航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司　袁　毛　劉凱倫

引言

在工業(yè)及軍用領(lǐng)域，大功率電源的應(yīng)用需求非常廣泛。本文介紹一種將380VAC/50Hz三相電轉(zhuǎn)換為500VDC直流電的電源技術(shù)方案。本電源主要特點(diǎn)為：電源效率高、對(duì)供電電網(wǎng)的污染少、可靠性高、精度高，故障定位簡(jiǎn)單，適用于分布式供配電結(jié)構(gòu)。

1.組成與工作原理

本電源由濾波組件（濾波器、濾波電容）、軟啟動(dòng)電路、18脈沖整流電路、傳感器、控制電路和保護(hù)電路組成。電源原理框圖如圖 1所示。輸入交流電經(jīng)濾波器后，由軟啟動(dòng)電路限制啟動(dòng)電流和浪涌電流沖擊，在18脈沖整流路中經(jīng)多脈沖降壓變壓器生成三組移相三相交流電，輸入整流橋，最后整流成直流電輸出。電流各狀態(tài)信息由傳感器采集送入控制電路，對(duì)電源進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)電源具有通訊功能，與控制終端進(jìn)行信息交互，接受上位機(jī)控制指令，上報(bào)電源狀態(tài)信息等。

圖1　電源原理框圖

2.電源電氣設(shè)計(jì)

2.1　濾波組件

采用濾波組件減小輸出電壓紋波，避免負(fù)載斷開(kāi)瞬間產(chǎn)生較大的電壓尖峰，保護(hù)整流電路。18脈沖整流電路輸出的電壓紋波峰最大峰值為9.5V，輸出電容越大輸入電流THD越差，需在整流橋后加LC濾波恒流輸出。電感選擇5μH，輸出電容值選擇2200μF，輸出電壓脈動(dòng)小于2V。輸出直流電壓峰值為598V，將兩個(gè)耐壓450V電容串聯(lián)使用，選取江海電容CD139-450V-2200μF。

2.2　軟啟動(dòng)電路

軟啟動(dòng)電路可以避免變壓器瞬間加電飽和時(shí)以及電感與輸出濾波電容發(fā)生振蕩時(shí)輸出電壓過(guò)壓對(duì)后級(jí)電路產(chǎn)生影響。軟啟動(dòng)電路電路圖如圖2。交流接觸器最大輸入電流為97.5A，選擇型號(hào)JQ-38F，額定工作電流200A。軟啟動(dòng)電阻取值為100Ω，軟啟動(dòng)繼電器選擇國(guó)營(yíng)891廠JQX-3MD型電磁繼電器，觸點(diǎn)電流30A。

2.3　18脈沖整流電路

整流橋二極管兩端承受的最大電壓線電壓峰值為600V，考慮1.5倍過(guò)載，額定工作時(shí)輸出電流Idnax為150A。參考GJB Z35-93的降額標(biāo)準(zhǔn)，可選用IXYS公司VUO190 16NO7三相整流橋，額定電流248A，反向電壓1600V。

圖2　軟啟動(dòng)電路圖

2.4　傳感器

a）電信號(hào)傳感器

采集輸入交流電壓、變壓器輸出脈沖電流、輸出直流電流、輸出直流電壓信號(hào)。輸入交流電壓信號(hào)、變壓器輸出脈沖電流信號(hào)是MOS管驅(qū)動(dòng)PWM的參考變量，要求響應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確，信號(hào)延時(shí)不大于一個(gè)周期（2.5ms）的1%，即25μs。

b）溫度傳感器

采用集成芯片TEMP04采集MOS管和變壓器的溫度。將溫度信號(hào)變?yōu)檩敵鲭妷赫伎毡刃盘?hào)，通過(guò)檢測(cè)占空比標(biāo)定器件溫度，該采集方法抗干擾能力較強(qiáng)。

2.5　控制電路

控制電路可以對(duì)輸入輸出電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，控制輸入輸出電路通/斷。

輸入選擇BJB6-4P-100A系列斷路器。當(dāng)輸出功率為50kW，3相平衡，輸入電壓拉偏至低端時(shí)，每相輸入最大電流為：

輸出斷路器選擇選擇百事寶高壓直流斷路器BJM5系列，用于對(duì)輸出520V直流的應(yīng)急切斷。

2.6　保護(hù)電路

采用ABB絕緣監(jiān)測(cè)模塊CM-IWN-1進(jìn)行對(duì)地隔離系統(tǒng)母線安全性的檢測(cè)，通過(guò)互相獨(dú)立地測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地絕緣阻抗的大小，判斷系統(tǒng)絕緣狀態(tài)。絕緣監(jiān)測(cè)器CM-IWN-1檢測(cè)端分別直接連接在兩根母線和大地上，對(duì)母線對(duì)地絕緣電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與參考值——絕緣響應(yīng)門限比較；CM-IWN-1可以設(shè)置多種絕緣響應(yīng)門限（10Ω～110KΩ），當(dāng)母線對(duì)地電阻小于設(shè)定的門限電阻值時(shí)，繼電器動(dòng)作，同時(shí)LED指示燈示紅。

通過(guò)電流霍爾檢測(cè)直流輸出端共模電流來(lái)判斷是否有漏電流，當(dāng)520V直流線間存在漏電阻時(shí)，設(shè)計(jì)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流大小，當(dāng)漏電流超過(guò)人體安全電流30mA時(shí)，指示燈亮報(bào)警，關(guān)斷直流側(cè)斷路器。

交流端放置4P低壓防雷器，直流端放置2P低壓防雷器，有效對(duì)電源進(jìn)行SPD防護(hù)。

3.電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮：緊湊化、小型化、輕型化；散熱的有效性；走線和布局的美觀性；節(jié)點(diǎn)之間連接的可靠有效性；可拆卸性和方便維修等。

為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、小型化，整體結(jié)構(gòu)采用插件設(shè)計(jì)方案：主要的散熱元器件分布在冷板；PCB板和連接器等其他元器件分布在中隔板、面板和側(cè)板；元器件之間的連接盡量采用匯流條以減少空間。

為保證結(jié)構(gòu)散熱的有效性，整流部分主輔電流進(jìn)行拆分，保證主電流部分的具有一定的距離，減小熱效應(yīng)的疊加。

為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)走線美觀，整體設(shè)計(jì)多采用匯流條進(jìn)行連接，減少線纜的使用；必須使用線纜的元器件，盡量布置在一起，保證出線方向和走線方向一致。

4.電源效率

本電源損耗主要損失在變壓器和整流橋上。整流橋二極管導(dǎo)通壓降為1.1V，導(dǎo)通電阻為2.7mΩ，整流橋損耗為：

則單套整流電源系統(tǒng)效率估算為（未考慮接觸、輔助源損耗）：

額定輸入時(shí)，整流電源系統(tǒng)效率為95.5%。

5.結(jié)論

采用工藝成熟的多脈沖整流技術(shù)，能有效提高電源的功率因數(shù)，能在機(jī)載使用條件下充分利用供電電網(wǎng)或電站的供電容量，減少電源對(duì)供電電網(wǎng)的污染。使用控制電路進(jìn)行狀態(tài)判斷，具有可靠、精度高，故障定位簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

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