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直流電源簡介

發表時間:2015-07-16
深圳市興中科電源科技有限公司-直流電源簡介

直流電源(DC power)有正、負兩個電極,正極的電位高,負極的電位低,當兩個電極與電路連通后,能夠使電路兩端之間維持恒定的電位差,從而在外電路中形成由正極到負極的電流。

單靠水位高低之差不能維持穩恒的水流,而借助于水泵持續地把水由低處送往高處就能維持一定的水位差而形成穩恒的水流。與此類似,單靠電荷所產生的靜電場不能維持穩恒的電流,而借助于直流電源,就可以利用非靜電作用(簡稱為“非靜電力”)使正電荷由電位較低的負極處經電源內部返回到電位較高的正極處,以維持兩個電極之間的電位差,從而形成穩恒的電流。因此,直流電源是一種能量轉換裝置,它把其他形式的能量轉換為電能供給電路,以維持電流的穩恒流動。


  直流電源中的非靜電力是由負極指向正極的。當直流電源與外電路接通后,在電源外部(外電路),由于電場力的推動,形成由正極到負極的電流。而在電源內部(內電路),非靜電力的作用則使電流由負極流到正極,從而使電荷的流動形成閉合的循環。


  表征電源本身的一個重要特征量是電源的電動勢,它等于單位正電荷從負極通過電源內部移到正極時非靜電力所作的功。當電源給電路提供能量時,所供給的功率P等于電源的電動勢E與電流I兩者的乘積,P=E I。電源的另一個特征量是它的內電阻(簡稱內阻)R0,當通過電源的電流為I時,電源內部損耗的熱功率(即單位時間內產生的焦耳熱)等于R0I。


  當電源的正、負兩極沒有連通時,電源處于斷路(開路)狀態,這時電源兩電極之間的電位差在量值上即等于電源的電動勢。在斷路狀態下,不發生非電能與電能的相互轉換。當把負載電阻接到電源的兩極上以構成閉合回路時,通過電源內部的電流從負極流到正極,這時,電源所提供的功率E I等于輸送到外電路的功率U I(U是電源正極與負極之間的電位差)與內電阻中損耗的熱功率R0I之和,E I=U I R0I。于是,當電源向負載電阻提供功率時,電源兩極間的電位差U=E-R0I。


  當用另一個電動勢較大的電源接到電動勢較小的電源上,正極接正極,負極接負極(例如用直流發電機對蓄電池組充電)時,在電動勢較小的電源內部,電流是從它的正極流到負極的,這時,外界向電源輸入電功率U I,它等于電源中單位時間內儲存的能量E I與內電阻中損耗的熱功率R0I之和,U I=E I R0I。于是,當外界向電源輸入功率時,外界加到電源兩極之間的電壓應為U=E R0I。


  當電源的內電阻可以忽略不計時,可以認為電源的電動勢在量值上近似地等于電源兩極間的電位差或電壓。


  為了取得較高的直流電壓,常將直流電源串聯使用,這時總電動勢為各電源的電動勢之和,總內阻也為各電源內電阻之和。由于內阻增大,一般只能用于所需電流強度較小的電路。為了取得較大的電流強度,可以將等電動勢的直流電源并聯使用,這時總電動勢即為單個電源的電動勢,總內阻為各電源內電阻的并聯值。


  直流電源的類型很多,不同類型的直流電源中,非靜電力的性質不同,能量轉換的過程也不同。在化學電池(例如干電池、蓄電池等)中,非靜電力是與離子的溶解和沉積過程相聯系的化學作用,化學電池放電時,化學能轉化為電能和焦耳熱在溫差電源(例如金屬溫差電偶、半導體溫差電偶)中,非靜電力是與溫度差和電子的濃度差相聯系的擴散作用,溫差電源向外電路提供功率時,熱能部分地轉化為電能。在直流發電機中,非靜電力是電磁感應作用,直流發電機供電時,機械能轉化為電能與焦耳熱。在光電池中,非靜電力是光生伏打效應的作用,光電池供電時,光能轉化為電能和焦耳熱。


  GZD、GZD(W)型可控硅高頻開關直流電源系統

應用范圍

  九洲電氣PowerLeaderTM系列高頻開關直流電源系統適用于大型發電廠、水電廠、超高壓變電站、無人值守變電站作為控制、信號、保護、自動重合閘操作、事故照明、直流油泵、,各種直流操作機構的分合閘,二次回路的儀表,自動化裝置的控制交流不停電電源等用電裝置的直流供電電源。


  PowerLeaderTM系列高頻開關直流電源的單線原理:


  GZD(W)型高頻開關直流電源由充電屏、饋線屏、蓄電池及直流電壓變換器四個單元組成。充電機屏由若干電源模塊和微機監控系統組成,單柜(屏)最大配置160A,若需要更大的輸出電流可實現多機柜(屏)并聯。饋線屏配有微機絕緣在線監察裝置,當某一饋出支路發生接地事故時可顯示出某地支路編號及接地電阻。電池屏內可選配微機蓄電池巡檢裝置,隨時對蓄電池狀態進行監控。直流電壓變送器可采用高頻直流變送器,當合閘母線在180-300V電壓變動時控制線母線的輸出電壓都能牢牢地穩定在220V。

高頻開關直流電源模塊的基本原理

  PowerLeaderTM系列高頻開關直流電源采用了全橋移相式脈寬調制軟開關控制技術,使得模塊效率進一步提高,諧波減小。高頻開關直流電源模塊采用三相三線380VAC平衡輸入,無相序要求,無中線電流損耗,在交流輸入端,采用先進的尖峰抑制器件及EMI濾波電路。高頻開關直流電源由全橋整流電路將三相交流電整流為直流,經無源功率因數校正(PFC)后,再由DC/DC高頻變換電路把所得的直流電逆變成穩定可控的直流電輸出。高頻開關直流電源脈寬調制電路(PWM)及軟開關諧振回路根據電網和負載的變化,自動調節高頻開關的脈沖寬度和移相角,使輸出電壓電流在任何允許的情況下都能保持穩定。JZ-22010D系列電力高頻開關電源既可單機工作完成各種基本功能,又可并聯組合工作,并具有良好的并機均流效果。高頻開關直流電源通過與微機連接,可實現"遙測、遙信、遙控、遙調"四遙功能。高頻開關直流電源具備完善的保護功能,保證模塊或模塊組獨立運行和微機監控下系統的安全、穩定。高頻開關直流電源模塊采用總線采樣主、從均流控制方式。在并機運行時,高頻開關直流電源模塊組中能自動選出一臺主模塊,將分流器采集到的電流、電壓等外部參數進行處理,集中控制每一臺模塊的輸出電壓、電流。從而,即使在小電流時,也能得到較好的均流效果。


一、實驗準備

1.通過實驗獲取直流電源相關知識

  通過集成直流穩壓電源的設計、安裝和調試,要求學會:


  (1)選擇變壓器、整流二極管、濾波電容及集成穩壓器來設計直流穩壓電源;


  (2)掌握直流穩壓電路的調試及主要技術指標的測試方法。

2.設計任務

  設計一波形直流穩壓電源,滿足:


  (1)當輸入電壓在220V±10%時,輸出電壓從3-12V可調,輸出電流大于1A;


  (2)輸出紋波電壓小于5mV,穩壓系數小于5×10-3,輸出內阻小于0.1歐。

3.設計要求

  (1)電源變壓器只做理論設計;


  (2)合理選擇集成穩壓器;


  (3)完成全電路理論設計、計算機輔助分析與仿真、安裝調試、繪制電路圖,自制印刷板;


  (4)撰寫設計報告、調試總結報告及使用說明書。


二、儀器與器材

  自耦調壓器、雙蹤示波器、萬用表(模擬或數字)、交流毫伏表各一臺,自制電路板的各種工具一套及


  元器件若干。


三、原理與分析

1、直流電源的基本工作原理.

  當市電經過輸入開關接通變壓器將市電電壓轉換成所設計的電壓后,進入了預穩壓電路,預穩壓電路是對所要的輸出電壓進行初步穩壓,其目的是降低大功率調整管的輸入與輸出之間的管壓降,減少大功率調整管的功耗,提高直流電源的工作效率,預穩壓電源一般由可控硅無級移相調整式用繼電器切換變壓器輸出的抽頭進行穩壓。經過預穩壓電源和濾波器①后得到的電壓基本穩定紋波相對較小的直流電經過在控制電路的控制的大功率調整管進行精確快速的問頂壓后將得到穩壓精度和性能符合標準的直流電壓再經過濾波器②進行濾波后既得到我的所需要的輸出直流電為了得到我的所需要的輸出電壓值或穩流電流值,我們還需要對輸出的電壓值和電流值進行取樣檢測并將其傳送到控制/保護電路,控制/保護電路將檢測到的輸出電壓值錢和電流值與電壓/電流設定電路所設定的值進行比較分析后驅動預穩壓電路和大功率調整管使直流穩壓電源能輸出我們所設定的電壓和電流值,同時當控制/保護電路檢測到異常的電壓或電流值等情況下將啟動保護電路使直流電源進入保護狀態。

2.穩壓電流的性能指標及測試方法

  直流電源的技術指標分為兩種:一種是特性指標,包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節范圍等;另一種是質量指標,用來衡量輸出直流電壓的穩定程度,包括穩壓系數(或電壓調整率)、輸出電阻(或電流調整率)、紋波電壓(周圍與隨機漂移)及溫度系數。測試電路如圖3。


  圖3 穩壓電源性能指標測試電路


 ?。?)紋波電壓:疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測其峰峰值一般為毫伏量級。也可用交流毫伏表測量其有效值,但因紋波不是正弦波,所以有一定的誤差,一般直流電源的紋波電壓VP-P≤10mV。


 ?。?)穩壓系數:在負載電流、環境溫度不變的情況下,輸入電壓的相對變化引起輸出電壓的相對變化,即:


 ?。?)電壓調整率:輸入電壓相對變化為±10%時的輸出電壓相對變化量,穩壓系數和電壓調整率均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響,因此只需測試其中之一即可。


 ?。?) 輸出電阻及電流調整率


  輸出電阻與放大器的輸出電阻相同,其值為當輸入電壓不變時,輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對值.電流調整率:輸出電流從0變到最大值時所產生的輸出電壓相對變化值。輸出電阻和電流調整率均說明負載電流變化對輸出電壓的影響,因此也只需測試其中之一即可。

直流電源的基本技術參數

  直流一般輸入電壓:AC220V±10% 50Hz±5Hz ,輸出的紋波與噪聲:Cv≤1mvrms CC≤5mARms


  4、選用要點


  1) 220V和110V直流系統應采用蓄電池組。48V及以下的直流系統,可采用蓄電池組,也可采用由220V或110V蓄電池組供電的電力用直流電源變換器(DC/DC變換器)。


  2)供電距離較遠的輔助車間,當需要直流電源時,宜獨立設置直流系統。


  3)蓄電池組正常應以浮充電方式運行。


  4) 鉛酸蓄電池組不宜設置端電池;鎘鎳堿性蓄電池組宜減少端電池的個數。


  5) 直流系統標稱電壓


 ?。?)專供控制負荷的直流系統宜采用110V。


 ?。?)專供動力負荷的直流系統宜采用220V。


 ?。?)控制負荷和動力負荷合并供電的直流系統宜采用220V。


  6)充電裝置


 ?。?)應滿足蓄電池組的充電和浮充電要求。


 ?。?)應為長期連續工作制。


 ?。?)充電裝置應具有穩壓、穩流及限流性能。


 ?。?)應具有自動和手動浮充電、均衡充電和穩流、限流充電等功能。


 ?。?)充電裝置的交流電源輸入宜為三相制,額定頻率為50Hz,額定電壓為380(1±10%)V。小容量充電裝置的交流電源輸入電壓可采用單相220(1±l0%)V。


 ?。?)l組蓄電池配置1套充電裝置的直流系統,充電裝置的交流電源宜設2個回路,運行中l回路工作,另1回路備用。當工作電源故障時,應自動切換到備用電源。


  7)蓄電池容量選擇條件


 ?。?)應滿足全廠(所)事故全停電時間內的放電容量;


 ?。?)應滿足事故初期(Imin)直流電動機啟動電流和其他沖擊負荷電流的放電容量;


 ?。?)應滿足蓄電池組持續放電時間內隨機(5s)沖擊負荷電流的放電容量;


 ?。?)應以最嚴重的事故放電階段,計算直流母線電壓水平。


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