1.前 言
隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,,直流電源應(yīng)用非常廣泛,其好壞直接影響著電氣設(shè)備或控制系統(tǒng)的工作性能,,目前,,市場上各種直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同,都包括交流電源,、交流變壓器(有時(shí)可以不用),、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等,。本文以三相交流電源供電的直流電源設(shè)計(jì)為例,,介紹直流電源設(shè)計(jì)中一些問題的處理辦法。并就在實(shí)際應(yīng)用中,,多個(gè)直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)使用問題做了闡述,。
2.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)
2.1 整流變壓器的設(shè)計(jì)
三相整流變壓器的設(shè)計(jì)包括:一、二次繞組的聯(lián)結(jié)方式,,二次側(cè)電壓的計(jì)算,,一、二次側(cè)電流的計(jì)算,,容量的計(jì)算與確定,,結(jié)構(gòu)形式的選擇等環(huán)節(jié)。其中一,、二次繞組的聯(lián)結(jié)方式及二次側(cè)電壓的確定是我們重點(diǎn)分析的內(nèi)容,。本文以某一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的3個(gè)直流電源設(shè)計(jì)為例進(jìn)行詳細(xì)介紹,原理圖如圖1,。
圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流電源設(shè)計(jì)的原理圖
1、二次側(cè)電壓的確定
二次電壓不僅與負(fù)載電壓(即要設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源電壓)和整流電路有關(guān),,而且與穩(wěn)壓器件有關(guān),。對于要求高的選橋式整流電路,用電容濾波穩(wěn)壓和穩(wěn)壓器穩(wěn)壓,,對于要求低的則可以不穩(wěn)壓或用電容穩(wěn)壓,。如在圖1中,+7V低壓驅(qū)動(dòng),,主要是用來鎖相,,其電流小,、電壓低,電壓波動(dòng)對驅(qū)動(dòng)電源的工作狀態(tài)影響不大,,不用穩(wěn)壓,;+110V用以高壓驅(qū)動(dòng),斷續(xù)式供電且頻率很高,,大的電流和電流變化率會(huì)產(chǎn)生很高過電壓,,因此要用電解電容穩(wěn)壓,電阻限流,;+12V用于計(jì)算機(jī)和集成電路的電源,,電流小、電壓低,,但要求電壓穩(wěn)定,、紋波系數(shù)小,因此用電容和三端穩(wěn)壓器兩級穩(wěn)壓,。對于不同的穩(wěn)壓手段,,二次電壓有著不同的確定方法,理論上這3個(gè)電壓的計(jì)算式相同,,即U2=Ud/2.34 或UL=Ud/1.35,,計(jì)算的3個(gè)二次電壓分別為:5.2V、81.5V和8.9V,,但這樣計(jì)算的結(jié)果在實(shí)際中不和適,,因此,有些量必須用工程估算式來確定,,如三相不可逆整流系統(tǒng)一般用公式UL=(0.9~1.0)·Ud估算,,如果直流側(cè)用電解電容濾波時(shí)、輸出平均值會(huì)升高,,一般用公式UL=Ud/2½估算,;如果直流側(cè)用電容和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓,為了擴(kuò)大穩(wěn)壓范圍,,Ud一般應(yīng)升高3~6V,,再用公式UL=(0.9~1.0)·Ud估算。這樣確定的3個(gè)二次電壓分別為:UL7=0.9×7=6.3V,,UL110=110/2½=78V,UL12=16×0.9=14.4V,。
2、一,、二次例電流計(jì)算及容量確定
二次電流要根據(jù)負(fù)載電流的大小和整流電路來定,,在圖1中采用三相橋式整流電路,用式I2=(2/3)½Id求出3個(gè)二次電流有效值分別為:3.26A,、6.5A,、1.63A,,就得到3個(gè)二次電壓和電流。根據(jù)變壓器一,、二次功率近似相等原則,,可求得一次電流I1=1.45A,變壓器的容量為S=953VA,,按1.5kVA選變壓器型號,。
3、一,、二次例繞組聯(lián)結(jié)方式的確定
三相交壓器繞組可以根據(jù)需要接成星形或Δ形,。三相整流電路一般用于大功率(即負(fù)載功率在4kW以上)整流,變壓器通常接成Y/Δ,、 Δ/Y 2種,。Δ/Y接法可使電源線電流有2個(gè)階梯,更接近正弦波,,諧波影響小,,可控整流電路用得比較多;Y/Δ接法可以提供單相交流電源,,減小二次繞組電流,,一般用于大功率二極管整流電路;對于小功率三相變壓器有時(shí)也接成Y/Y型,,雖然這種接法會(huì)給電網(wǎng)引入諧波.但畢竟其功率小,,影響也較小??傊?,選的時(shí)候既要考慮對電網(wǎng)的影響,又要盡量減小繞組電流,,降低繞組絕緣等級,。在圖1中,7V和12V電流比較小,,電壓低,,選星形接法;110V電流大,,電壓不是太高,,選Δ形接法,可大大降低繞組中電流,,減小繞組線徑,延長使用壽命,;一次繞組的線電壓雖然高(380V),,但變壓器容量只有2kW,,一次電流為1.45A,所以選星形接法,,可降低繞組的電壓和繞組的絕緣等,。
2.2 整流電路設(shè)計(jì)
三相整流電路通常有三相半波整流電路和三相橋式整流電路,由于三相橋式整流電路輸出平均電壓高,,電壓脈動(dòng)小,,品質(zhì)因數(shù)高,因此多使用橋式整流電路,。橋臂上二極管型號的選擇主要是由它的額定電壓和額定電流決定,,額定電流和電壓則由負(fù)載平均電流和電壓決定,其計(jì)算式為:ID=(1/3)½·Id,,ID(AV)= ID /1.57,,UDn=(1~2) 2½·U2,由ID(AV)和UDn查二極管手冊就可確定整流管的型號,。
2.3 濾波穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
1,、濾波電路及器件選擇
整流濾波電路通常有電容、電感和RC等濾波電路,。電感濾波是利用電感對脈動(dòng)電流產(chǎn)生反電動(dòng)勢,,阻礙電流變化來實(shí)現(xiàn)的,電感越大,,濾波效果越好,。它一般用于負(fù)載電流大、對濾波要求不高的場臺(tái),。RC濾波電路是電阻和電容連接使用的濾波電路,,由于電阻會(huì)降低一部分直流電壓,直流輸出電壓會(huì)減小,,因此只適用于小電流電路,。電容濾波是利用電容的充放電作用使整流輸出電壓變得平穩(wěn),而且電壓幅值升高,,濾波效果好,,適于各種整流電路。濾波電容的選擇主要是種類和容量,、耐壓值的確定,。常用的整流濾波電容有鋁電解、鉭電解,、滌綸,、獨(dú)石電容等。鋁電解電容漏電流大,,耐壓和工作溫度(最高+70℃)較低,,但容量大,;鉭電解電容漏電流小,耐壓和工作溫度比鋁電解電容都高,,一般用于要求較高的地方,;滌綸電容絕緣電阻大,損耗小,,工作溫度(最高+55℃)低,,容量小,但耐壓高,;獨(dú)石電容體積可以做得很小,,耐壓也可以做得很高,化學(xué)性能和熱性能比較穩(wěn)定,,但容量小,。一般當(dāng)整流輸出電流大時(shí),必須用電解電容濾波穩(wěn)壓,;輸出電流小時(shí),,用一般電容或電解電容濾波都可以,如果對直流輸出電壓有紋波系數(shù)要求或者為了防止高頻噪音,,用電解電容和小容量無極性電容并聯(lián)使用效果較好:小容量電容可濾掉脈動(dòng)直流中的高次諧波,, 電解電容濾掉大幅值的低頻成分,穩(wěn)壓范圍寬,、效果好,。整流濾波電路對電容器的容量和耐壓值要求不是太高,一般根據(jù)輸出電流大小估算電容器的容量,,輸出電流大,,容量就大;電流小,,容量就小,。但是,容量太大會(huì)降低輸出電壓值,,太小則會(huì)導(dǎo)致電壓脈動(dòng)大,、不穩(wěn)定。容量確定可參考表1,,耐壓值一般取所接電路工作電壓的1.5~2倍,。
2、穩(wěn)壓電路及器件選擇
穩(wěn)壓電路有分立元件穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電路2種,,其中集成穩(wěn)壓電路主要用于低電壓小電流的整流電路,,具有體積小,電路簡單,穩(wěn)壓精度高,,使用調(diào)試方便等特點(diǎn),。選擇時(shí)首先要確定系列,是正電源還是負(fù)電源,,是可調(diào)的還是固定的,其次是根據(jù)它的額定電壓和額定電流選擇具體型號,;同時(shí),,穩(wěn)壓器在接入整流電路時(shí)要適當(dāng)加一些保護(hù)元件,如在I/O端接二極管可防止輸入端短路,,在輸入端和地之間接一小電容,,可限制輸入電壓幅值等。
直流電源的設(shè)計(jì)理論上比較簡單,,但在具體的工程設(shè)計(jì)中還需要進(jìn)一步分析,、研究、實(shí)踐和總結(jié),。
3 直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)應(yīng)用
直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用非常廣泛,,有時(shí)會(huì)把兩個(gè)或兩個(gè)以上的電源串聯(lián)使用,現(xiàn)就此應(yīng)用做一簡要介紹,。
圖2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路
3.1 電路的組成及工作原理
圖2是一種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,,由取樣電路、基準(zhǔn)電路,、比較放大和調(diào)整電路等部分組成,。其中R1、R2和RP組成取樣電路,,R1,、R2和RP稱為取樣電阻;R3和V2組成基準(zhǔn)電路,,R3是VZ的限流電阻,,VZ給V2發(fā)射極提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓;V2為比較放大管,,作用是將穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量先放大,,然后再送到調(diào)整管基極;V1是調(diào)整管,,起調(diào)整作用,。 穩(wěn)壓過程如下:當(dāng)輸出電壓U0發(fā)生變化時(shí),,通過取樣電路把U0的變化量取樣加到放大管V2的基極,。而由R3和Vz組成的基準(zhǔn)電路為V2的發(fā)射極提供基準(zhǔn)電壓Uz。由V2和R4組成的放大電路把取樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大后,輸出調(diào)整信號送到調(diào)整V1的基極,,控制V1進(jìn)行調(diào)整,,以維持U0基本不變。
3.2 直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)使用
1,、順串使用
所謂順串,,指電源的極性首尾相連,如圖3,。
圖3 電源串聯(lián)示意圖(順串)
a,、b端開路時(shí),兩電源分別是獨(dú)立的電源,,都能正常工作,,輸出的電壓分別為E1、E2,,a,、b端的電壓應(yīng)為兩個(gè)電動(dòng)勢的代數(shù)和,Uab=E1+E2,;接上負(fù)載R1,、R2后,由于負(fù)載電流的方向與兩個(gè)電源正常工作時(shí)對外輸出的電流方向一致,,故兩個(gè)電源也都能正常工作,,Uab=E1+E2,且整個(gè)回路符合全電路歐姆定律I=( E1+E2)/(R1+R2),,每個(gè)電源都有負(fù)載電流通過,,電源上的電壓保持不變(忽略內(nèi)阻)。
2,、反串使用
所謂反串指電源首首或尾尾相連,,如圖4,把圖4可以等效成圖5,。
a,、b端開路時(shí),兩電源分別是獨(dú)立的電源,,都能正常工作,,輸出的電壓分別為E1、E2,,a,、b端的電壓應(yīng)為兩個(gè)電動(dòng)勢的代數(shù)和,Uab=E2-E1,;加上負(fù)載R1,、R2,因E2>E1,所以負(fù)載上的電流方向如圖所示(即I2),,它與電源1對外輸出的電流方向相反,,迫使電源1停止工作,輸出電壓為0,,而此時(shí)負(fù)載電流將通過取樣電路形成回路,,故左邊電源“輸出的電壓”也就是取樣電路R1、R2和RP上的電壓,,設(shè)電源1,、2及取樣電路上的電流參考方向如圖所示,則I3=I1+I2,,也就是說取樣電路上的電壓U取=I3(R1+R2+RP),。如果從取樣電路向右看,,可等效為一個(gè)電動(dòng)勢為E3、內(nèi)阻為R0的電源,,其中E3=U取,。如E3>E1,迫使Iv1截止,,IIVC1近似等于0,,電源真正停止工作,此時(shí)“電源輸出的電壓”U?。絀3(R1+R2+RP)(并不是真正電源1輸出的電壓,,而是取樣電阻分擔(dān)E2的電壓),其中I3=E2/(R1+R2+(1R1+2R2+1Rp)),,其電壓的大小主要由E2,、R1、R2,、lRl,、lR2、1RP的大小決定,,整個(gè)電路也不符合全電路歐姆定律,,I2≠(E2-E1)/(R1+R2),此時(shí)的電壓應(yīng)大于E1,;E3
通過上面的分析可知,,對于直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)情況而言,,如電源順串,各個(gè)電源都能正常工作,,整個(gè)電路符合全電路歐姆定律,;電源反串,穩(wěn)定電壓輸出比較小的那個(gè)電源不能真正起到一個(gè)電源作用,,在任何情況下負(fù)載電流都沒有通過電源,。具體情況如下:當(dāng)取樣電路上的電壓大于穩(wěn)壓電源輸出電壓時(shí),迫使電源停止工作,,此時(shí)只有電源的取樣電路接入電路中,,電源兩端的電壓也就是取樣電路兩端的電壓(應(yīng)大于穩(wěn)定輸出電壓),整個(gè)電路不滿足全電路歐姆定律,;當(dāng)取樣電路上的電壓小于穩(wěn)定輸出電壓時(shí),,電源正常工作,整個(gè)電路滿足全電路歐姆定律,,但負(fù)載電流只通過取樣電路,,取樣電路上的電流應(yīng)是負(fù)載電流與電壓比較小的電源調(diào)整電流之和,使用時(shí)應(yīng)考慮取樣電阻的功率,。因此,,我們在使用兩個(gè)或兩個(gè)以上穩(wěn)壓電源的過程中,應(yīng)根據(jù)具體情況合理使用電源反串,。以免造成實(shí)際值與理論值大相徑庭的現(xiàn)象發(fā)生,。