CN2459807Y - 新型智能高频开关直流电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种新型智能高频开关直流电源,主要包括交流电配电单元、变压器、整流滤波模块、串联式高频开关电源模块、微机监控模块和蓄电池组,串联式高频开关电源模块分为两组,一组为控制负荷提供直流电源,另一组为动力负荷和对蓄电池组充电提供直流电源。本实用新型与已有技术相比,电源装置的工作可靠性高,设备结构较为简单,性能价格比高,特别是对于大容量的电源设备,相对于完全逆变式高频开关直流电源装置,其结构更为简单。

Description

新型智能高频开关直流电源

本实用新型涉及电站电源设备，特别是涉及通过高频斩波器提供整流电源的电源设备。

直流电源设备是发电厂、水电站及各类变电站必须配备的装置。传统的直流电源设备为晶闸管相控整流直流电源，主要由工频输入降压变压器、晶闸管相控整流及相应的控制电路单元、滤波单元、蓄电池组、动力母线及硅链降压单元和控制母线组成，其结构如附图1所示。这种结构的电源设备其不足之处在于，工频三相全控桥的失控时间较长(平均为3.3ms)，动态响应较差即控制性能较差；要组成N+1冗余系统，结构将过于复杂，因此这类直流电源设备都没有采用冗余结构，设备的可靠性低；降压单元损耗大，调压精度差，很难满足后端设备使用的需要，特别是难以满足阀控式密封铝酸蓄电池组对充电的要求，这类电源设备由于上述诸多不足，已逐渐被淘汰出局。

逆变式高频开关电源设备是近几年开发出来的一种新型的直流电源设备，主要由智能交流配电单元、逆变式开关电源模块、微机监控模块、蓄电池组、降压装置、动力母线和控制母线构成，其结构如附图2所示。这种电源设备，主要采取的技术措施是用完全逆变式高频开关电源模块代替传统电源设备中的工频变压器和相控制整流桥，由于开关电源模块中起隔离和降压作用的变压器与输出滤波单元工作于高频，动态相应快，即控制性能好，又由于开关电源模块比较容易实现并联工作，可很方便地组成N+1冗余系统，因此这种电源设备的工作可靠性高。但这种电源设备也有些明显不足的地方：

首先，逆变式高频开关中桥臂上下开关管可能出现直通故障；输出高频变压器的磁芯会出现阶梯式趋向饱和瞬时饱和现象(目前，也出现了一些针对措施，但这使得电路结构更复杂；而且，这些措施也并不是非常有效)，在某些瞬态过程(如负载突变、暂态短路、参数漂移等)中，可能使模块工作不稳定甚至损坏。而对直流电源柜这种电源设备来说，由于其工作的重要性和特殊性，除了要具备高的性能指标外，最重要的还是要求有很高的工作可靠性，因此从可靠性的观点来看，不能不说这种系统还存一些不足。

其次，对于逆变式开关电源，由于器件等多种因素的限制，其单体电源模块的输出只有10A/230VDC，个别的也只能作到15A/230VDC。要组成上百安输出电流的直流电源，就需十个或十几个这样的模块并联工作。太多的模块并联工作，使系统过于复杂，可靠性降低，同时也会降低系统响应的快速性。

第三，因为在中国的城市近效或农村中电压的不稳或过高，使逆变式高频开关电源模块的隔离降压功能很难实现，在很多时候须添加外部的工频变压器，造成用户使用更大的不方便。

第四，逆变式高频电源模块会产生较大的尖峰冲击电流，直接并联在电网上会对电网上其他用电设备产生较大的电磁干扰。同时，电网上其他用电设备产生的尖峰干扰也会对直流系统产生电磁干扰，因此，逆变式高频开关电源模块组成的直流系统电磁兼容性能差。

此外，由于逆变式开关电源的电路结构复杂，产品性能较难保证，而且其价格较高，成为目前普及使用的一大难题。

本实用新型针对电源设备工作的特点，要求具有很高的工作可靠性，而设计出了一种既能保持逆变式高频开关电源控制性能好，又具有更高的工作可靠性，使用方便，价格较低，结构简单，特别是对于大容量的N+1冗余系统结构更为简单的新型智能高频开关电源。

根据上述实用新型的目的，本实用新型设计出了一种新型智能高频开关电源，包括能使来自市网的交流电主电源与备用电源自动进行切换互锁的配电单元，将配电单元输出的电压转换成电源装置所需电压的降压变压器，将变压器输出的交流电转换成直流电并滤去直流电中残存交流成份的整流滤波模块，通过串联高频斩波方式，为控制负荷与动力负荷提供直流电的高频开关电源模块，对高频开关电源模块工作状况实施监控的微机监控模块，以及在电源装置断电的情况可提供直流电的蓄电池组。其中所说的高频开关电源模块为串联式高频开关电源模块，分为两组，一组为控制负荷提供直流电源，另一组为蓄电池组充电和动力负荷提供直流电，所说的蓄电池组的输出端同时与动力负荷母线和通过二极管与为控制负荷提供直流电的一组串联式高频开关的输入端连接。

为了更好地实现本实用新型的目的，本实用新型还进一步采取了以下技术措施：

所说的整流过滤模块可设计成两组，分别与两组串联式高频开关相配置，两组整流滤波模块的输入端分别与变压器的两个不同的副边绕组具有不同输出电压的电压点连接。

所说的两组串联式高频开关电源模块均可设计成由不少于2个相互并联的单体串联式高频开关电源模块构成，并且使每一组串联式高频开关电源模块提供的电荷负荷比所需的电负荷多一个单体串联式高频开关电源模块所能提供的电负荷。

所说的微机监控模块还可与远离电源的监控室中的后台机信号联接，以便实现现场无人操作。

本实用新型还采取了其他一些技术措施。

附图1是传统的晶闸管相控整流直流电源模块结构示意图。

附图2是逆变式高频开关电源模块式直流电源模块结构示意图。

附图3是本实用新型一个实施例的模块结构示意图。

附图4是串联式高频开关电源模块的工作原理图。

附图5是微机监控模块的工作原理图。

下面结合附图3的说明给出本实用新型的一个实施例，并结合实施例对本实用新型进行进一步的详细描述。

根据本实用新型所揭示的思想设计出一种新型智能高频开关直流电源，由配电单元、变压器、整流滤波模块、串联式高频开关电源模块、微机监控模块、蓄电池组、控制负荷母线和动力负荷母线构成。配电单元使来自市网的主电源AC₁路与备用电源AC₂路自动切换互锁，以保证电源设备正常供电。变压器为三绕组变压器，将来自配电单元的市网电压降压变压，转换成电源设备所的电压。整流滤波模块为两个，模块中的整流电路为桥式整流电路，两个模块的输入端分别与变压器的两个不同的副边且具有不同输出电压的电压点连接，其中为控制负荷提供直流电源的整流滤波模块连接较低的电压点，为蓄电池组充电和合闸负荷提供直流电源的整流滤波模块连接较高的电压点。高频开关电源模块为串联式高频开关电源模块，分为两组，一组为控制负荷提供直流电源，另一组为向蓄电池组充电和动力负荷提供直流电源，两组的输入端分别与各自配置的整流滤波模块的输出端连接。两组串联式高频开关电源模块的主电路均采用了高频开关斩波器。两组串联式高频开关电源模块均由N+1个单体串联式高频开关电源模块并联构成，其N个单体串联式高频开关电源模块并联输出的电负荷容量为所需的负荷容量，另一个单体串联式高频开关电源模块为系统备用模块，以提高设备工作的可靠性。微机监控模块的主机采用单片机。由于配电单元、变压器、整流滤波模块的工作可靠性较高，且不需进行调整，因此微机监控模块只对串联式高频开关电源模块的工作状况进行监控。微机监控模块还与远离现场的监控室后台机信号连接，以实现现场无人操作。蓄电池组的正极与动力负荷母线连接，同时通过二极管与为控制负荷提供直流电源的一组串联式高频开关电源模块的输入端连接。

串联式高频开关电源模块的工作原理如附图4所示。R1和熔断器组成模块的预充电电路，对电容进行预充电，使电容两端电压上升到合适大小再将开关合上。C3和E1构成模块的输入滤波电路，对输入电流中的高频分量和低频分量谐波进行滤波。以IGBT为中心结合R4、R5、R6、D01、D02、D04、Z1、Z2、C1和INDUCTOR构成模块的斩波电路。E2和C2构成模块的输出滤波电路。在输出的电流电路中，利用传感器和电阻R7分压，将电流取样值和电压取样值送入主控板，经过转化后，调制PWM控制波形，在模块内部利用单片机组成的主控制板对模块实行自主监控，处理模块内部的所用信号并通过内部的通讯接口将本模块的工作状态传送到主控器，完成对模块的完整监控功能。

微机监控模块的工作原理如附图5所示。微机监控模块主要由蓄电池巡检单元，交直流检测单元和控制单元三部分组成。蓄电池巡检单元的功能：a，检测电池电压、电流、温度和单节(组)电池电压；b，对电池过温、电池电压过低(LVD)、单节(组)电池电压过低报警，交直流检测单元功能：a，测量交流电压、交流电流、控制母线电压、控制母线电流、动力母线电压；b，监测交流接触器、控制回路直流开关、动力回路直流开关等设备的状态；c，对停电、缺相、控制母线电压过低欠压、交流电压过低欠压、绝缘异常等进行报警；d，显示本单元测量信息和报警状态信息。控制单元功能：a，完成设定功能，可设定充电电压值和限流值；b，对蓄电池充电进行管理；c，通过RS485口与模块通讯，从而遥控模块工作状况；d，可以通过RS232或RS485口与后台通讯。接收上级监控的命令，发送上级监控所要求的各种讯息。e，显示当前工作状态。

本实用新型与已有技术相比具有以下比较突出的特点：

特点一，本实用新型采用了工频降压变压器。当有交流中输入时，一副边绕组的输出电压经桥式整流和滤波后，为串联式高频开关式模块提供公共直流电源，再经过这些模块(以下称稳压模块)稳压后，供给控制母线以稳定的直流电压，当无交流输入时，稳压模块的输入端会自动地使用蓄电池组电力，且不会给系统造成任何扰动，保证控制负荷的可靠性。变压器另一副边绕组则同样地经过整流滤波为要求具有不同电压等级的另一组高频开关式模块(以下简称充电模块)提供公用直流电源，充电模块可以在微机监控模块的控制下，实现均衡充电与浮充电，即使当监控模块出现偶然故障而退出工作时，充电模块仍能根据蓄电池的当前状态自动进行均衡充电与浮充电。采用本变压设备可以带来一系列的积极效果：

1．工频变压设备的工作可靠性远比电源柜中任何电子器件的可靠性都要高得多；

2．由于变压及降压后模块中的开关器件所承受的电压应力比逆变式开关电源直接由380VAC整流时所承受的电压应力要小许多，而且在相同的开关频率下，开关器件的开关损耗也比逆变式开关电源小，这就提高了开关器件的工作可靠性；

3．工频变压器本身就是一个低通滤波器，它可以有效的将交流电网与直流系统隔离。可以遏制交流电网中的尖峰脉冲对直流系统工作的干扰，同时也能减小系统的高频电流对交流电网的影响，具有良好的电磁兼容特性。

特点二，本实用新型中的稳压模块和充电模块的主电路都是采用了高频开关斩波器，开关频率可以作到比逆变式开关电源的频率还高，因此它的控制性能(如控制精度、动态响应等)都不弱于逆变式开关电源。由于不存在逆变式开关电源中逆变桥臂直通和高频输出变压器偏磁等缺点，本系统的工作可靠性就比逆变式开关电源要高得多。

特点三，本实用新型的稳压模块、充电模块与逆变式开关电源一样，都能实现模块的并联工作和N+1冗余备份。

特点三，本实用新型的单体稳压模块和充电模块可以根据需要，作到比逆变式开关电源单体模块有更大输出电流的能力，这有利于组成稳定可靠的大容量的直流电源。

特点三，本实用新型采用单片机组成监控器实现对直流电源的全面监控及与上位机的通讯，当监控制模块因偶然故障退出工作时，直流电源除了发出报警信号以外，仍能按默认设定值自动进行充电和稳压工作，而无需人为干予，因此这种直流电源非常利于无人值守的场合。

本实用新型的结构不限于实施例所描述的结构形式。

Claims (4)

1．一种新型智能高频开关直流电源，包括能使来自市网的主电源与备用电源自动进行切换互锁的配电单元，为控制负荷和动力负荷提供直流电源的高频开关电源模块，对高频开关电源模块工作状况实施监控的微机监控模块和在断电状况下可提供直流电源的蓄电池组，其特征是还设置有将配电单元输出的电压转换成电源装置所需电压的降压变压器，以及将变压器输出的交流电转换成直流电并滤去直流电中残存交流成份的整流滤波模块，所说的高频开关电源模块为串联式高频开关电源模块，其输入端与整流滤波模块输出端相连接，分为两组，一组为控制负荷提供直流电源，另一组为蓄电池组充电和动力负荷提供直流电源，所说的蓄电池组的输出端与动力负荷母线，以及通过二极管与为控制负荷提供直流电源的一组串联式高频开关的输入端连接。

2．根据权利要求1所述的新型智能高频开关直流电源，其特征是整流滤波模块有两组，分别与两组串联式高频开关电源模块相配置，两组整流滤波模块的输入端分别与变压器的两个不同的副边绕组具有不同输出电压的电压点连接。

3．根据权利要求1或2所述的新型智能高频开关直流电源，其特征是两组直流负荷(控制负荷和动力负荷)均由不少于2个相互并联的单体串联式高频开关电源模块供电，并且使每一组串联式高频开关电源模块提供的电源负荷比所需的电源负荷多一个单体串联式高频开关电源模块所能提供的负荷。

4．根据权利要求3所述的新型智能高频开关直流电源，其特征是微机监控模块可与远离电源的监控室中的后台机信号连接。

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