統比例系數，由開關電源電器元件參數決定。

模糊PID控制器由系統誤差[e]和誤差變化率[ec]為輸入，通過不同時刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制規則在線對PID控制器參數[KP，][KI，][KD]參數進行修改。模糊PID控制系統組成如圖7，圖8所示，階躍響應曲線如圖9所示。

圖7 模糊控制PID控制系統組成

圖8 誤差[e]和誤差變化率[ec]的隸屬函數

本設計開關電源把DSP完美融入到開關電源設計中，充分利用了DSP系統快速運算能力，采用模糊控制算法使開關電源控制智能化，電源快速達到穩定輸出，提高了抗負載擾動能力。

圖9 系統階躍響應

5 結 論

本系統將DSP作為開關電源控制單元，應用模糊PID控制算法，使開關電源和DSP系統完美配合工作。利用了DSP快速處理能力特點產生開關電源PWM控制信號，對開關電源輸出進行精確控制，提高了開關電源輸出精度和轉換效率，使開關電源控制實現智能化；能夠按照負載情況進行實時修正，使電源達到快速穩定輸出；同時利用DSP資源設計完成開關電源顯控單元及保護模塊，提高了開關電源操作性和安全性。

參考文獻

[1] LENK R.實用開關電源設計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[3] 趙同賀，劉軍.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 許邦建，唐濤.DSP處理器算法概論[M].北京：國防工業出版社，2012.

開關電源原理及設計范文第4篇

關鍵詞 繼電保護；開關電源；電源故障；改進后的電源

中圖分類號TM77 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）79-0152-02

1 研究繼電保護裝置的必要性

隨著科技的發展，電力系統中的繼電保護裝置也在不斷的發展，尤其是對于其可靠性的研究則越發重視。繼電保護裝置是保護電力系統安全、正常、可靠運行的重要裝置，如果繼電保護裝置發生故障，將會直接影響電網的安全可靠性，許多大型停電事故都是由于連鎖故障造成的，尤其是繼電保護裝置故障引發的電網故障所占比例較高。國外大型停電事故，如2003年的英國倫敦大停電、2003年8月美國、加拿大停電事故；國內停電事故，如2007年國家電網公司的繼電保護裝置故障。據統計大約有75%的大型停電事故與繼電保護操作不當有關，這表明繼電保護系統故障所造成的危害不能小視。

繼電保護用開關電源是主要功能模塊，在確保輸出電壓穩定的前提下，利用現代電力電子技術用來掌控繼電保護用開關的時間問題。因此，要保持繼電保護用開關電源性能良好，這樣才能進一步提高機電保護裝置的安全可靠。繼電保護用開關電源是主要功能模塊，在確保輸出電壓穩定的前提下，利用現代電力電子技術用來掌控繼電保護用開關的時間問題。因此，要保持繼電保護用開關電源性能良好，這樣才能進一步提高機電保護裝置的安全可靠。

2 繼電保護隱蔽故障

根據許多資料表明，繼電保護的隱蔽故障是許多大型停電事故的罪魁禍首。隱蔽故障在系統正常運行時并不會對其造成影響，但當系統某些部分發生改變時，故障就會一觸即發，導致更加嚴重的后果。隱蔽故障主要就是因其隱蔽性，不容易被發現，因此故障發生時不能及時阻止。即使繼電器正確排除故障，但隱蔽故障就像一顆定時炸彈一樣，往往就會導致保護系統誤動作，從而釀成大型事故。

3 開關電源工作原理

開關電源主要是使用半導體功率器作為開關，使電源形態發生改變，同時保持其穩定輸出，采用閉環控制，并具有保護環節的模塊。開關電源的主要工作原理是將高壓交流電通過整流和調制的方式，轉變成適合繼電保護裝置的低壓直流電。壓交流電的具體變換順序是：通過濾波、整流、降壓等一系列措施，從高壓交流電——高壓直流電——高壓脈動直流——轉變最終適用的低壓直流電。

4 故障現象分析

設計繼電保護用開關電源要考慮到許多因素，如時序和保護，這樣才能滿足其多功能要求。設計時需要承擔故障風險，再加之其需要的工作條件較為苛刻，影響繼電保護用開關電源正常、安全的運行，因此繼電保護用開關電源因設計缺陷造成的故障屢見不鮮。

4.1 輸入電源波動，開關電源停止工作

4.1.1 故障表現

故障具體表現可以通過輸入電壓和輸出電壓的變化來觀察。輸入電壓在產生瞬時故障時恢復正常后，繼電保護開關電源會停止工作，輸出電壓卻一直未見，而且不能自動斷電。由繼電保護試驗儀控制并記錄輸入電壓和輸出電壓的一系列變化，并控制輸入電壓中斷的時間。可通過便攜式波形記錄儀進行記錄。在繼電保護試驗儀控制輸入電壓中斷的時間長短中，我們可以發現：輸入電源恢復正常的時間共耗費了100ms～200ms左右，開關電源并沒有跟輸入電壓一起恢復正常；在輸入電壓中斷約250ms以后恢復，但輸出電壓+5V、+24V卻消失；輸入電壓短暫中斷70ms以內會恢復正常，而+5V、+24V輸入電壓并未消失，而且沒有影響開關電源的正常工作。

4.1.2 故障分析

開關電源的正常啟動邏輯和輸出電壓保護邏輯是故障表現的直接原因。故障發生后，往往是由于此開關電源出現輸出電壓欠壓保護邏輯。開關電源的邏輯混亂造成了故障的發生，因此就要更改邏輯。電源欠壓保護的誤動作是由于輸入電壓快速通斷造成的，這種誤動作主要是延時電路沒有按時復位，忽略了電壓的變化，使得通電時的假欠壓信號未能及時屏蔽。

4.1.3 解決措施

解決故障要根據輸入電壓的變化來采取措施。在保護環節增加輸入電壓和電子開關，起到檢測和閉合的作用。根據開關閉合后的輸入電壓情況判定，輸入電壓數值升到定值后，那么延時電路開始重新延時，這樣在重新啟動時的假欠壓信號就可以順利屏蔽，這樣也可以徹底解決故障。

4.2 啟動電流過大，導致電源承載過大

4.2.1 故障表現

根據電源模塊的正常工作狀況看，故障下的輸入電流很容易“不夠正常”，隨著輸入電壓的逐漸增大而迅速“膨脹”，導致電源承載電流過大。

4.2.2 故障分析

根據故障的表現，可以看出輸入電流的電流激增是一種必然，從而導致電源過載。在電源啟動時，輸出回路的功率會猛增，許多設計就沒有充分考慮大功率問題，因此在啟動時的電壓和猛增的功率形成鮮明對比，并且瞬態電流猛增，導致電源過載。

4.2.3 解決措施

在設計中要充分考慮到功率問題，以更好的配合開關電源的工作。開關電源啟動時功率要保持一定的值，如果要減少啟動時的電流值，也可以增加啟動電壓的值。增加啟動電壓之后，可以發現啟動電流的值會有所減少，亦不會對電源造成沖擊。

5 結論

由此可見，開關電源在設計時要注意各種細節和各個環節，要注意電能變換、輸出電壓和電源的保護功能，這些都是開關電源中的重要環節，緊密相連。正所謂“牽一發而動全身“，某一個環節出了差錯，開關電源的工作就會受到影響。在設計之前要充分考慮到電源啟動功率和啟動電壓問題，在功率一定的情況下，提高啟動電壓，這樣就可以避免電流徒增。由于電力系統的供電范圍越發廣泛，對于繼電保護裝置的可靠性研究必須要日益重視起來。

參考文獻

[1]沈曉凡，舒治淮，劉軍，等.2007年國家電網公司繼電保護裝置運行情況[J].電網技術，2008，32（16）：9-12.

[2]徐敏銳，吳在軍.繼電保護用開關電源的設計[J].江蘇電機工程，2004（6）.

開關電源原理及設計范文第5篇

【關鍵詞】高頻開關電源 節能技術 發展 應用

高頻開關電源節能技術的應用措施在多樣化的電源系統中占據核心地位。譬如大型電解電鍍電源，由于其重量及體積上的特殊性，促使高頻開關電源節能技術在實際電源應用過程中的利用效率得到提升，此外還能對成本投入進行控制。

1 開關電源技術發展

1.1 高頻化發展方向

經由理論分析及實驗驗證，電器產品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。若對電源頻率進行調整，從50Hz提升至20kHz之后，用電設備在質量及體積上出現下降，并達到工頻設計數值的5%-10%左右，在材料節省方面可以達到九成甚至更多，而電能節省方面則可以節省三成或更多。隨電子工藝技術的飛躍發展，電子功率器件已實現高頻模塊化，大功率開關電源成本顯著降低，體現了高技術含量及實用性推廣價值。

1.2 模塊化發展方向

高頻開關電源技術的模塊化主要就是指功率器件以及電源單元等方面的模塊化。近幾年，大多數公司認為開關功率器件把驅動電路和過流保護、短路保護、過熱保護、欠壓保護等多種保護集成在同一模塊內，從而真正意義上實現“智能化”功率模塊。模塊化設計促使不同元器件間不再使用傳統意義上的引線連接，從而有效降低寄生電感及電容因為頻率提升對其產生的影響，此外通過合理化、嚴謹的電、熱及機械層面的優化設計措施，從而全面提升系統可靠性。

1.3 數字化發展方向

由于數字式電路及信號所展現的重要性不斷增加，數字信號處理技術隨著發展也不斷趨向承受成熟，相對模擬信號展現出非常多的優勢，如實現計算機處理控制措施、減少雜散信號的干擾作用，從而促使自診斷等新型技術的植入。所以數字化技術在智能化高頻開關電源中往往是經由計算機完成控制行為，并展現出非常重要的使用意義。

2 高頻開關電源工作原理、構成及在火電廠的應用

2.1 高頻開關電源工作原理

目前狀態下的高頻電源，在其運作過程中往往經由三相交流電在濾波或整流的作用下，產生530V左右的直流電壓，另外在全橋逆變作用之下獲得到20kHz左右的交變電流，之后由于高頻變壓器升壓整流措施實現高頻高壓脈動直流的傳輸行為。當前狀態下的電除塵器高頻電源是利用高頻開關技術而形成的逆變式電源，此外供電電源往往通過系列性窄脈沖產生，實際控制措施存在多樣化，并且基于電除塵器運作情況選擇合適性電壓波形，全面提升供電效率實現節能目標。

2.2 高頻開關電源主要構成

當前狀態下的高頻電源的結構組成主要包括低壓配電系統、全橋逆變器、大功率高頻高壓變壓器以及控制電路等等。高頻開關電源實際運行過程中，高頻電源中的低壓配電系統往往安置于高頻電源配電盤之中的電氣箱，除卻高頻電源具備的供電作用不談，可以針對性完善集成作用下的高頻電源內部加入、振打及風機組成中的供電作用，另外若設備出現嚴重故障后，進行斷電保護措施。全橋逆變器中存在的逆變電路，是由全橋串聯諧振逆變器構建，在濾波及整流電路作用下構建530V左右的直流電流，并通過逆變措施，讓其成為20kHz左右的高頻交流電，并傳輸到高頻高壓變壓器之中。油浸設計措施之下的大功率高頻高壓變壓器，是高頻電源中具備重要意義的組成部分之一，經由逆變電路實現高頻交流電升壓，經由整流后，形成高頻高壓脈沖直流并向除塵器傳輸。控制電路在構成上主要包含電源電路、驅動電路以及DSP控制電路。

2.3 高頻開關電源技術在火電廠中的應用

譬如佛山某垃圾焚燒電廠現存的四套雙室四電場電除塵器，實際有效通流面積達到230m2，而j極線主要指的是新RS管狀芒刺，其中電源配置了高壓硅整流變壓器，控制運行機理是：交流電源經過升壓變壓器升壓后，經全波整流形成直流再輸送至電場。通過針對性的改造，四套除塵器已經都改造成為高頻電源，其除塵效率有顯著提高及能耗大為減少。通過節能減排的有效改進措施，促使電除塵改造能夠在高頻開關技術中發揮重要作用，改善當地環境帶來了經濟效益的同時社會效益也很顯著，并且也提升了企業綠源形象。

3 結束語

綜上所述，應用高頻開關電源技術能夠幫助當前火電廠的整體耗能及廢氣排放得到有效控制，從而全面提升整體工廠工作效率，并且在此基礎上實現生產成本的有效降低，促使其在市場中具備足夠的地位。當前，高頻開關電源技術在電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等領域應用同樣得到了廣泛推廣。

參考文獻

[1]鄭昕昕，肖嵐，劉新天，何耀，曾國建.兩級寬輸入開關電源占空比振蕩的幾何分析[J].電氣傳動，2016（05）：199-203.