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通信电源系统原理
目录
第1章通信电源系统概述4
1.1通信设备对电源系统的基本要求4
1.1.1通信设备对电源的一般要求4
1.1.2现代通信对电源系统的新要求4
1.2通信电源系统的构成6
1.2.1交流供电系统7
1.2.2直流供电系统8
1.2.3接地系统9
1.3现代通信电源9
1.3.1开关电源成为现代通讯网的主导电源9
1.3.2促成开关电源占据主导地位的关键技术10
第2章开关电源产品基础12
2.1线性电源、相控电源与开关电源12
2.2高频开关电源的基本原理13
2.2.1开关电源的基本电路结构13
2.3开关电源整流器原理14
2.4电源配电技术16
2.4.1交流配电部分16
2.4.2直流配电部分17
2.5PS系列电源简介18
2.5.1PS系列电源18
2.5.2PS系列通信电源产品20
第3章产品技术及维护20
3.1电池的规格及主要参数20
3.1.1电池规格及结构参数(GFM系列)20
3.2电池结构及工作原理21
3.2.1产品结构图21
第4章通信电源安全防护23
4.1接地的必要性23
4.2接地系统的组成23
4.3接地系统的分类23
4.4PS通信电源的防雷措施24
第5章电源设备维护基本要求25
5.1概述25
5.2维护工具与设备25
5.2.1仪表工具的管理27
5.3产品展示27
5.3.1艾默生产品系列27
5.3.2Liebert产品28
5.3.3APC产品28
5.3.4SANTAK产品28
5.3.5逆变器产品28
结束语31
参考资料32
摘要
随着通信技术的不断发展,人们对通信电源提出了更高的要求。
本文针对通信电源中DC/DC变换器的移相全桥主电路进行了分析和研究,在此基础上提出了采用改进型倍流整流移相全桥电路,来克服传统ZVSPWM全桥变换器存在的一些问题,本文介绍了高频开关电源的基本原理
因为和传统的变压器相比,平面变压器具有体积小、高电流密度、高效率、低漏感等优点,
数字控制具有高灵活性、高精度等优点,所以两者成为当前开关电源的研究热点,也是通信电
源的发展方向。
本文对通信开关电源的安全防护及维护措施,分析了通信开关电源的主导技术并对目前的发展形式给出了自己的看法。
关键词:
通信电源,移相全桥,倍流整流,数字控制,平面变压器
第1章通信电源系统概述
通信电源作为通信系统的“心脏”,在通信局(站)中具有无可比拟的重要地位。
它包含的内容非常广泛,不仅包含48V直流组合通信电源系统,而且还包括DC/DC二次模块电源,UPS不间断电源和通信用蓄电池等。
通信电源的核心基本一致,都是以功率电子为基础,通过稳定的控制环设计,再加上必要的外部监控,最终实现能量的转换和过程的监控。
通信设备需要电源设备提供直流供电。
电源的安全、可靠是保证通信系统正常运行的重要条件。
1.1通信设备对电源系统的基本要求
1.1.1通信设备对电源的一般要求
1.可靠性高:
一般的通信设备发生故障影响面较小,是局部性的。
如果电源系统发生直流供电中断故障,则影响几乎是灾难性的,往往会造成整个电信局、通信枢纽的全部通信中断。
对于数字通信设备,电源电压即使有瞬间的中断也不允许。
因为在数字程控交换局中,信息存在存储单元中,虽然重要的存储单元都是双重设置的,若电源中断,两套并行工作的存储器同时丢失信息,则信息需从磁带、软盘等重新输入程序软件,通信将长时间中断。
因此,通信电源系统要在各个环节多重备份,保证供电可靠。
这就包括“多路、多种、多套”的备用电源。
在暂还没有条件达到“三多”配置的地方,至少应有后备电池。
2.稳定性高:
各种通信设备都有要求电源电压稳定,不允许超过容许的变化范围,尤其是计算机控制的通信设备,数字电路工作速度高,频带宽,对电压波动、杂音电压、瞬变电压等非常敏感。
所以,供电系统必须有很高的稳定性。
3.效率高:
能源是宝贵的,电信设备在耗费巨资完成设备投资后,日常的费用支出中,电费是一笔比重很大的开支。
尤其随着通信容量的增大,一个母局的各种设备用上百、上千安培直流的用电量已是司空见惯,这时效率问题就特别突出。
这就要求电源设备(主要指整流电源)应有较高转换效率,即要求电源设备的自耗要小。
1.1.2现代通信对电源系统的新要求
1.低压、大电流,多组供电电压需求
低压、大电流,多组供电电压需求,功率密度大幅度提升,供电方案和电源应用方案设计呈现出的多样性。
2.模块化:
自由组合扩容互为备用
提高安全系数,模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是电源单元的模块化。
实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的应力(表现为过电压、过电流毛刺)。
为了提高系统的可靠性,而把相关的部分做成模块。
把开关器件的驱动、保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),这既缩小了整机的体积,又方便了整机设计和制造。
采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。
这样,不但提高了功率容量,在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,便极大地提高了系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供了充分的时间。
现代电信要求高频开关电源采用分立式的模块结构,以便于不断扩容、分段投资,并降低备份成本。
不能像习惯上采用的1+1的全备用(备份了100%的负载电流),而是要根据容量选择模块数N,配置N+1个模块(即只备份了1/N的负载电流)即可。
3.能实现集中监控:
现代电信运维体制要求动力机房的维护工作通过远程监测与控制来完成。
这就要求电源自身具有监控功能,并配有标准接通讯接口,以便与后台计算机或与远程维护中心通过传输网络进行通信,交换数据,实现集中监控。
从而提高维护的及时性,减小维护工作量和人力投入,提高维护工作的效率。
4.自动化、智能化:
要求电源能进行电池自动管理,故障自诊断,故障自动报警等,自备发电机应能自动开启和自动关闭。
5.小型化:
现在各种通信设备的日益集成化、小型化,这就要求电源设备也相应的小型化,作为后备电源的蓄电池也应该向全密封、免维护、小型化方面发展,以便将电源、蓄电池随小型通信设备布置在同一个机房,而不需要专门的电池室。
6.新的供电方式:
相应于电源小型化,供电方式应尽可能实行各机房分散供电,设备特别集中时才采用电力室集中供电,大型的高层通信大楼可采用分层供电(即分层集中供电)。
图1-1是传统电力室配置示意图:
图1-1集中供电系统
对于集中供电,配电室的配置包括交流配电设备、整流器、直流配电设备、蓄电池。
各机房从配电室直接获得直流电压和其它设备、仪表所使用的交流电压。
这种配置有它的优点,例如集中电源于一室,便于专人管理。
蓄电池不会污染机房等。
但它有一个致命的缺点,即浪费电能,传输损耗大,线缆投资大。
因为直流配电后的大容量直流电流由电力室传输到各机房,传输线的微小电阻也会造成很大的压降和功率损耗。
对于分散供电,电力室成为单纯交流配电的部分,而将整流器、直流配电和蓄电池组分散装于各机房内。
这样,将整流器、直流配电、电池化整为零,使它们能够小型化,相对的小容量。
但这里有个先决条件,蓄电池必须是全密封型的,以免腐蚀性物质的挥发而污染环境、损坏设备(现行的全密封型的电池已经能达到要求了)。
分散供电最大的优点是节能。
因为从配电电力室到机房的传输线上,原先传输的直流大电流,现在变为传输380V的交流。
计算表明,在传输相同功率的情况下,380V交流电流要比48V的直流电流小得多,在传输线上的压降造成的功率损耗只有集中供电的1/49~1/64。
1.2通信电源系统的构成
通信电源系统一般由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成,如图1-2所示:
图1-2通信动力系统的构成
1.2.1交流供电系统
1.系统组成
通信电源的交流供电系统由高压配电所、降压变压器、油机发电机、UPS和低压配电屏组成。
交流供电系统可以有三种交流电源:
变电站供给的市电、油机发电机供给的自备交流电、UPS供给的后备交流电。
2.油机发电机:
为防止停电时间较长导致电池过放电,电信局一般都配有油机发电机组。
当市电中断时,通信设备可由油机发电机组供电。
油机分普通油机和自动启动油机。
当市电中断时,自动启动油机能自动启动,开始发电。
由于市电比油机发电机供电更经济和可靠,所以,在有市电的条件下,通信设备一般都应由市电供电。
3.UPS:
为了确保通信电源不中断、无瞬变,可采用静止型交流不停电电源系统,也称UPS。
UPS一般都由蓄电池、整流器、逆变器和静态开关等部分组成。
市电正常时,市电和逆变器并联给通信设备提供交流电源,而逆变器是由市电经整流后给它供电。
同时,整流器也给蓄电池充电,蓄电池处于并联浮充状态。
当市电中断时,蓄电池通过逆变器给通信设备提供交流电源。
逆变器和市电的转换由交流静态开关完成。
4.交流配电屏:
输入市电,为各路交流负载分配电能。
当市电中断或交流电压异常时(过压、欠压和缺相等),低压配电屏能自动发出相应的告警信号。
5.连接方式——交流电源备份方式
大型通信站交流电源一般都由高压电网供给,自备独立变电设备。
而基站设备常常直接租用民用电。
为了提高供电可靠性,重要通信枢纽局一般都由两个变电站引入两路高压电源,并且采用专线引入,一路主用,一路备用,然后通过变压设备降压供给各种通信设备和照明设备,另外还要有自备油机发电机,以防不测。
一般的局站只从电网引入一路市电,再接入自备油机发电机作为备用。
一些小的局站、移动基站只接入一路市电(配足够容量的电池),油机为车载设备。
1.2.2直流供电系统
1.系统组成
通信设备的直流供电系统由高频开关电源(AC/DC变换器)、蓄电池、DC/DC变换器和直流配电屏等部分组成。
2.整流器:
从交流配电屏引入交流电,将交流电整流为直流电压后,输出到直流配电屏与负载及蓄电池连接,为负载供电,给电池充电。
3.蓄电池:
交流停电时,向负载提供直流电,是直流系统不间断供电的基础条件。
4.直流配电屏:
为不同容量的负载分配电能,当直流供电异常时要产生告警或保护。
如熔断器断告警、电池欠压告警、电池过放电保护等。
5.DC-DC变换器:
DC/DC变换器将基础电源电压(-48V或+24V)变换为各种直流电压,以满足通信设备内部电路多种不同数值的电压(±5V、±6V、±12V、±15V、-24V等)的需要。
6.连接方式——直流供电方式
蓄电池是直流系统供电不中断的基础条件。
根据蓄电池的连接方式,直流供电方式主要采用并联浮充供电方式,尾电池供电方式、硅管降压供电方式等等基本不再使用。
并联浮充供电方式是将整流器与蓄电池直接并联后对通信设备供电。
在市电正常的情况下,整流器一方面给通信设备,一方面又给蓄电池充电,以补充蓄电池因局部放电而失去的电量;当市电中断时,蓄电池单独给通信设备供电,蓄电池处于放电。
由于蓄电池通常处于充足电状态,所以市电短期中断时,可以由蓄电池保证不间断供电。
若市电中断期过长,应启动油机发电机供电。
1.2.3接地系统
为了提高通信质量、确保通信设备与人身的安全,通信局站的交流和直流供电系统都必须有良好的接地装置。
1.通信机房的接地系统
通信机房的接地系统包括交流接地和直流接地。
2.交流接地
交流接地包括:
交流工作接地、保护接地、防雷接地。
3.直流接地
直流接地包括:
直流工作接地、机壳屏蔽接地。
局站的接地系统如图1-3所示。
图1-3通信机房接地系统
4.通信电源的接地
通信电源的接地包括:
交流零线复接地、机架保护接地和屏蔽接地、防雷接地、直流工作地接地。
1.3现代通信电源
1.3.1开关电源成为现代通讯网的主导电源
在通讯网上运行的电源主要包括三种:
线性电源、相控电源、开关电源。
传统的相控电源,是将市电直接经过整流滤波提供直流,由改变晶闸管的导通相位角,来控制整流器的输出电压。
相控电源所用的变压器是工频变压器,体积庞大。
所以,相控电源体积大、效率低、功率因数低,严重污染电网,已逐渐被淘汰。
另外一种常用的稳压电源,是通过串联调整管可以连续控制的线性稳压电源,线性电源的功率调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的。
由于调整管上损耗较大的功率,所以需要较大功率调整管并装有体积很大的散热器,发热严重,效率很低,一般只用作小功率电源,如设备内部电路的辅助电源。
开关电源的功率调整管工作在开关状态,有体积小、效率高、重量轻的优点,可以模块化设计,通常按N+1备份(而相控电源需要1+1备份),组成的系统可靠性高。
正是这些优点,开关电源已在通信网中大量取代了相控电源,并得到越来越广泛的应用。
1.3.2促成开关电源占据主导地位的关键技术
从开关电源的发展看,它最早出现在二十世纪六十年代中期。
当时美国研制出了20kHz的DC/DC变换器,这为开关电源的发明创造了条件。
七十年代,出现了用高频变换技术的整流器,它不需要50Hz的工频变压器,直接将交流电整流,再逆变为高频交流,再整流滤波变为所需直流电压。
八十年代初,英国科学家根据以上的条件和原理,制造出了第一套实用的48V开关电源(SwitchModeRectifier),被命名作SMR电源。
随着器件技术的发展,出现了大功率高压场效应管,它的关断速度大大加快,电荷存储时间大大缩短,从而大大提高了开关管的开关频率。
随着电力电子技术和自动控制技术的发展,开关电源的各方面的技术得到了飞速的发展。
在各方面的技术进步中,对于开关电源在通信电源中形成主导地位有决定性意义的技术突破有以下四项:
(1)均流技术使开关电源可以通过多模块并联组成前所未有的大电流系统和提高系统的可靠性;
(2)开关线路的发展使开关电源的频率不断提高的同时效率亦提高,并且使每个模块的变换功率也不断增大;
(3)功率因数校正技术有效地提高了开关电源的功率因数。
在这环保意识不断加强的时代,这是它形成主导地位的关键;
(4)智能化给维护工作带来了极大的方便,提高了维护质量,使它倍受人们的青睐。
1.功率因数校正技术
由于开关电源电路的整流部分使电网的电流波形畸变,谐波含量增大,而使得功率因数降低(不采取任何措施,功率因数只有0.6~0.7),污染了电网环境。
开关电源要大量进入电网,就必须提高功率因数,减轻对电网的污染,以免破坏电网的供电质量。
这里介绍提高功率因数的措施。
2.采用三相三线制整流
因为三相三线制没有中线的整流方式,不存在中线电流(如果有中线,三次谐波在中线上线性叠加,谐波分量很大),这时虽然相电流中间还有一定的谐波电流,但谐波含量大大降低,功率因数可提高到0.86以上。
这种供电方式的电路如图1-4所示。
图1-4三相无中线整流电路
(1)采用无源功率因数校正技术
这一技术是在三相无中线整流方式下,加入一定的电感来把功率因数提高到0.93以上,谐波含量降到10%以下,电路如图1-5所示,适当选择校正的参数,功率因数可达0.94以上。
安圣公司生产的100A和200A整流模块采用了这种技术。
图1-5无源功率因数校正电路
(2)采用有源功率因数校正技术
在输入整流部分加一级功率处理电路,强制流经电感的电流几乎完全跟随输入电压变化(输入电压、电流波形如图1-7所示),无功功率几乎为0,功率因数可达0.99以上,谐波含量可降低到5%以下。
图1-6示意了这种方法的电路图。
可见采用有源校正后电流谐波含量大减少,已接近正弦波,安圣公司生产的50A整流模块采用了这种技术,功率因数高达0.99。
图1-6有源功率因数校正原理图
图1-7输入电压、电流波形
3.开关电源的智能化技术
开关电源系统大量应用了控制技术、计算机技术进行各种异常保护、信号检测、电池自动管理等等。
有专门的监控电路板分别对交流配电、直流配电的各参数进行实时监控,能实现交流过、欠压保护,两路市电自动切换,电池过欠压告警、保护等功能;许多开关电源的每个整流模块内都配有CPU,对整流器的工作状态进行监测和控制,如模块输出电压、电流测量,程序控制均浮充转换等。
整流模块本身能实现过、欠压保护,输出过压保护等保护功能,并能进行一些故障诊断。
电源系统配有监控单元对整个系统进行监控,电池自动管理,作为人机交互界面处理各监控板采集的数据、过滤告警信息、故障诊断,并提供通讯口以供后台监控和远程监控。
总之,这些技术上的进步和使用维护上的方便,使得开关电源在通信电源中逐渐占据主导地位,成为现代通信电源的主流。
第2章开关电源产品基础
直流稳压电源主要有线性电源、相控电源、开关电源三种。
本章介绍了开关电源的稳压原理、基本电路结构,详细分析了功率变换电路、PWM控制器原理。
并在此基础上,介绍了安圣HD系列开关整流器共性部分典型电路的原理。
2.1线性电源、相控电源与开关电源
交流电经过整流,可以得到直流电。
但是,由于交流电压及负载电流的变化,整流后得到的直流电压通常会造成20%到40%的电压变化。
为了得到稳定的直流电压,必须采用稳压电路来实现稳压。
按照实现方法的不同,稳压电源可分为三种:
线性稳压电源、相控稳压电源、开关稳压电源。
开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较
项目
开关稳压电源
线性稳压电源
功率转换效率
65%~95%
20%~40%
发热(损耗)
小
大
体积
小
大
功率体积系数
60~100W/dm3
20~30W/dm3
重量
轻
重
功率重量系数
60~150W/kg
22~30W/kg
对电网变化的适应性
强
弱
输出电压保持时间
长(20ms)
短(5ms)
电路
复杂
简单
射频干扰和电磁干扰(RFI和EMI)
大
小
纹波
大(10mV)P-P
小(5mV)P-P
动态响应
稍差(2ms)
好(100s)
电压、负载稳定度
高
低
2.2高频开关电源的基本原理
2.2.1开关电源的基本电路结构
通信电源的功率较大,所采用的开关电源一般都是他激式的,这里只介绍他激式开关电源的结构和原理。
开关电源的基本电路框图如图2-3所示。
图2-1开关电源基本电路原理框图
开关电源的基本电路包括两部分。
一是主电路,是指从交流电网输入到直流输出的全过程,它完成功率转换任务。
二是控制电路,通过为主电路变换器提供的激励信号控制主电路工作,实现稳压。
1.主电路
交流输入滤波器:
其作用是将电网中的尖峰等杂波过滤,给本机提供良好的交流电,另一方面了也防止本机产生的尖峰等杂音回馈到公共电网中。
整流滤波:
将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。
逆变:
将整流后的直流电变为高频交流电,尽量提高频率,以利于用较小的电容、电感滤波(减小体积、提高稳压精度),同时也有利于提高动态响应速度。
频率最终受到元器件、干扰、功耗以及成本的限制。
输出整流滤波:
是根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。
其中逆变将直流变成高频交流,输出整流滤波再将交流变成所希望的直流,从而完成从一种直流电压到另一种直流电压的转换,因此也可以将这两个部分合称DC-DC变换(直流—直流变换)。
2.控制电路
从输出端采样,经与设定标准(基准电源的电压)进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或频率,从而控制滤波电容的充放电时间,最终达到输出稳定的目的。
2.3开关电源整流器原理
图2-2开关整流器的典型原理框图
高频开关整流器的典型原理框图如图2-4所示。
它主要由输入电网滤波器、输出整流滤波器,控制电路,保护电路,辅助电源等几部分组成。
它的主电路:
主要由交流输入滤波器、整流滤波电路、DC/DC变换电路、次级滤波电路组成,完成功率变换。
控制电路:
由采样电路、基准电源、电压/电流比较放大、输入输出隔离、脉宽调制电路、脉冲信号源电路、驱动电路及均流电路等组成电压环、电流环双环控制电路。
除此之外,还有一些辅助电路:
辅助电源电路、风扇故障保护电路、表头显示电路及其它一些提高系统可靠性的保护电路
典型主电路如图2-5所示。
交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到直流电压,通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,再经高频变压器隔离变换,输出高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压。
图2-3典型主电路
2.交流输入滤波及桥式整流滤波电路
电容C116、C117、C118,共模电感L102构成EMI(EletromagneticInterference电磁干扰)滤波器,其作用是:
一方面抑制电网上的电磁干扰;另一方面它还对开关电源本身产生的电磁干扰有抑制作用,以保证电网不受污染。
即它的作用就是滤除电磁干扰,因此常称作EMI滤波器。
单相/三相市电经滤波后,再经全桥整流滤波,得到300V/500V左右的高压直流电压送入功率变换电路。
3.功率变换电路(DC/DC变换电路)
300V/500V高压直流电送入功率变换器,功率变换器首先将高压直流电转变为高频交流脉冲电压或脉动直流电,再经高频变压器降压,最后经输出整流滤波得到所需的低压直流电。
4.次级滤波电路
由于DC/DC全桥变换器输出的直流电压仍含有高频杂音,需进一步滤波才能满足要求。
为此在DC/DC变换器之后,又加了共模滤波器。
由高频电容C212、C213及电流补偿式电感L23组成的共模滤波器的直流阻抗很低,但对高频杂音有很强的抑制作用,使输出电压的高频杂音峰-峰值降到200mV以下。
2.4电源配电技术
2.4.1交流配电部分
1.交流配电原理分析
电源系统交流输入一般有两路,如图2-6所示的为具有两路自动切换功能的电源交流配电系统原理图。
市电I和市电II分别由空开ZK1、ZK2接入,接触器K1,K2及其辅助接点构成机械与电气互锁功能。
只要有市电且市电电压在规定的范围之内时,I路市电优先,K1吸合,K2断开,送入I路市电。
通过空开ZK301~ZK312给整流模块供电,ZK4~ZK7则是提供用户使用分路(用户可用作空调、照明等)。
市电采样板分别检测市电I和市电II的电压信号,供监控模块及市电控制板使用。
市电控制板通过采样板检测的电压信号来控制接触器K1,K2的驱动线圈,从而实现两路市电的自动切换。
控制板上设有市电过欠压指示,市电正常时,指示灯熄灭,如果市电过欠压则相应的指示灯亮。
在整流模块及交流辅助输出之前设置了由C级、D级所构成的两级防雷系统。
图2-4交流配电单元原理图
2.交流配电单元组成
交流配电单元(屏)通常由以下几个部分组成:
交流接入电路:
交流接入一般通过空气开关或刀闸开关,交流接入开关的容量即为交流配电单元的容量,PS系列电源交流配电容量分为50A、100A、200A、400、600A五个等级。
整流器交流输入开关:
交流配电单元分别为系统的每一个整流器提供一路交流输入,开关容量根据整流器容量确定。
交流辅助输出:
电源系统的交流配电除了给整流器提供交流电外,还配置了多种容量的交流输出接口,供机房内其他交流用电设备使用。
交流自动切换机构:
有机械电子双重互锁的接触器组成。
交流采样电路:
由变压器和整流器件组成的电路板,将交流电压、电流和频率等转换成监控电路可以处理的电信号。
交流切换控制电路:
完成两路交流自动切换、过欠压保护、告警等功能。
交流监控电路:
集散式监控中专门处理交流配电各种信息的微处理器电路,可以完成信号检测、处理、告警、显示以及与监控模块通信等功能。
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