电源设计范文

导语：如何才能写好一篇电源设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】供电电压；负荷；电源

前言

当前我国煤矿供电电压等级最高是110kV。矿井的供电系统，如果没有一个全面的规划，往往会造成资金浪费、能耗增加等不合理现象。因此，供配电系统设计，应结合矿井的特点全面规划，分析有关因素的内在联系，在网络结构中统筹综合考虑，优化组合方案，做到远近期结合，以近期为主。

设计实例

以新疆伊犁二号井为例（考虑篇幅，文中某些章节具体论述及计算部分只做简略说明或不提及）。

一、矿井负荷

矿井投产：

矿井装机容量： 34354.8kW；

矿井工作容量： 26056.3kW；

矿井有功功率： 14003.0 kW （考虑同期后）；

年耗电： 82300MW・h；

吨煤耗电： 16.5kW・h；

矿井有功容量（含选煤厂）： 17156.8kW；

矿井达产：

矿井有功容量（含选煤厂）： 25135.92kW；

二、矿井所在地区电力系统现状及发展规划情况

㈠电源现状

本矿位于新疆察布查尔县南部，北距察布查尔县城和伊宁市分别为45km和65km，距乌鲁木齐市约710km。行政区划属新疆维吾尔自治区察布查尔锡伯自治县管辖，在伊犁地区电网的覆盖范围内。其周围电源叙述如下：

1.宁远220kV变电站：位于矿井北偏东约40km处，规模为2×120MVA，站内设220kV及110kV两个电压等级，其220kV侧采用双母带旁母接线，110kV侧采用双母线接线，目前该站220kV侧共有5回进出线分别与青年220kV变电站、尼勒克水电站、靖远220kV变电站、西郊220kV变电站联网，故电源可靠。

2.靖远220kV变电站：位于本矿东北侧约22km处，设计规模为2×180MVA，现有规模为180MVA，站内设220kV及110kV两个电压等级，目前该站220kV侧共有，2回进出线分别与宁远220kV变电站和西郊220kV变电站联网，故电源可靠。

3. 伊犁二电厂：位于矿井北偏东约25km处，装机容量为3×25MW，两台发电机同时工作，发电机出口电压为6.3kV，厂内设110kV升压站，站内设两台31.5MVA三卷变压器，三侧电压分别为110kV、35kV和6kV，其110kV侧采用双母线带旁母接线；35kV侧采用双母线接线；6kV侧采用单母线分段接线，目前其35kV侧共4回出线，2回工作2回备用。伊犁二电厂距矿区中心居住区约2km，居住区的用电可取自伊犁二电厂。伊犁二电厂现用电负荷约56，备用电负荷约为19MW，不能满足用矿井电负荷的要求。

4. 察县110kV变电所：该站位于矿井北侧约23km处，一次电压110kV，电源引自伊犁二电厂，所内2台变压器，容量分别为20MVA和40MVA，其电压为110/35/10kV，该变电所三侧母线均采用单母线接线。

5. 伊宁县110kV变电所：该站位于矿井北侧约45km处，一次电压110kV，电源分别引自伊犁二电厂及托海水电站，故电源可靠。所内设有2台容量为20MVA的变压器， 2台变压器的电压均为110/35/10kV，其中110kV侧为单母线分段带旁路接线，35kV及10kV侧母线均采用单母线分段接线。

6.伊宁市中心110kV变电所：该站位于矿井北侧约40km处，一次电压110kV，电源分别引自伊犁一电厂及西郊110kV变电所（该变电所与伊犁二电厂联网），电源可靠。所内设有2台容量为16MVA的变压器， 2台变压器的电压均为110/35/10kV，其中110kV侧为单母线分段带旁路接线，35kV及10kV侧母线均采用单母线分段接线。

7. 新汶矿业集团伊犁能源公司一号井110kV变电所：位于本矿西北方向约8.2km处，现有规模为2×40MVA，站内设，110kV及10kV两个电压等级，两侧均采用单母线分段接线，目前该站仅有一回引自靖远220kV变电站的110kV电源线路，线路规格为LGJ-120，长度为24m。

㈡矿区周边建设和规划中的电源情况

1. 新疆伊犁州矿区总体规划确定在本矿所在矿区北部的煤电化工业园区建设一座火电厂，新疆电力设计院于2011年3月完成的《新疆华电伊犁火电厂一期（2×660MW）工程可行性研究报告》即为该电厂，目前该电厂的可行性研究报告已通过新疆维吾尔自治区发改委组织的初审，并上报国家发改委核准，可研确定，新疆华电伊犁火电厂位于伊南煤田北侧（距矿井北侧约18km处），一期规模为2×660MW，将以2回LGJ-6×400/75km 750kV电源线路接入伊犁750kV变电站（该站已开工建设，计划与2013年中投运），从而与新疆主电网联网。

目前新汶矿业集团伊犁能源公司已与华电新疆发电有限公司签署了《新汶矿业集团伊犁能源公司和华电新疆发电有限公司煤电开发合作协议》， 协议规定待华电火电厂建成后，将为新汶矿业集团伊犁能源公司所属提供110kV电源。

2. 新汶矿业集团伊犁能源公司规划，由靖远220kV变电站的110kV引一回电源线路至伊犁一号井（该线路已建成），再由华电火电厂110kV升压站引一回电源线路至伊犁二号井，同时在一号井与二号井之间建一回110kV联络线为伊犁一号井和二号井供电。

三、矿井供电电源

本矿井投产规模为5.0Mt/a，达产规模为10Mt/a，按照《煤炭工业矿井设计规范》、《煤矿安全规程》对煤矿电源的要求，矿井应有两回电源线路，当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应能担负矿井全部负荷。

本设计根据煤矿附近的电源状况、矿井前后期用电负荷和矿区总体规划、确定本矿采用110kV供电，并结合新汶矿业集团伊犁能源公司规划及新汶矿业集团伊犁能源公司与华电新疆发电有限公司签署了《新汶矿业集团伊犁能源公司和华电新疆发电有限公司煤电开发合作协议》，对本矿的供电电源选择，提出如下三个方案：

方案一：在矿井工业场地建一座110kV变电所，2回110kV电源分别引自新疆华电伊犁火电厂升压站和靖远220kV变电站110kV侧，为避免重复投资，电源线路规格按本矿后期达产10Mt/a时的负荷选择，确定为LGJ-120，长度分别约为19km和22km，两回电源线路同时工作，分列运行，当一回电源线路故障时， 另一回电源线路能保证煤矿全部负荷的需要。

该方案的优点是供电可靠性高、接线简单、管理方便，投资及运行费用低，缺点是矿井投产受华电伊犁火电厂建设时间限制。

方案二：在矿井工业场地建一座110kV变电所，2回110kV电源分别引自新疆华电伊犁火电厂110kV升压站和新汶矿业集团伊犁能源公司一号井110kV变电所，为避免重复投资，电源线路规格按本矿后期达产10Mt/a时的负荷选择，确定为LGJ-120，长度分别约为19km和2×11km（在一号井与二号井之间的联络线必须为两回才能满足两回线路同时工作分列运行或一回线路工作一回线路热备用的要求），两回电源线路同时工作，分列运行，当一回电源线路故障时， 另一回电源线路能保证煤矿全部负荷的需要。

该方案的优点是供电可靠性高、投资及运行费用较低（相对方案一，一号井和二号井需多建一个110kV出线间隔，相对方案三少将21km 110kV电源线路），引自一号井的电源线路可以兼做矿井施工电源，缺点是接线较复杂、运行管理稍繁琐，投资及运行费用稍高，矿井投产受华电伊犁火电厂建设时间限制。

方案三：在矿井工业场地建一座110kV变电所，2回110kV电源分别引自靖远220kV变电站110kV侧和宁远220kV变电站110kV侧，为避免重复投资，电源线路规格按本矿后期达产10Mt/a时的负荷选择，确定为LGJ-120，长度分别为22km和40km，两回电源线路同时工作，分列运行，当一回电源线路故障时， 另一回电源线路能保证煤矿全部负荷的需要。

该方案的优点是供电可靠性高、接线简单，管理方便，矿井投产不受华电伊犁火电厂建设时间限制，缺点是投资及运行费用高。

综上三个方案的优缺点比较，设计确定采用方案一作为本矿供电电源方案，为保证本矿开工建设，前期由新汶矿业集团伊犁能源公司一号井110kV变电所10kV侧引一回10kV电源线路，为本矿提供施工电源。

需要说明的是，新疆华电伊犁火电厂虽已完成可行性研究设计，并通过新疆维吾尔自治区发改委组织的初审，但还未取得国家发改委核准，故该电厂的具体建设时间未定，因此设计请建设单位尽早与新疆华电伊犁火电厂及当地政府协商，加快该电厂的建设。

两回110kV电源分别引自新疆华电伊犁火电厂升压站和靖远220kV变电站110kV侧，110kV线路导线规格均为LGJ-120，长度分别约为19km和22km，两回电源线路同时工作，互为备用。两回线路全线采用复合绝缘子，要求绝缘子大小伞间隔，无均压环，且全线架设避雷线（GJ-35+OPGW光缆），地线采用直接接地方式，线路每基铁塔均敷设人工接地装置，接地装置按土壤电阻率分别采用环形和环形加放射形浅埋水平布置接地型式与杆塔基础自然接地相结合的方式，接地体采用Φ12热镀锌圆钢，引下线采用热镀锌圆钢；全线直线杆以18m 带拉线双杆为主，直线跨越处及重要转角处采用自立式铁塔，直线耐张以拉线双杆为主。本线路砼杆基础为预制件，铁塔基础采用现浇砼，所有基础砼标号不低于C20级。全线杆塔基础应采取防腐措施。

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随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视、管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。本文在综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化电源。它具有以下几个特点：

（1）实际了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值，可启动备用电源供电，实现对电子电路的保护作用。

（2）具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点，同时通过RS485通信接口与管理计算机通讯能实现“透明”电源的工作和保护等功能。

（3）能实时显示输出电压、电流的大小，过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。

（4）通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。

智能化电源的核心由显示板、CPU板、通信板、备用电源板、过电压检测板、键盘、通信转接板组成。装置的关键是实现电压的峰值检测，尤其是过电压的检测。本文提出了一种基于单片机的过电压检测和峰值电压检测方法，实验证明它满足了对检测的快速性和精确性的要求。

2系统硬件设计

系统硬件框架如图1所示。在正常的情况下，220V的交流输入电压经过整流、滤波、DC/DC变换、稳压电路后可得到一个稳定的输出电压，基本上是一个开关电源；当有过电压时，过电压信号经过过电压检测电路检测和峰值电压保持电路保持，控制电源回路，断开正常工作的交流电路，同时通过计算机启动备用电源工作，以及完成对过电压的瞬时值和峰值的测量。

2.1过电压检测电路

过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件（IC）。典型过电压形成的冲击电压脉冲如图2所示。

过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生的时侯（微称或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。

过电压检测电路原理图如图3所示。当有过电压信号产生时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值甚至接近短路状态，这样在电流互感器的原级产生一个大电流，通过线圈互感作用在副级产生一个小电流，再通过精密电阻把电流信号转变为电压信号；这个信号输入到电压比较器LM393后，电压比较器LM393输出高电平，经过非门A输出的控制脉冲1控制电源回路，断开开关电源电路，启动备用电源。控制脉冲2送到单片机的中断中，单片机控制回咱启动A/D转换，采样过电压的瞬时值。

2.2峰值电压采样保持电路

峰值电压采样保持电路如图4所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi>V0时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi<V0，电压比较器LM311输出低电平，LF398的逻辑控制端置低电平，使LF398处于保持状态。由于LM311采用集电极开路输出，故需接上拉电阻。由过电压检测电路输出端送来的脉冲控制电路开关的导通，没有过电时采样电容放电，否则采样电路一直跟踪峰值的变化。

2.3单片机控制回路

单片机控制回路如图5所示。它的主要功能是完成对过电压的瞬时值和峰值的检测、过电压次数的检测、电源输出电压和电流的检测，并通过键盘的操作显示出各个检测值的大小；同时通过485接口和上位机实现通讯，在有过电压的时候通过控制回路启动备用电源，实现对电源本身的保护。

3软件设计

系统软件主要由主程序、键盘扫描子程序、显示子程序和通信子程序等组成。图6是主程序流程图。

主程序由初始化、看门狗置位、键盘扫描子程序、中断子程序组成。主程序主要进行分配内存单元、设置串行口等器件的工作方式和参数，为系统正常工作创造条件。在主程序运行的过程中，通过按键可以显示检测的各个量的值；同时在系统过电压和干扰信号产生时，液晶显示屏会显示提示信息，使电源实现“透明”，便于电源的管理。在本系统中，键盘采用的是由P1口组成的3×3行列矩阵式键盘。由于键盘程序的技术已经相当成熟，所以具体过程不做介绍。

图5

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关键字：直流稳压 整流 滤波 变压器

市电220V AC经过变压、整流、滤波、稳压四个过程后形成了所需要的直流稳压电源，实现了市电220V向直流电压的转换如图1所示。设计直流稳压电源的过程恰好和上述过程相反，应先从最右边的直流电压稳压输出部分开始，向左边推导、设计电路。

现直流稳压电源设计步骤归纳如下：

1、确定电源的输出电压UOUT、最大电流IOUT

首先应先确定电源的电压和电流，同时能够确定负载电路的功率。设计直流稳压电源最终是为了给负载供电，所以在设计之前就要搞清楚负载到底需要多大的电压和电流。负载的工作电压一般都可以通过分析电路获得。例如负载可能是一只灯，也可能是一台收音机或者电视机等电子设备。作为负载一般都有额定工作电压，即电压是一个某一固定值或一定范围的值，为分析问题方便我们一般选择电压固定输出，即UOUT确定。负载的电流往往不是一个恒定值，大部分负载所需电流会随着状态的改变而变化，如负载电流会随着音量的升高、显示器画面亮度的增加而增加。在电源设计时我们要计算出电流可能出现的最大值，这个值我们记为IOUT。

2、稳压电路设计

假设负载工作电压为UOUT = 5V DC，最大电流为IOUT = 500mA。电流和电压78系列三端稳压器所能承受的最大电流，故考虑使用78系列三端稳压器进行稳压。7805三端稳压器能够提供5V稳定电压和最大1.5A的输出电流，故选之。

3、整流滤波设计

整流选择桥式整理，整流管选择常见的1N4007。

滤波可以选择用大容量点解电容进行滤波，理论上滤波电容容量大滤波效果好，一般选取时根据电路的功耗来估算，负载功耗小一般取1000μF；负载功耗大，或对电源要求质量高的电路，例如音频功率放大器，电容取值一般较大，有时取值在10000μF以上，本电源中取1000μF电容即可。

确定电容容量的同时要注意其耐压值不能小于施加在其两端的电压，否则电解电容可能会因为电压过高发生爆裂。本设计中选取耐压值要考虑变压器副线圈电压的大小，在此先选择耐压为25V的点解电容，滤波电容确定为1000μF/16V的电解电容。

在滤波电容和稳压器之间为克服导线的电感效应而加一只小电容，该电容的容量为0.1μF～1μF之间，本设计中选择0.1μF/16V电容。

在稳压器输出端加滤波电容以稳定输出电压，该电容不用太大，选择470μF/16V。

4、变压器选择

变压器能通过原副线圈的匝数比来改变输出电压。在该设计中我们选择能将市电220V AC电压值变小的降压变压器，到底变压器副边线圈输出电压多大才合适呢？

首先考虑78系列三端稳压器输入端IN电压至少要比输出端OUT 高出3V，所以整流滤波之后电压应大于5V+3V = 8V。

其次假设变压器经变压之后副边线圈电压有效值为U2则U2 = 8/1.2 = 6.7V，所以变压器选择副边线圈电压为8V的比较合适，

变压器的最大功率应该考虑负载的功耗，负载的最大功耗为POUT = = UOUT ×IOUT = 5×0.5=2.5W，考虑一定的余量应该选择的变压器功率大于3W，所以本次设计的变压器功耗为3VA，这样表示指的是变压器的视在功率为3VA。

再回头看一下7805输入端电压为8V，我们选择电容的耐压值都是16V，能满足条件。

至此，我们已经确定了直流稳压电源的各个部分，该电源的原理图如图所示：

参考文献：

[1]模拟电子技术基础，华成英，高等教育出版社.

[2]电子设计从零开始，杨欣，清华大学出版社.

[3]模拟电路项目教程， 张杰，韩敬东，北京交通大学出版社.

作者简介

王然升（1980年3月），男，汉族，山东诸城人，讲师，烟台师范学院，学士，主要从事电子电路方面的教学工作。

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当我们发现智能家电与工业4.0与我们渐行渐近的时候，我们却发觉社会的基础设施并没有完全准备好接纳这个数字化的世界，在下文中我们将对智能用电器的核心适配设施进行研究实践。作为智能用电器，本身具备较高的应变能力，这种情况的已通过两种方法实现：一、自身植入各种应变模块化程序；二、通过信源信号与云网连接，将自身拾取的环境信息交给云端服务器解决，云端再将处理意见与执行代码发送给智能用电器。这里第一种解决方式从20世界60年代以后就已在全球得到应用，但也存在较大的缺陷，其中最突出的问题是产品升级与信息存储量的局限性，这也直接导致了电器在“智能”方面的局限性。而第二种途径是在云物联发展的今天，我们期待它能被广泛应用。通过云端信息处理的物联网技术，我们可以将“地球大脑”时刻与用电器相连通，将社会的地理信息、历史文化、金融趋势、科技程序等时刻传输给用电设备，让设备的智能程度得到巨大提升。作为用电器本身，电源是最基本的能量来源，类似给养生命的血液；而各种信源信号，类似各种神经脉冲，通过各种弱电的传输，用电器才实现了多功能化与智能化。由于品牌厂商与第三方运营的云平台神经中枢般的处理信息功能，用电器将仅仅需要实现传感器与效应器的功能。要达到这种稳态，我们需要有稳定电源与信源传输，虽然电源传输在上世纪30年代就已经稳定，但信源传输的一直采用多种适配接口，或灵活简易如WIFI、ZigBee等无线方式，而由于传统强电与弱电容易产生电磁干扰的原因，电源与信源的集成传输与适配的发展一致严重滞后。由于各种集成或灵活的信源在用户安全及信号稳定性方面有着较大的缺陷，试想一个医用的机器人在工作期间由于WIFI信号的不稳定，导致云端的医生通过远程视频操纵手术刀失误，这可能产生以生命为代价的后果。至此，电源与信源的集成稳态传输与适配连接，是用电器智能化发展的基础设施工程，而电源与信源Unite模块化产品是其中对于趋势化的实践之一。电源与信源Unite模块化产品是指将电源与多种信源信号通过电磁屏蔽导线集成混合传输，并可以提取对应电源与指定信源的适配端产品。由于电网与电信行业的业务在各国分属不同的利益集团，电源与信源的同步传输一直未得到大规模推广使用。就目前技术水平而言，通过电磁屏蔽材料包裹住弱电传输的导线，之后与强电共载传输已达到推广使用的阶段，而随着美元升值的预期，大宗商品的价格逐级下降，铜线及合金屏蔽材料的价格降幅巨大，产品成本已适合量产。

2设计需求

在传输端的协同效应方面，目前的量产技术已成熟，没有实现的原因在于电网与电信的利益分配。而目前对于适配端的研究在国际上还处于初级阶段。虽然如USB接口、1394接口等能够实现电源与信源共载的适配方式已被广泛应用，但这些产品仅仅实现了小功率直流电的适配，大功率的用电器更本无法使用。基于目前的实际条件，在传输端共载，而在适配端实现分流是符合目前实际的方法。电源与信源Unite适配端产品的主要功能是将原有集成混合电源与各种信源提取出来，并可以互换卡槽位置，实现适配。因此产品具有以下特点：一、具有电磁屏蔽材质将弱电与强电进行屏蔽后集成传输。二、产品将集成导线中的信源、电源提取出来。三、产品将信源与电源对应传输到各种电器常用的标准接口。

3功能定位

根据方法总结，采取如下的实践方案：提供了一种新型的信源适配器与电源适配器结合及局部替换系统，使用者可以拆下任何适配端进行替换，也可以将多个电源适配端替换信源端口进行并联，该产品可以集成家庭及企业中目前所需的多种信源与电源。其中电源为220V的民用交流电，信源可以包括多种，目前为了便于实施，暂定为网络信号、电话信号和有线电视信号，在未来的推广过程中，可以用各种信源X代替，如信源1、信源2，其中X属于正整数。

4方案构思

电源与信源Unite模块化产品的具体方案将是满足使用者对电源与信源的集成适配，相互之间可以拆装互换各种信源卡槽位置需求的一种电源与信源Unite适配端。产品要包括网络信号适配端、电话信号适配端、有线电视适配端、电源适配端，所述网络信号适配端、电话信号适配端、有线电视适配端与电源适配端一起插在电源与信源Unite适配端的基座上，并通过纵向固定分隔档、横向固定分隔档与适配器开关后的圆柱进行位置固定。

5结构图

本产品包括电源与信源Unite适配端功能器：1、网络信号适配端2、电话信号适配端3、有线电视适配端4、电源适配端5、适配器开关6、适配器外壳7、适配卡槽8、纵向固定分隔档9、横向固定分隔档10、网络信号接口11、电源接口12、电话信号接口13、有线电视信号接口14、适配器基座接口15、适配端上有线电视适配接口卡槽16、适配端上电源接口卡槽17、适配端上电话信号接口卡槽18、适配端上网络信号接口卡槽19、分适配器侧面；网络信号适配端是产品从集成源中提取出网络信号的分适配器，可以插拔并与其他适配端互换位置；电话信号适配端是产品从集成源中提取出电话信号的分适配器，可以插拔并与其他适配端互换位置；有线电视适配端是产品从集成源中提取出有线电视信号的分适配器，可以插拔并与其他适配端互换位置；电源适配端是产品从集成源中提取出电源信号的分适配器，可以插拔并与其他适配端互换位置；适配端开关可以控制整个适配端开始/停止工作的换档按键；适配器外壳采用ABS材料；适配卡槽将用于将各个适配端插入纵向与横向分割档的框内，与适配器开关后的圆柱主体部分一同起到的固定各个适配端的作用；网络信号接口是适配器基座上构成中心对称的四组突出铜线的网络接口；电源接口是适配器基座上构成中心对称的四组突出铜线的电源接口；电话信号接口是适配器基座上构成中心对称的四组突出铜线的电话信号接口；有线电视信号接口是适配器基座上构成中心对称的四组突出铜线的有线电视信号接口，内部线路包裹设屏蔽网；适配器基座接口放大图是上图的细节放大图，将产品基座放大，描述各接口位置及细节；适配端上有线电视适配接口卡槽，在每个适配端上都有有线电视适配接口卡槽，但只能在有线电视适配端内部能够实现通路，这样既能实现效果，又能实现适配端替换装配；适配端上电源接口卡槽，在每个适配端上都有电源接口卡槽，但只能在电源适配端内部能够实现通路，这样既能实现效果，又能实现适配端替换装配；适配端上电话信号接口卡槽，在每个适配端上都有电话信号接口卡槽，但只能在电话信号适配端内部能够实现通路，这样既能实现效果，又能实现适配端替换装配；适配端上网络信号接口卡槽，在每个适配端上都有网络信号接口卡槽，但只能在网络信号适配端内部能够实现通路，这样既能实现效果，又能实现适配端替换装配。

6总结

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关键词：线性稳压器；开关稳压器；电源

中图分类号：TP303+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）11-2656-04

Abstract： Analyzes the basic principles and characteristics of the DC-DC regulator， analyzes and compares the performance and structure of the principle of linear regulator and switching regulator， and provides a variety of important factors in the actual situation of the DC-DC design. Describes to the basic method of power chip selection， and provides a reference for the DC power circuit design.

Key words： linear regulator； switching regulator； power supply

电源的应用无处不在，所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源的支持。输出直流称为直流电源，由前端直流转后端直流的称为DC-DC变换器，而直流转交流的变换器称为逆变器。所以，DC-DC变换器是用于提供DC电源的电路或模块。

1 DC-DC变换器的主要分类

1.1 线性型（Linear）

线性型变换器：可以从电源向负载连续输送功率的DC-DC变换器。线性型变换器通过在线性区域内运行的晶体管或场效应晶体管（Field Effect Transistor或FET），电路的输入电压中减去超额电压，调节从电源至负载的电流流动，从而产生经过调节的输出电压。

1.2 开关电源型（Switcher）

开关电源型变换器：以脉宽方波的形式从电源向负载输送功率。其特点是开关器件的周期性开通和关断（定频型、变频型、定变混合型）。将原直流电通过脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation）或脉冲频率调制PFM（Pulse Frequency Modulation）来控制有效的直流输出。PWM调制稳定电压的方式是，在开关频率不变化的前提下，依靠脉冲宽度的增大或缩小改变占空比例，进而调节电压达到稳定，它核心部件是脉宽调制器。在PFM调制方式运作的时候，脉冲宽度是固定的，开关频率的增加或减少控制了占空比，使得电压保持稳定，脉频调制器是它的核心部件[1]。

2 线性稳压器（Linear Regulator）

线性稳压器如78XX系列三端稳压器等，是一种无需使用开关元件而能提供恒定电压恒定电流输出的DC-DC转换器。

2.1 线性稳压器的工作原理

线性稳压器和输出阻抗形成了一个分压网络。线性稳压器等效于受控的可变电阻器，可根据输出负载自行调解以保持一个稳定的输出。输出电压通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻采样，误差放大器的同相输入端连接到一个参考电压Vref。误差放大器试图使其两端输入相等2.2 线性稳压器的类型

线性稳压器中的元件是双极型晶体管或场效应管MOSFET。双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输入电压并拥有更好的瞬态响应。MOSFET低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Regulator）能支持非常低的压降，低静态电流，改善噪声性能和低电源抑制。为使线性稳压器处在正常工作状态之下，Vin和Vout之间最小压差称为压降电压（Drop-out Voltage），不同的稳压器结构会产生不同的压降电压，这也是几种线性稳压器的最大区别。如LM340和LM317这些稳压器使用NPN达林顿管，称其为NPN 稳压器（NPN Regulator）。然而低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准LDO稳压器（Quasi-LDO）为新型电源设计提供了更高性能[2]。

2.3 LDO的应用选择

开关稳压器是一种采用开关组件与能量存贮部件（电容器和感应器）一起输送功率的DC-DC转换器，它提高了电源转换效率和设计灵活性。开关稳压器主要分为以下两类：电感储能开关稳压器和无电感型开关稳压器（充电泵）。

3.1 电感储能开关稳压器的工作原理

电感用于储存能量及向负载释放储能，电感在开关管开通状态下从Vg获得能量。

4 DC-DC变换器的应用选择

5 结论

通过分析比较最常见的两类三种直流稳压电源，了解了直流稳压电源的结构及构成原理，提出了电源电路环路控制的设计方案，为直流稳压电路正确合理的设计提供了参考方案。根据不同的实际设计需要和参数选用不同类型直流稳压电源，有利于整个系统平稳安全的工作。

参考文献：

[1] 杨建伟.谈开关电源的原理和发展趋势[J].科技与企业，2012（22）：359.

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[4] 王学智.开关电源的原理和发展趋势[J].黑龙江科技信息，2007（11）：21.

[5] 严惠琼，都思丹.新型National系列半导体电源芯片分析综述[J].南京大学学报，2007（43）：35-46.

篇6

【关键词】机电设备；开关电源；设计

1.机电设备中开关电源的工作原理

1.1 原理简介

在节电设备的开关电源中，开关元件主要是利用电子技术通过半导体等相关的元器件对开关的打开以及关闭进行控制，从而有效的保证电压能够稳定的输出。通过开关电源能够使得晶体管能够实现接通与关闭，晶体管导通的情况下，电压比较低，电流比较大；晶体管关闭时，电压比较高，电流比较小。半导体元件中电压与电流的成绩就是该元件的损耗量，所以说此类开关电源能够在损耗比较低的情况下能够提供多种直流电源。

在PWM工作的时候其首先是将输入电流的电压进行斩波，从而将其转换为与输入电压幅值相同的脉冲电压。对于机电设备开关电源的调节主要是通过脉冲的占空比进行控制的，通过PWM将其斩波为交流方波之后，就可以通过变压器等设备对幅值进行控制。想增加电压的组数，只需对变压器的绕组数目的增加就可以实现。通过整流滤波的作用，就能够获得我们所需要的直流电压。

在对机电设备开关电源的设计中，输入能够从母线出获取，这是对于变频器的特点进行分析得出的结论。在开关电源的设计中主要包括以下几个方面：输入电路、功率因数的校正以及转换、输出电路和频率振荡器等部分。

若想实现电能的转换主要是靠高频的电子开关实现的，根据数据分析可知若接通占空比的高地决定着负载电压的高地。

1.2 UC3842的反激式原理简介

对开关电源的分类通常有反激式变换器以及正激式变换器两种，在本文中笔者将对反激式变压器进行着重讨论。反激式变换器主要指的是变压器的初级性与次级性时不同的，而正激式变换器则与之相反。

对于反激式变换器的工作原理介绍：在打开的时候，Q1为导通的状态，在LP的两侧对其加以电压U0，此时的电流就会呈线性增加的方式进行升高，反激式变换器则进行储能作用；反激式变换器的此时的电压为N0/N2与Vm以及D的乘积，在这个时候位于L5两侧的电压上方的为负电压，下方的为正电压，但是D0由于反偏的作用就会停止。在其关闭的时候，Q1处于关闭状态，此时其中的电流为0，但是在原边中的电压的极性则呈反向，相应的副边电压也会发生调换，这时候之前所储存在变压器中的磁能就会转变为电能进行释放。

对于单端的反激式变换器来说，在其开关导通的时候能够进行电能的储存，在将开关关闭的时候能够将之前所储存的电能进行释放，所以说高频变压器不仅具有变压、隔离的作用，同时还是一种能够进行能力储存的元件。

2.关于开关电源的设计细节

2.1 所选用的器件介绍

通过UC3842能够产生PWM波形，能够对电流方式进行很好的控制。在这种电路中不但具有振荡器，而且具有能够为温度补偿提供参考等作用，若想有效的驱动MOSFET，就必须选用大电流图腾柱输出。

在UC3842中，首先要在其引脚的电路的1脚要求与定时电阻和电容之间进行连接，其作用是控制震荡频率；2脚与阻容元件之间进行连接，其主要作用就是对误差放大器的频率进行补偿；其3脚要与反馈电压的输入端之间进行连接，这样才能够实现其电压转向反响输入端的功能；与4脚进行连接的则是电流的检测输入端；；7脚的作用为基准的电压输出。

在TL431电路中的电压基准与齐纳管的运行为同种原理，利用外部电阻能够实现对其电压编程为40V，通常将其坎作为能够维持电压稳定的二极管，在其两端的输出电压主要是由它外部所连接的电阻所决定的。当TL431的输出电压提高的时候，就会使得其中的晶体管VT能够导通，其输出电压相应的就会降低。

由于在开关电源的输入端的电源大多都是从直流的母线中所取得的，在反激变换功率关断的时候就会使得电压出现顶峰，为了对电路进行保护就必须对其采取相应的措施以抑制。通过RCD能够有效的缓解存在于元器件两侧的过电压。通过RCD电路的设计，根据楞次定律的相关知识可以知道，当关断MOS的时候，能够在变压器的原边中形成一个非常高的瞬时电压，由此可见在设计选择MOS的时候要保证其能够承受的电压在实际电路输入电压的1.5倍以上。

2.2 关于电路

在机电设备的开关电源的设计主要是为了实现对于功率开关管的控制以及IC的控制，其电源的供给主要是通过直流母线，之后再设计各种电压的开关电源。在本文中笔者将对10V的开关电源的设计过程进行阐述，向大家讲解机械设备的开关电源设计中的关键。

UC3842这种芯片能够很好的实现对电流控制的功能，这种芯片主要是通过对频率的调节从而实现对输出电压的有效控制。在其工作的状态中在滤波器的作用下，能够对开关的噪音以及谐波等进行滤除。交流电压之间形成一个能够抗串膜的干扰电路，主要就是为了能够对噪声实现其抑制的作用。

电路中的交流电源能够在经其处理之后进去到整流器之中，从而获得我们所需要的电压。也就是说通过滤波电容的输入将输入电压中所存在的一些干扰因素进行去除，从而得到一个稳定的输出电压。

对于启动电路中主要包括电阻以及电容，若想保证其在启动之后能够正常工作，首先要保证其功率能够达到2W，在电容中所存储的能量要保证能够满足开关电源启动时的需求，不能够低于150uF。

由于此电源开关中有很多电路输出，不能够单纯的对其中的某一路进行反馈，所以说要在电路中设计一个反馈线圈来进行对电压的反馈，由此实现对没路输出进行很好的控制。通过整流滤波的作用能够为人们提供一个相对较为稳定的电压反馈。

在通过UC3842对电路进行保护的时候，如果输入端出现短路的情况，就会导致过流的现象，从而导致漏极电流明显的提高，其中的电压也会有明显的提高。

如果引脚中的电压超过2V的时候，比较器中就会输出比高电平，这样就会使锁存器复位，输出也就会随之而关闭。在这种情况下芯片的引脚中是没有输出电压的，从而达到了保护电路的目的。如果电路中的电压太高，不能够很好的实现对占空比的调整，就会导致变压器中的电压升高，从而输出也会关闭。

在电路短路的情况下，电流的突然增大所产生的热量就会使电阻值增大，实现断路的作用，经过技术解决之后，自恢复开关便能够恢复其阻抗值。

根据示波器的显示我们可以发现，在直流母线的上电过程中电压不够稳定，但是在芯片的调解下，能够有效地保证电压输出，由此可见其抗干扰的能力是非常强的，所以在一些比较复杂的环境中也能够正常的工作。

在机电设备开关电源的设计中要实现电源通道之间的相互隔离，只需在原基础之上加入一些新的元器件就能够达到我们的目的，投资不高，能够更好的对变频器进行利用。根据机电设备中开关电源的使用调查情况可以发现，此电路系统是非常安全的。

3.变压器的设计细节

3.1 变压器参数

变压器的工作频率为50kHz，变压器的工作周期为30us，其工作效率η为0.87；变压器的电压为220v±50%，所以其范围为110v—330v，该变压器的输出功率为120w。

3.2 变压器设计过程

在变压器的设计过程中首先要按照整流管的损耗选择合理的刺心，变压器的输入功率通过计算式计算为率P输入=P输出/η=120/0.87=138W。变压器的磁芯一般都是选用铁氧体的磁芯，主要原因是由于这种磁芯的电阻率比较高，而且价格比较便宜。

UC3842能够有效的对电流的峰值进行控制，在其正常运转的情况下，该芯片的占空比要小于0.6，在变压器的设计过程中占空比按照0.5进行计算，所以说在变压器的工作过程中开关管的导通时间为12.5微秒，变压器的输入电压为180v。

变压器工作过程中的磁通密度也非常重要，在其温度处于100摄氏度的时候其磁感应强度为400mT，将此时变压器的振幅折中计算，此时交变电流的磁通密度为0.238T。

对于边缘线的匝数的计算时，首先要掌握变压器中磁芯的有效面积，不同的变压器的型号可以找出其中的固定数值等方面进行计算。变压器的电源输出端与负载之间连接的时候通常都会使得电压降低，在变压器的设计中就要在设计基础之上对每个输出电路多设计出一匝，这样能够得到一个要高一些的电压，自后再由稳压器的转换得到我们所需要的电压。

4.结语

对于机电设备开关电源的设计具有非常高的要求，在对于开关电源的设计中只有很好的把握好其中的技术关键才能够保证设计成功。

由于机电设备经常性的开启和关闭，所以在设计开关电源的时候要保证能够在电磁干扰比较低的情况下为其提供稳定的电源，通过选取合理的电容值，避免波纹的出现对机电设备的供电产生影响。由于机电设备开关电源在性能方面比较优越，在未来的机电设备中的应用会变得越来越广泛，所以对于此类问题的研究还要不断的深入。

参考文献

[1]张帅，李俊刚，王兴.开关电源设计[J].科技资讯，2011，34.

篇7

（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710068；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）

摘要：针对某型号光纤陀螺老炼测试需要长时监控、数据存储和故障保护等需求，采用工控机与MC9S12XEP100MAL单片机相结合的方案，设计光纤陀螺供电电源监控系统。该系统可以实时监控12路光纤陀螺供电电源的输出电压和输出电流，且具有数据存储，过压、欠压和过流等故障保护功能，达到了预期的技术指标，可以满足光纤陀螺老炼测试的要求。

关键词 ：光纤陀螺；电源监控；MC9S12XEP100MAL；RS 485

中图分类号：TN86?34；TP274 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0152?04

收稿日期：2014?12?25

基金项目：航空科学基金：机载电子芯片热模型研究（20100231001）

0 引言

某型号光纤陀螺在老炼测试时往往是多个陀螺成组进行测试，每一个陀螺都由线性隔离电源独立供电。由于对光纤陀螺的老炼测试一般都在几十小时，甚至上百小时不间断，这就要求供电电源连续可靠地工作。反之，一旦电源过压、欠压或者过流就会损坏待测陀螺，造成巨大的经济损失。因此，对光纤陀螺供电电源进行监控，不仅可以实时记录电源的输出电压电流，有利于分析陀螺的工作状态，而且在电源出现过压、欠压或过流时，可以自动切断供电电源，从而起到保护光纤陀螺的作用。

本文采用研华的Advantech IPC?610H 工控机作为上位机，基于LabVIEW 设计了12路陀螺电源数据监控界面及数据存储程序。选取MC9S12XEP100MAL 单片机作为下位机监控电路的主控芯片，实现了陀螺电源输出电压和输出电流的实时采集，以及过压、欠压和过流等故障保护。采用Modbus协议的RTU 模式，实现了上位机与下位机的数据传输。基于上述技术，实现了12 路光纤陀螺供电电源输出电流和电压的实时监控。

1 光纤陀螺供电电源监控系统方案

1.1 技术要求

光纤陀螺供电电源监控系统要求能够监控12个光纤陀螺供电电源。这12 个电源均采用朝阳4NIC?X20线性电源，各电源独立隔离供电。4NIC?X20 线性电源的输入为AC 220 V，输出电压为+5 V和-5 V，两路的输出电流最大均为2 A。

具体的技术要求如下：

（1）同时监控12个光纤陀螺供电电源；

（2）每一个陀螺供电电源的输出电压和输出电流采样必须为隔离采样；

（3）一旦某个电源出现过压、过流或欠压故障，电源监测系统立即切断该电源的AC 220 V 输入，同时进行声音报警（只有排除故障后，供电系统重新上电才可以恢复供电）；

（4）上位机实时显示陀螺电源的输出电压和电流，并实时记录各电源的输出电压、电流。

1.2 系统方案设计

根据光纤陀螺供电电源监测系统的技术要求，光纤陀螺供电电源监测系统方案[1?2]设计如图1所示。

在图1中，AC 220 V交流电通过继电器组控制后为12个光纤陀螺电源供电。监控电路分为3组，每组监控4个电源，共同检测12个电源的输出电流和电压，一旦检测到某个电源出现过压、过流或欠压等故障，则可以通过控制相应的继电器实现AC 220 V交流供电的自动切断，起到保护光纤陀螺的作用。

3组监控电路再通过RS 485网络连接至上位机，实现陀螺电源输出电压、电流数据的上传。RS 485 串行数据通信卡选用研华的8 端口RS 422/485 通用PCI通信卡PCI?1622CU。上位机采用研华的AdvantechIPC?610H 工控机，实现陀螺电源电压、电流数据的接收、显示、报警和存储。

2 监控电路设计

光纤陀螺供电电源监控电路主要由电流、电压隔离采样电路、A/D采样电路、单片机及其外围电路、RS 485隔离通信电路、继电器控制电路和继电器组构成，如图2所示。

在图2 中，每一组监控电路可以监控4 个陀螺电源。由于每个陀螺电源输出为+5 V 和-5 V 两路电压，监控电路需要对8路电压信号和8路电流信号进行隔离采样。

2.1 单片机选型

选择飞思卡尔MC9S12XEP100MAL 单片机作为监控电路主控芯片。MC9S12XEP100MAL单片机是飞思卡尔16位单片机，最高总线频率可达50 MHz，具有16个模拟量输入通道，转换精度为12位，可以满足监控电路对8路电压信号和8路电流信号进行A/D转换的需要。

2.2 隔离采样电路设计

电压采样电路选取BB公司的变压器隔离放大电路ISO124 进行陀螺电源输出电压的隔离采样，具体的电路图如图3所示。

ISO124 为精密变压器隔离运放，放大倍数为1∶1，非常适合陀螺电源输出+5 V电压的隔离采样。

电流采样电路选取LEM 公司LA25?NP/SP7霍尔电流传感器进行电流信号的隔离采样，具体的采样电路如图4所示。

LA25?NP/SP7 霍尔电流传感器的变比为1∶100，原边额定电流为2.5 A，最高测量频率为150 kHz。

在图4中，电阻R3取值为200 Ω，则可以计算出当原边输入电流为2 A时，输出电流信号If1为4 V。

2.3 RS 485通信电路设计

为了提高系统的抗干扰性能，选取集成光电隔离功能的ADM2484作为RS 485通信电路的电平转换芯片，设计好的隔离通信电路如图5所示。

2.4 保护电路设计

为了确保光纤陀螺安全可靠地运行，设计了如图6所示的过压、过流和欠压保护电路。

在图6中，输出电压的过压值设置为+5.5 V，欠压值设置为+4.5 V，过流值设置为2 A。

当监控电路检测到某个陀螺电源出现过压、过流或欠压等故障时，单片机将对应的I/O端口输出信号IOPA1置为低电平，则光电耦合器TLP121输出为高电平，使晶体管Q1 导通，继电器JDQ2 的线圈得电，其常闭触点JDQ1 断开，切断该陀螺电源的AC 220 V 输入，从而实现陀螺电源出现过压、过流或欠压等故障保护。一旦陀螺电源保护，只有整个陀螺电源供电模块重新上电才可以恢复供电。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括上位机监控软件及监控界面设计、通信协议设计和下位机软件设计三部分。

3.1 上位机软件设计

采用LabVIEW 2013 来设计测控软件的上位机界面以及与下机位的通信程序。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineer?ing Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，提供了很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面，快速轻松采集实际信号、进行分析以确定有用的数据、通信或存储结果[3?4]。设计好的上位机光纤陀螺供电电源监控界面如图7所示。

在图7中，系统可以同时监控12个光纤陀螺供电电源的+5 V 输出电压和输出电流，-5 V 输出电压和输出电流，并且显示电源的当前工作状态，是否出现过压、过流和欠压等故障；一旦出现故障，相应的指示灯会由绿色变为红色。

3.2 通信协议

工控机与下位机单片机之间的通信协议采用Mod?bus 协议中的RTU 传输模式，波特率为38 400 b/s。其中，工控机作为主机，光纤陀螺供电电源监控电路1~3为从机[5?6]。

3.3 下位机软件设计

下位机软件设计主要包括系统上电初始化子程序、10 ms中断子程序，串口数据发送/接收中断子程序三部分。

（1）上电初始化子程序。系统上电后，首先需要进行系统的初始化设置，包括MC9S12XEP100MAL单片机处理器初始化、A/D采样模块初始化、10 ms定时中断模块初始化，以及RS 485 串行接口的初始化。初始化程序流程如图8所示。

（2）10 ms 中断子程序。在10 ms 中断子程序中，主要完成4个陀螺电源的8个电压信号和8个电流信号的采集。10 ms中断子程序流程如图9所示。

在图9中，当10 ms中断产生进入中断子程序，单片机对16 个A/D 通道顺序进行转换，并对转换后的电压电流数据进行处理，然后将其存入对应的数据缓冲区，等待上位机请求数据时通过串口发送返回。电流电压数据处理主要包括将A/D 转换结果变换成对应的实际电流电压值，以及进行电压的过压、欠压判断，电流的过流判断。一旦出现过压、欠压或过流等故障，单片机立即启动保护电路切断陀螺电源的AC 220 V输入。

（3） 串口数据发送/接收中断子程序。工控机与3 路监控电路之间的通信采用主从通信模式，即工控机向3路监控电路发送数据请求命令，监控电路在响应主机请求时返回8路电压信号数据、8路电流信号数据和陀螺电源的工作状态数据。为了减少串口数据发送/接收对单片机资源的占用，提高处理的效率，系统采用中断的方式完成串口数据的接收和发送。串口中断服务程序流程如图10所示。在图10中，当串口中断产生时，串口中断服务程序首先判断串口中断的来源，进入串行数据接收或串行数据发送子程序。发送数据时，从系统的发送缓存区读取数据，写入相应的串口寄存器发送；接收数据时，从相应的串口寄存器读入数据，写入系统的接收缓存区。

3.4 数据存储

工控机接收到监控电路返回的电流电压数据后，除了将数据显示在监控界面中，还定时将数据以Excel文件的格式存储到工控机的硬盘中，以备陀螺电源运行数据的查询。其中，数据存储时间为10 s。

4 结论

本文采用工控机与MC9S12XEP100MAL 单片机相结合的方案，基于LabVIEW编程技术、隔离信号采样技术，以及RS 485串行通信等技术，实现了光纤陀螺供电电源监控系统的设计。该系统可以同时监控12路光纤陀螺供电电源的输出电压和输出电流，且具有数据存储，过压、欠压和过流等故障保护功能。现场实际应用表明，该光纤陀螺供电电源监控系统电流、电压采样精度高，数据采集和显示实时性好，故障保护功能可靠，满足了光纤陀螺老炼测试需要长时间监控、数据记录分析和故障保护的要求，达到了预期的技术指标。

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篇8

关键词：开关电源；软开关；硬件设计

0 引言

开关电源是一项电子化技术，其使用功率转换器实现电能间的转换，转换后的电能用来满足各方面用电的需要。其较线型电源重量更轻、体积更小、效率更高，在计算机、电视机、自动化控制设备、通信设备等各领域得到广泛的应用。

1 开关电源基本工作原理

开关电源有许多种形式，尤其是以调制型脉冲的宽度（PWM）最盛行，目前以该种形式开关电源的工作原理进行介绍。

主回路指由电网把能量传给负载的一种回路，其他回路则被称为控制类回路。

电网的交流电经滤波整流电路的输入，进而获得直流高波纹电压，此后经过变换功率电路，转换成满足要求的波脉动电压，再经整流形成连续直流低波纹电压。

控制类回路在将开关高压T动脉冲提高的同时，要实现电压稳定输出的控制，此外还要保护负载和电源元件。其通常是由检测放大型电路、震荡时钟电路、电压脉冲转换V/W电路及自用的电压等电路组合而成。

2 软开关相关技术

目前的电力电子设备发展主要趋势为轻量化。小型化，且对于装置效率和电磁的兼容问题要求更高。通常，变压器、滤波电感及电容在装置重量和体积中所占比例较大。所以，要达到装置的小型化、轻量化，就必须想办法降低他们的体积与重量。由“电路”的相关知识可知，工作效率的提高可以使变压器绕组间匝数减少，同时还可以使铁心体积减小，从而让变压器往小型化发展。因此高频化电路是设备轻量化、小型化的有效途径。然而在提高开关频率的同时，增加了开关的损耗，使电路运行效率降低，增大了电磁的干扰，可以知道简单提高电源开关的频率并不能从根本上解决问题。

软开关相关技术的出现能够使这些问题得到解决，其主要利用谐振辅助转换电流的手段，解决了电路中开关的损耗及噪声等问题，大幅度提高了开关频率。

3 高压软开关充电电源硬件设计

3.1 主电路的选型

在开关谐振技术中适合于电容脉冲充电的是谐振串联电路，其输出结果近似看做恒流源（等台阶充电），其优点为充电的效率较高，且可以保护固有的短路。因为电源的功率过大，全桥电路且高频变压器副边采取整流桥二极管整流。

3.2 电路工作方式与原理

直流（经过市电整流的）电压经电路而逆变成频率较高的交流方波电，该种高频交流方波电经过高频的变压器升压，经过二极管的整流桥进而得到稳定的电流，给电容充电。

设：IGBT开关的频率为fs， 谐振的频率为fr。

谐振串联变换器工作方式以fs的大小主要有三种方式：

（1）第一种方式（fsfs>fr/2） 电流处于连续的工作状态，实现电流为零切断。但在开通过程中，同一个桥臂的两开关有强制换流现象，所以开关的损耗和干扰较大；（3）第三种方式（fr

现对图3-1负载串联DC-DC变换器三种工作方式进行分析。

由图得出，Cr与Lr形成串联型谐振，同负载相互串联，经谐振后的电流于负载一端被整流。在输出端滤波的Cf足够大，可以认为Cf两端的电压为直流无波纹电压。若简单进行分析则可忽略谐振电路损耗过小的电阻，输出电压V0反射至整流桥输入端，用VCB表示，若IL为正值，VCB=V0，IL为负，VCB=-V0。

如果开关T加导通，当IL电流为正，电流流过T+，否则，流过D-二极管；

同上，当IL电流为负，若T-导通，流过T+；否则流过D+二极管。所以，图1（a）有以下四种情况：

1.当IL>0时

T+导通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2-V0；

D-导通： VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2-V0。

2.当IL

T-导通： ：VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2+V0 ；

D+导通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2+V0。

谐振槽上的电压VAC由IL电流方向和哪一开关导通来决定。上面的方程表达的4种情形可由图1（b）的等效电路表示。要引起高度的重视，采用这一电路要根据不同时间的间隔进行计算。各间隔内，应确定初始状态条件，且要把VAB和VCB看做同一直流型电压。

当处于稳定对称的工作状态时，两开关处于相同的状态，同样，两个二极管也处于相同的状态，所以，只需要对运行的半个周期进行分析即可计算得到整周期运行状态，这是因为另外半个周期运行的状态和这前一半周期运行状态是相互对称的。

4 结语

本文结合当前开关电源的发展趋势，在系统学习开关电源原理的基础上，了解开关电源的主要设计过程及其相关方法；并争取在电源的设计和制造等工作中加以应用，希望能给同行提供借鉴意义，促进高压软开关充电电源硬件设计的良好发展。

参考文献：

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关键词 加油站;防雷;隐患;接地;静电防护

中图分类号 TM7 文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)16-0073-02

0 引言

靖西县地处桂西南边陲,南与越南接壤,靖西县属亚热带季风气候,夏天无署,冬无严寒,年平均气温19.1℃,中国是世界上气象灾害最严重的国家之一。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高,机动车辆和汽车加油站急速增加,伴随的加油加汽站的雷电事故呈现逐年上升趋势,直接威胁到国家财产和周围人民生命安全,削弱了其作为城市能源枢纽的功能,因此,这些易燃易爆场所的雷电安全防护就显得尤为重要。本文通过对加油加气站所处环境、防雷装置特点和检测资料,分析、总结出了常被人忽视的潜在隐患,其综合防雷应从建筑物的防雷、油罐的防雷、电源系统防雷、接地这几个方面考虑依据国家技术规范要求,明确了针对性的全面防护措施,提出了系统的解决方案和办法。

1 加油站常见特点与隐患

1.1 防直击雷装置

加油加气站通常设在城区开阔位置或郊区、道路干线、高速公路等开阔地带,占地面积不大,但所属环境为雷电高风险地区。建筑物一般都有罩棚、营业室、值班室等,至少应按3类防雷设计,油罐区应按一类建筑物雷电防护要求。

金属罩棚大多符合防雷技术要求,但紧邻的站房多数无防雷装置,安装的金属牌或射灯也无接地,存在防雷隐患。近年来,随着国家对石化系统防雷的重视防雷检测的深入,防雷状况逐步有所改善。

1.2 防雷电电磁脉冲装置

加油站的电源和通信线路通常都是架空到站区附近再埋地引入建筑物,部分是架空接入变压器后再地埋引入,山区和乡村加油站有时根本没有地埋措施;河南省石化系统推广的信息监控网络才刚刚起步,引入加油站的ISDN等通信线路通常也是由户外架空明线引入的;油库的液位、温度等信息线路外露安装或无护套屏蔽接地措施;这些电源和信息线路绝大多数都未安装电涌保护器(SPD)防护措施;因此非常容易遭受雷电电磁脉冲和过电压袭击。

虽然有的加油站在供电线路安装了一级SPD,但往往由于级数不够、人工接地体阻值过大、接地线太长或连接不可靠等原因不符合规范,必然严重影响防雷效果,实际上防雷保护器形有实无。

1.3 电源系统装置

加油站的380V交流供电线路是架空明线接入至站区附近再地埋引入建筑的,部分加油站是由10KV电力线架空接入,经变压器后再地埋引入建筑的。在乡村和山区有时根本没有地埋措施,因此非常容易感应雷电电磁脉冲。

1.4 通信网络系统装置

引入加油站的ISDN等通信线路通常也是由户外架空明线引入的,并且通常未安装专用电涌保护器(SPD)做雷电防护措施。 火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者”。此时,应定为二类防雷建筑物。

1.5 防雷技术规范

随着科技的进步,加油加气站的电子设备也越来越多,越来越精密,承受电磁干扰能力就越低,受雷电过电压袭击的机会必然大大增加。可见,从雷电防护角度来看,加油站和油库运行于雷害高风险环境中,即对于雷害风险的“暴露程度”很高。例如,2008年6月24日17时~20时,百色靖西县受850hPa切变线影响,部分乡镇有强雷暴和大雨以上的强对流天气过程,龙某住宅区南面距龙潭河约50m,东北面约150m有座30多米高的小山峰,此地带易遭受雷击几率较大。当天有雷暴时,17时40分左右该小区已断电,至20时间该小区住户电器陆续有遭雷击事故,经调查:8台电脑(靠窗5台)、调制解调器7台、电视机3台、电视机顶盒3台,太阳能热水器2台受不同程度损坏。据受灾住户反映:有4位住户电脑电源已全部拔出,但网络线未拔出。其余用户电源及网络线均未拔出。

2 防雷技术措施

2.1 直击雷保护

加油加气站的金属罩棚为第二类防雷建筑物,金属外露罩棚最好平顶,不宜过高、过大,避雷网不应大于l0m×10m或12m×8m,其引下线间距不应大于18m,应利用每个支撑柱子作为引下线,保证至少两根钢筋上下可靠焊接,在地面合适的位置留出检测试端子;其外部包裹塑钢版应注意可靠接地,以防止静电聚积。站房应采用避雷带(网)防雷装置,并利用站房柱筋和金属罩棚接地系统。

2.2 公用接地系统与等电位连接

加油加气站的防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及信息系统的接地等宜共用一组接地装置,且接地电阻值应不大于4Ω(当采用单独设置接地装置时,要求各接地装置之间要保持一定的距离)。接地系统应围绕建筑物作环形闭合接地装置,每组接地体设置2~3根垂直接地极,垂直接地极长2.5m、埋深超过0.7m;接地网应在基建时把油罐、管道加油口等多处位置可靠焊接,并为卸车地、加油机、配电盘等支线接地提供方便。

篇10

关键词：水情测报;太阳能;负载特性;功耗;容量;输出功率

中图分类号： TK511 文献标识码： A

第一节 大阳电池简介

(一)太阳电池简单原理

当太阳光(或其它光)照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子――空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池两端出现异性电荷积累，即产生光生电压――“光生伏打效应”。若在内建电场两侧引出电极，并接上负载，则负载中就有光生电流通过，从而获得电功率输出。这样，太阳光能就变成了可实用的电能。

(二)太阳电池的负载特性

作为太阳电池的用户，我们最关心的是太阳电池的外指标，除了看结构外型外，主要关心的是其负载特性――输出电压和电流的关系曲线。当负载RL由零变到无穷大时，即可绘出太阳电池的负载曲线。

曲线上任一点都称为工作点，工作点和原点O的连线为负载线，其斜率的倒数即为负载RL，与工作点对应的横、纵座标即为工作电压和工作电流。调节负载电阻RL 到某―值Rm时，在曲线上的工作点为M，对应的工作电流Im和工作电压Vm之积最大

Pm=Im・Vm

M点为该太阳电池的最佳工作点(最大功率点)，Im为最佳工作电流，Vm为最佳工作电压，Rm为最佳负载电阻，Pm为最大输出功率。

(三)太阳电池的填充因数F

Pm与(V∞×I∞)之比称为填充因数F。

F=Pm/ V∞×I∞=Vm×Im/ V∞×I∞

用F可判断太阳电池输出特性的优劣。在一定光强下，F越大，负载特性曲线越接近“方”形，输出功率也就越高。

它的充电电流为：

I=V-E/R1+R2

式中：V――太阳电池输出电压；

E――蓄电池本身电压；

R1、R2――太阳电池和蓄屯池内阻。

由(3)式可知，充电电流I与蓄电池反电动势E相关。当正大于V时，会形成反充电(加了反充二极管后不会反充电，但存在二极管反相饱和电流)。

第二节 蓄电池简介

(一)蓄电池

蓄电池又称二次电池。它与原电池(又称一次电池)不同，原电池经放电后，不能使用充电方法使其活性物质复原。而蓄电池经放电后，可用充电方法泛其活性物质复原，再放电，故能以充电、放电方式循环多次使用。

(二)蓄电池主要(使用)参数

1、起动功率，也即特定起动电流下的输出功率。在遥测系统中，主要表现在当电台发射(约7～8A)时，蓄电池电压不应下降太多(―般不能超过0.1～0.2v)。

2、蓄电池容量

蓄电池容量是指在一定放电电流、温度、放电终止电压等条件下，完全充电的蓄电池所能对外释放的电量，它用安培小时(Ah)计量。在不同的使用条件下，有不同的含义，不同的容量。故有理论容量、额定容量、结构容量，表现容量之分。

在遥测系统的运用中，主要关心的是额定容量和表现容量。

额定(标称)容量：是指在给定的设计条件下使用时，蓄电池必须保证达到的最低限度的电量输出标准，厂家一般给出的是该指标(放电率在5～10小时)。

表现容量：在个别条件下，蓄电池实际表现出来的容量称之为该条件下的表现容量。在高倍率放电或低温下使用，蓄电池对外输出的电量将比低倍率放电和常温下使用时输出的电量小得多。

在遥测系统中，虽然电台发数时电流较大，但时间很短(一般每次不会超过4秒)，平均仍是低倍率放电使用条件，因此，在设计中采用额定容量为依据是足够了。

在自报式测站中，一般选用10―20Ah蓄电池，虽然在电台发送数据日蓄电池放电电流大到7一8A，但每次发射时间很短，一般不超过4秒钟，值班时间远大于发数时间，故平均仍是低倍率放电，只要该电池起动功率足够，―般是没有问题的。不过，若长时间发话时，则为高倍率放电，对于一个15Ah的蓄电池，在发话(发射电流约7～8A)时，相当于两小时放电率，表现容量就显得突出了。这也是我们把发话时间限制在每月不超过十分钟(大部分集中时间使用)的原因之一。

3、绝缘电阻：主要指电池组相应单节极柱之间的绝缘电阻，它的漏电比其蓄电池内部自放电要大得多。所以蓄电池表面一定要保持清洁、干燥。

4、寿命和可靠性，该指标只有通过大量试验(大的样群或长时间)才能取得。

第二章

太阳电池――蓄电池供电方式设计

第一节 设计任务

设计的主要任务是：在设备所处的环境(地理位置、地形、地物、气象、太阳能辐射等)和设备的使用条件(电压、耗电量)下，设计出最经济、最可靠的太阳电池――蓄电池供电系统，为系统正常工作提供足够的电能。

第二节 蓄电池容量

蓄电池是太阳电池的蓄能装置，在无日照时，它对负载供电。另外，当负载短时间大电流“脉冲”功耗时，只靠太阳电池不能满足负载所需的全部电能，这时蓄电池将起补充作用。蓄电池还能起到一定的稳压作用和确定太阳电池工作点的作用。

考虑到蓄电池老化、漏电、自放电以及容量参数的离散性，为了可靠地长期对设备供电，蓄电池容量应大于设备的平均电耗。故系统中的蓄电池容量用下式计算：

C＝负载平均电耗×连续无日照时间/容量修正系数

容量修正系数―般取0.7―0.8。那么：

对于自报站蓄电池容量取

C自=0.02（A）×30(d)×24(h/d)/0.7≈21(Ah)

对于应答站蓄电池容量取

C应=0.03（A）×7(d)×24(h/d)/0.7≈79.2(Ah)

第三节 太阳电池输出功率w

太阳电池的输出功率需根据使用现场的太阳总辐射能量、太阳电池组件的光电转换效率以及负载耗电情况来确定。

考虑到太阳电池的输出功率与日照条件紧密相关，因此，设计时必须考虑经过―个连续阴雨周期后能迅速补充设备所消耗的蓄电池电能，以便在紧接着的下―个连续阴雨周期内能可靠地对设备供电。为此太阳电池的平均输出功率应比设备的平均功耗大得多，大的倍数可称其为“保证系数K”。K值的大小与设备所在地的日照条件有关，具体取值可参阅K值与设备所在地的日照的曲线。则太阳电池的输出功率为：

W太＝设备平均功耗W平×K

以湖南为例，年平均基本为2000小时，查曲线得K＝12.2，那么对于自报站太阳电池的输出功率为：

W太=W月平×K＝0.24(W)×12.2≈3(W)

对于应答站太阳电池的输出功率为：

W太=W’周平×K=3.96(W)X12.2 ≈48(W)

第四节 中继站太阳电池―一蓄电池供电方式设计

可参照上述办法计算。计算时注意下述两点：

1、中继站接收和发射的时间是下属各测站发射时间的总和。

2、对于模拟中继，接收和发射是同时进行的；对于再生中继，接收和发射是分时进行的。

第五节 中心站供电方式设计

中心站值班部分(包括电台、中心控制仪、值班机)的供电，也可采用太阳电池――蓄电池方式供电。计算方法可参照测站计算方法进行。但是由于中心站交流电源比较稳定，所以目前中心站设备均采用交流――蓄电池方式供电。

参考文献:

1.孙增义等编著《水情自动测报技术基础及应用》，北京：中国水利水电出版社