开关电源原理及设计
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开关电源原理及设计范文第1篇
【关键词】开关电源节能 现网节能改造 通信
一、前言
改革开放以来，我国的经济成就举世瞩目，但环境问题也越来越严重，引起大家的高度重视 ，2007年世界经济论坛《全球风险报告》 中指出：21世纪全球面临的最严重挑战之一就是气候变化。2014年11月12日中美两国在京共同《中美气候变化联合声明》，中国计划到2030年将非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期间，中国政府在节能减排上要求国内能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。同样在严峻的节能减排压力下，各通信行业运营商越来越重视设备的节能，将节能作为首要的发展方向。在这个背景下，对开关电源提出了极高的节能要求，努力开发节能的产品和寻找现网设备的节能改造方法。
二、开关电源节能原理分析
（一）开关节能的原理
通信开关电源节能的关键是要提高系统的整体效率。通常开关电源的节能主要在两个原理：第一个最直接的节能原理是提高整流器的效率。通过技术改进提高整流模块的整体效率特性、降低模块功耗等措施，从最初至今，整流器的效率已经在原有的基础之上提高了百分之十，达到96%。随着技术的进一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，规模应用将成为现实。开关电源节能的另一个节能原理是通过电源模块的休眠管理，提高运行模块的负载率可以提升系统实际的工作效率。
（二）开关节能的具体方法
如今，越来越多的行业开始广泛应用开关电源，其具体发展要求是，轻量化、小型化、高频化等。但是，随着开关电源的频率迅速提高，所产生的损耗也逐渐加大，因此需要考虑相关节能的方法。首先应该对开关电源的损耗进行系统的分析，要想达到上述发展要求，需要将开关电源的工作频率由低频转向高频。例如采用硬开关技术，这种技术损耗量小于线性电源采用串联电阻改变电压的方式，但随着工作频率的提高，相应的损耗依然会增加。其次，采用软开关技术，能有效提高开关电源的频率，也能降低开关电源的损耗，提高整体效率。软开关技术是使用电感谐振及电容，将变压器中的开关器件中电压按照准正弦规律进行变换，让开关管在电流为零的情况下立即关断，在电压为零的情况下立即开通的方法。最后，采用零开关技术，其主要在电路中增加电容或电感等相关储能元件，具体分为零电流、零电压开关。零电流开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电流为零。零电压开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电压为零。这样可以最大程度降低开关损耗，起到节能的作用。
二、现网设备节能的必要性
随着世界经济特别是发展中国家经济的快速发展，全球能源消耗总量不断攀升。根据全球能源机构统计，近些年来，全球能耗高达82%，造成二氧化碳排放量高达80%，远远超过预想的估计，因此，节能是现阶段的主要任务。如何采取有效的方法使现网设备最大程度的节能非常必要。能源的消耗一方面导致了温室效应和一系列的自然灾害，另一方面其与制造业、工业等成本的价格息息相关。所以，环境问题及气候变化问题成了人类面临的重要的挑战，全社会也越来越重视节能。从全球范围来看，通信行业与煤炭、有色、钢铁等行业相比，虽然不是能耗、排放问题最突出的行业。但一些数据显示，一些通信行业的能耗也很大，某些运营商在全国企业能耗排行榜中排名靠前。政府在国际组织上的节能承诺，社会、公众的重视形成对运营商的节能压力越来越大。由于全球资源价格持续上涨，新的市场逐渐开阔继而大大提高了网络的扩容性。而我国通信企业整体仍处于发展阶段，在增大网上运行设备容量的时候必然导致能耗需求也扩大，给运营商带来了长期的财务压力。为了应对气候及能耗的挑战，电信行业各主流运营商、设备商先后启动节能减排计划。近10年来已经取得了很大的进步，技术的进步与产品的更新换代使单位能耗持续下降，领先的运营商取得了超过50%的节约。
三、现网设备节能手段
（一）通信网络中基站设备节能
基站设备分基带、射频和馈线三部分，其中能源消耗量占首位的是射频部分，超过能源消耗量的百分之八十。但是，在射频部分中，功放耗能几乎占射频部分的一半，因此，提升基站设备能效的关键点就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多种，比如，有智能减压、智能匹配、新型高效功放等，但多载波技术是提高功放效率的最直接的办法之一。
（二）通信网络中站点节能
一般来说，通信网络的节能主要是站点的节能。站点的节能可以从两方面来分析：网络拓扑和网元。网络拓扑的节能就是通过减少站点来提升单位话务量能效。以下为通信领域中减少站点两个有效的手段：⑴规划网络，降低无效的系统开销，以最少的站点服务最多的用户来提高覆盖效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等关键技术增加设备本身的覆盖半径提高，从而提升基站设备本身的覆盖能力。在现实中，将适宜的网络规划和较强覆盖能力的设备配合使用通常能大幅度实现广覆盖场景下四分之一以上的能源消耗节约，无疑不是一种进步。
（三）通信网络中新能源节能
减少碳排放最直接方法就是开发新能源。如：太阳能、核能、风能、潮汐能、生物能源等。企业减少碳排放的最有效途径就是选择无排放能源或者低排放能源。通常在一些边远地区，风能、光能资源比较丰富，可以根据当地气候因素建一些风、光能源的小型站点。这些新能源小型站点也可能在市电不稳定的城区作为补充能源使用。而对于这些偏远的小型站点来讲，通常面临的问题有以下三个方面：第一是引电困难；第二是电网公司引电价格可能过高；第三是小型站点本身的能耗不高，因此，通信运营商往往使用油机系统来解决能耗问题。
只有重视开关电源节能及现网设备节能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，开创新的可再生能源。才能与环境和谐相处，共同促进社会经济的发展。继而带动了通信网络的节能开拓，发展新用户、开拓新市场。使用新领域的节能设计补充带网络建设的需求，减少开关电源、现设备带来的排放压力。同时设备厂商及运营需要积极的投入到可持续发展、高效节能的研究当中。
参考文献：
[1]郭忠银.一种绿色模式开关电源的研究与设计[D].南华大学，2010.
开关电源原理及设计范文第2篇
关键词 电源管理系统；PMS；安全生产
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0211-03
流花11-1油田位于南中国海珠江口外海海域，距香港东南约220km，水深约310m左右。平台电站由3台进口小功率机组和一台大功率国产机组并网供电，对运维人员来说，保持电站平稳运转具有很大的挑战性。
流花11-1FPS电站电源管理系统（PMS）由发电机组PLC控制系统，与VSD PLC系统，钻机SCR PLC和集成在FPS生产控制系统（FCS）的电源管理PLC组成，实现对平台现有电源管理功能。
电站电源管理系统（PMS）要切实保障油田电站正常生产和生活用电的需求，所以必须满足以下条件：
1）确保人身安全和设备安全。
2）确保持续供电和可靠性供电。
3）确保电能质量和减少能源浪费。
4）尽可能做到节能减排，提高能源效率。
油田电站安全可靠运行、提供优质电能和提高电能经济性，是PMS系统建设和运营的一项最基本任务。
1 设计原则
流花11-1FPS电站PMS系统按照以下原则进行设计：
1）符合国家标准、行业标准和相关规定，严格按照国家或者国际及行业最新规范和标准要求
2）性价比高，系统具有较高的性能价格比，使管道以最低的运行成本、最优的工况正常运行。
3）技术先进，功能强大，系统采用罗克韦尔自动化公司软硬件产品进行开发，其产品在工业应用中已被证明是成熟的产品。系统具有强大的人机对话能力，能满足各种现场复杂环境下的连续监控的功能。
4）系统安全、稳定、可靠。PMS系统的PLC控制器、控制电源、I/O系统、HMI等都采用冗余的架构，重复利用率可达到99.99%，当某一节点发生故障时，可自动进行切换，电站系统安全、稳定、可靠的运行。
5）可扩展性强，硬件是模块化的，允许将来在容量和功能上的扩展。
2 硬件架构（图1）
流花11-1FPS电站PMS系统控制系统硬件采用A-BPLC的ControlLogix系统，ControlLogix系统封装外形小，不仅可提供离散、驱动、过程和安全控制，还具有可靠的通信功能和最先进的I/O，系统采用模块化结构，使开发者能高效的进行设计、构建和修改，从而大幅节省培训和工程设计成本。
2.1 过程信号采集
系统输入信号：
1）发电机输出功率。
2）发电机组出线断路器状态。
3）4160V A/B段母线频率。
4）ESP，生产管汇及测试管汇运行优先权数据。
5）钻/修井工况时，SCR系统斜率控制和相位控制。系统输出参数：
1）以百分比柱状图形显示的发电机功率。
2）VSD/ESP运行功率。
3）发电机组接入和停机提示信号。
4）系统错误，事件及故障报警信号及打印。
5）钻机SCR系统模拟相控信号。
6）ESP/VSD 速度降低至预设低频信号。
2.2 软硬件配置
PMS系统的硬件要求配置如下：
1）ControlLogix系统采用双环ControlNet网络。
2）CPU采用冗余配置。
3）各控制子站的交换机网络采用冗余环网架构。
4）由不间断电源供电（即UPS），信号电源采用独立的DV24V电源供电。
5）DO信号输出的继电器需确保可靠性。
6）HMI服务器由主服务器和备用服务器构成。
7）PLC程序基于RSLogix5000开发，上位机基于FactoryTalk View Studio开发。
3 系统功能（图2）
3.1 电源管理及负荷分配
PMS系统与5台机组通过以太网通讯交换数据，包括有功功率、无功功率、频率、电压等。并根据不同的在线发电机配置，PMS系统可与发电机的调速器和AVR协调工作，并实现以下功能。
1）有功功率和无功功率分配控制：在电站中发生负荷波动时，为了防止个别发电机的频率和电压可能会接近其PQ图的边界，此时PMS系统将分配各发电机组之间的出力，以提高系统在扰动下的稳定性。
2）功率需量和功率因数控制：PMS系统会实时各发电机相对于母线的输入/输出功率，并计算功率差额。然后根据功率因数的范围，在满足发电机基本出力的前提下，调整AVR控制无功功率输出，以维持系统的功率因数在合理范围内。
3）母线频率和电压控制：当电站负荷发生变化时，系统调整发电机输出的有功功率和无功功率，以维系电站的频率和电压稳定。
3.2 负荷优先脱扣
PMS系统会实时监测电站电气设备的状态，如发电机的出力、负载消耗的功率以及断路器的状态。当系统检测到发电机断路器跳闸，则会根据预计算的能量平衡结果，如果超过了电站所能承受的最大出力，则切除部分负荷，以确保电站发电机平稳运行。
优先脱扣系统可设置多个优先级，由运行人员预先定义。在系统中针对不同的优先脱扣触发条件，形成一个优先级别卸载表，当优先脱扣触发后，将系统计算得到的卸载级别与优先级别表对比后，发出卸载指令，卸载时间在80ms以内。
3.3 重载启动时负荷的保证及分配
一些重载设备（大负载）都可在HMI上设定额定负载及启动冲击系数。系统根据机组剩余功率、要启动的重载设备额定功率及启动冲击系数，实时计算发电机功率余量，以判断此重载能否启动。重载启动后，机组按照前述负荷分配模式自动分配负荷。
3.4 断路器的控制及自动同步控制
断路器与控制系统之间通过硬接线，连接断路器状态、手车位置、分合闸指令等信号，实现包含基本的状态监视、控制等功能。当进行发电机并车时，系统会判断逻辑条件，发出发电机断路器合闸指令，并最终由同期装置完成并车。
3.5 备用发电机组自启动控制
当在线机组发生故障停机，或过载，过流，过压，低频等极限情况时，处于备用状态的机组自动启动。
3.6 电站监控和报警系统
系统监视整个电站主要电气设备的状态和运行参数，当出现报警时，会有多种报警提醒方式，包括蜂鸣器，指示灯，旋转报警灯，同时HMI上会有详细的报警信息文字。
4 关键技术问题介绍
4.1 发电机转速控制技术
发电机的调速系统中调频器的作用在于，当发电机的负荷发生改变时，手动或者自动的操作调频器，使发电机的静态特性发生改变。如果负荷变动时，调速系统使原动机的转速保持不变，则称之为无差调节（Isoch）；而如果负荷变动时，原动机的转速随着负荷增大而降低，则称之为有差调节（Droop）。多台发电机并列运行时，为了实现对其调节的有效性及避免系统震荡，都会采用单机Droop模式运行，调速系统完成部分调速任务，剩下的由机组控制系统来实现转速无差调整。
4.2 发电机频率调整策略
区域发电机组频率调节时，可分为按频率偏差调整、按交换频率偏差调整和按频率和交换功率偏差调整三种。按频率偏差调整时，只能保证系统频率不变，不能控制联络线上流通的功率；按交换功率偏差调整时，只能保证联络线上的交换功率不变，而不能控制系统的频率。只有按频率和交换功率偏差调整时，才可以保证区域范围内功率的就地平衡。在PMS系统，对影响发电机频率的各个调整因素进行逻辑排序，当发电机的频率和对电站的有功贡献发生偏差时，便对其进行相应调整。
5 结论
流花11-1FPS电站PMS系统自投入运行以来，系统运行效果良好，给整个电站提供了完整的安稳策略，极大地减少了故障停产的损失，取得了显著的经济效益，为整个油田安全稳定生产提供了可靠的保障。
参考文献
[1]高健.浅谈海上电网优先脱扣系统控制方法[J].通讯世界，2016（1）：174-175.
[2]刘新天.电源管理系统设计及参数估计策略研究[D].合肥：中国科学技术大学，2011.
开关电源原理及设计范文第3篇
关键字： 开关电源； 模糊PID控制； DSP； 电源控制算法
中图分类号： TN79?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0149?03
Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control
ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao
（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）
Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.
Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm
近年来，随着电力电子技术高速发展，开关电源得到广泛应用，普通模拟开关电源逐渐显示出其不足之处：采用模拟器件会导致元器件比较多，分散性大，稳定性差；设计缺乏灵活性，不便于修改，调试不方便，控制不灵活，无法实现复杂的控制算法。为设计出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小的开关电源，开关电源设计人员采用数字化电路与开关电源相结合来设计数字化开关电源。以DSP系统为基础的开关电源电路简单，结构紧凑，性能卓越，功能齐全。DSP系统具有较高的计算与控制能力，利用DSP进行A/D转换后进行运算，可以有效抑制或消除各个功能模块间相互干扰，提高开关电源输出电压的稳定性和精度。本文将重点分析和讨论利用DSP系统设计开关电源的实现方法和控制算法。
1 基于DSP控制的实现方法
DSP系统已广泛应用于开关电源控制电路，是开关电源的控制核心电路，可以有效利用DSP系统的高速性、可编程性、可靠性等特点，结合相应算法实现特定功能，可为开关电源输出质量好、频率和幅值可以任意改变的控制信号。图1为采用DSP系统的控制电路开关变频电源基本控制硬件框图。
图1 开关变频电源基本控制硬件框图
开关电源采用高频SPWM技术和普通电压逆变电路，DSP系统与IGBT功率模块构成全数字控制电路。输出的电压和电感电流经过网络转换成DSP所需要的电平，连接至DSP的A/D单元进行模数变换；控制输入单元输入需要的电压值及频率值，从而得到逆变电路的基准电压。
DSP系统经过特点算法进行相关计算后会产生一定死区的控制信号。由于输出的数字PWM控制信号不足以驱动IGBT开关管，需要经过驱动电路对开关管进行驱动。DSP芯片具有较高的采样速度和运算速度，可以快速地进行各种复杂的运算对电源进行控制，可以实现较高的动态性能和稳压精度。为了有效保护开关电源器件，防止出现过压、欠压、过载等情况，系统专门设计了保护电路，一旦出现故障，DSP控制系统封锁PWM脉冲控制信号，切断开关电源电压输出。
2 开关电源基本控制算法
2.1 PID控制
开关电源的数字化控制需要进行一定的控制算法来产生控制信号，实现控制规律。数字开关电源控制最初是借鉴模拟控制原理，通过数字化实现模拟控制信号。PID算法在数字控制中应用比较广泛，它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。
PID控制是应用最广泛的控制规律。图2为常规PID控制原理图，系统由PID控制器与被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值[r（t）]与实际输出值[y（t）]构成的控制偏差[e（t）]来计算：
[e（t）=r（t）-y（t）] （1）
将偏差的比例[P、]积分[I]和微分[D]通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：
[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）
或写成传递函数的形式：
[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）
式中：[Kp]为比例系数；[TI]为积分时间常数；[TD]为微分时间常数。
图2 PID控制框图
数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采用时刻的偏差值计算控制量。因此，连续域PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，还有一些微分先行法和带死区的PID控制算法等。
2.2 模糊PID控制算法
目前，开关电源的各种应用场合对电源的动态性能提出了越来越高的要求，其中电压超调与恢复时间是重要指标。负载的变化或者输入电压的变化引起输出电压变化，而输出电压值取决于滤波器和控制策略。由于开关变换器为一个时变、非线性系统，无法建立精确的数字模型。而模糊PID控制算法的优点在于不需要建立准确的变换器数字模型，非常适合DC?DC变换器的强非线性。自适应的模糊控制可以保证控制系统的信号稳定性。
模糊控制器是以误差量化因子[e]和误差变化率量化因子[ec]作为输入，利用模糊控制规律自整定找出PID控制器三参数[KP，][KI，][KD]与和之间的模糊关系。模糊PID控制原理框图如图3所示。
图3 模糊控制原理框图
取[e]和[ec]为输入语言变量，每个语言变量取“大、中、小”三个词汇来描述输入输出变量的状态。模糊推理的模糊规则一般形式为：
If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]
其中[Ai，][Bj，][Ci]为其理论上的语言值。
上述规则可以用一个模糊关系矩阵来描述：
[R=i，jAi×Bj×Ci]
根据各模糊子集的隶属度幅值表和各参数模糊控制规则，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵得到[KP，][KI，][KD]参数调整算式如下：
[KP=K′P+ei，ecj×KuP]
[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）
[KD=K′D+ei，ecj×KuD]
式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制参数，[{e，ec}]是误差[e]和误差变化率[ec]对应控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作为修正系统，在控制过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成PID参数的在线自校正。
3 系统硬件及关键点设计
3.1 硬件主体
本文设计的开关电源主要是将开关电源优良特性和DSP系统精细化控制相结合。开关电源采用反激式拓扑结构，包括EMI滤波电路、整流/直流平波电路、控制器、信号采样、PWM驱动、键盘及显示部件组成，力求使开关电源具有高效低耗、便携化、负载输出稳定、电路保护可靠、电网宽电压输入、电网污染小等特点。图4为硬件系统主体设计示意图。
图4 系统主体设计示意图
3.2 输出电压检测隔离设计
开关电源输出电压检测过程中对控制电路的隔离保护是非常必要的，这样不仅可以实现控制电路的安全工作，而且避免了将输出电路的噪声引入控制电路中。电压检测电路与控制电路隔离保护采用光耦合器进行隔离，它由发光二极管LED、输出光电二极管PD组成。光耦合器在开关电源的主振回路与输出采样之间进行电气隔离，并为电源稳压控制电路提供信号通路。
3.3 EMI滤波器设计
开关电源在正常工作时会产生传导噪声和辐射噪声，毫无疑问噪声主要产生于电源开关过程。开关过程中包含了最大的功率以及最大的电压变化率dV/dt，同时也包括了最高频率成分。噪声的存在将污染电力线路，影响周围精密电子仪器的运行，比如设计滤波器。EMI滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或者工频信号通过，对频率较高的其他信号有较大的衰减作用。图5为EMI滤波模型，滤波器的基本结构就是一个分离的二阶LC滤波器，其取值原则就是在最小的体积下可以获得期望的抑制效果。在滤波器模型中还有一个额外的高频LC滤波器；高频滤波器当寄生参数使得前面的LC滤波器性能变差时，用来抑制这些高频噪声。
图5 EMI滤波器模型
3.4 高温保护电路
开关电源在设计中由于转换效率不同，将部分能量以热量辐射。温度升高将影响系统正常工作甚至产生人身危险，为了保证系统安全，开关电源工作时温度需要实时监控。图6为温度采集电路部分电路图。当系统检测到温度过高时，控制模块立即关断开关电源输出，待系统温度达到工作温度范围后开始继续工作。
图6 温度采集电路
4 开关电源性能分析
本文采用反激式开关电源和模糊PID控制算法进行仿真。反激式开关电源的等效模型传递函数为：
[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）
式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]为系统比例系数，由开关电源电器元件参数决定。
模糊PID控制器由系统误差[e]和误差变化率[ec]为输入，通过不同时刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制规则在线对PID控制器参数[KP，][KI，][KD]参数进行修改。模糊PID控制系统组成如图7，图8所示，阶跃响应曲线如图9所示。
图7 模糊控制PID控制系统组成
图8 误差[e]和误差变化率[ec]的隶属函数
本设计开关电源把DSP完美融入到开关电源设计中，充分利用了DSP系统快速运算能力，采用模糊控制算法使开关电源控制智能化，电源快速达到稳定输出，提高了抗负载扰动能力。
图9 系统阶跃响应
5 结 论
本系统将DSP作为开关电源控制单元，应用模糊PID控制算法，使开关电源和DSP系统完美配合工作。利用了DSP快速处理能力特点产生开关电源PWM控制信号，对开关电源输出进行精确控制，提高了开关电源输出精度和转换效率，使开关电源控制实现智能化；能够按照负载情况进行实时修正，使电源达到快速稳定输出；同时利用DSP资源设计完成开关电源显控单元及保护模块，提高了开关电源操作性和安全性。
参考文献
[1] LENK R.实用开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[2] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，1998.
[3] 赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[4] 许邦建，唐涛.DSP处理器算法概论[M].北京：国防工业出版社，2012.
开关电源原理及设计范文第4篇
关键词 继电保护；开关电源；电源故障；改进后的电源
中图分类号TM77 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）79-0152-02
1 研究继电保护装置的必要性
随着科技的发展，电力系统中的继电保护装置也在不断的发展，尤其是对于其可靠性的研究则越发重视。继电保护装置是保护电力系统安全、正常、可靠运行的重要装置，如果继电保护装置发生故障，将会直接影响电网的安全可靠性，许多大型停电事故都是由于连锁故障造成的，尤其是继电保护装置故障引发的电网故障所占比例较高。国外大型停电事故，如2003年的英国伦敦大停电、2003年8月美国、加拿大停电事故；国内停电事故，如2007年国家电网公司的继电保护装置故障。据统计大约有75%的大型停电事故与继电保护操作不当有关，这表明继电保护系统故障所造成的危害不能小视。
继电保护用开关电源是主要功能模块，在确保输出电压稳定的前提下，利用现代电力电子技术用来掌控继电保护用开关的时间问题。因此，要保持继电保护用开关电源性能良好，这样才能进一步提高机电保护装置的安全可靠。继电保护用开关电源是主要功能模块，在确保输出电压稳定的前提下，利用现代电力电子技术用来掌控继电保护用开关的时间问题。因此，要保持继电保护用开关电源性能良好，这样才能进一步提高机电保护装置的安全可靠。
2 继电保护隐蔽故障
根据许多资料表明，继电保护的隐蔽故障是许多大型停电事故的罪魁祸首。隐蔽故障在系统正常运行时并不会对其造成影响，但当系统某些部分发生改变时，故障就会一触即发，导致更加严重的后果。隐蔽故障主要就是因其隐蔽性，不容易被发现，因此故障发生时不能及时阻止。即使继电器正确排除故障，但隐蔽故障就像一颗定时炸弹一样，往往就会导致保护系统误动作，从而酿成大型事故。
3 开关电源工作原理
开关电源主要是使用半导体功率器作为开关，使电源形态发生改变，同时保持其稳定输出，采用闭环控制，并具有保护环节的模块。开关电源的主要工作原理是将高压交流电通过整流和调制的方式，转变成适合继电保护装置的低压直流电。压交流电的具体变换顺序是：通过滤波、整流、降压等一系列措施，从高压交流电——高压直流电——高压脉动直流——转变最终适用的低压直流电。
4 故障现象分析
设计继电保护用开关电源要考虑到许多因素，如时序和保护，这样才能满足其多功能要求。设计时需要承担故障风险，再加之其需要的工作条件较为苛刻，影响继电保护用开关电源正常、安全的运行，因此继电保护用开关电源因设计缺陷造成的故障屡见不鲜。
4.1 输入电源波动，开关电源停止工作
4.1.1 故障表现
故障具体表现可以通过输入电压和输出电压的变化来观察。输入电压在产生瞬时故障时恢复正常后，继电保护开关电源会停止工作，输出电压却一直未见，而且不能自动断电。由继电保护试验仪控制并记录输入电压和输出电压的一系列变化，并控制输入电压中断的时间。可通过便携式波形记录仪进行记录。在继电保护试验仪控制输入电压中断的时间长短中，我们可以发现：输入电源恢复正常的时间共耗费了100ms～200ms左右，开关电源并没有跟输入电压一起恢复正常；在输入电压中断约250ms以后恢复，但输出电压+5V、+24V却消失；输入电压短暂中断70ms以内会恢复正常，而+5V、+24V输入电压并未消失，而且没有影响开关电源的正常工作。
4.1.2 故障分析
开关电源的正常启动逻辑和输出电压保护逻辑是故障表现的直接原因。故障发生后，往往是由于此开关电源出现输出电压欠压保护逻辑。开关电源的逻辑混乱造成了故障的发生，因此就要更改逻辑。电源欠压保护的误动作是由于输入电压快速通断造成的，这种误动作主要是延时电路没有按时复位，忽略了电压的变化，使得通电时的假欠压信号未能及时屏蔽。
4.1.3 解决措施
解决故障要根据输入电压的变化来采取措施。在保护环节增加输入电压和电子开关，起到检测和闭合的作用。根据开关闭合后的输入电压情况判定，输入电压数值升到定值后，那么延时电路开始重新延时，这样在重新启动时的假欠压信号就可以顺利屏蔽，这样也可以彻底解决故障。
4.2 启动电流过大，导致电源承载过大
4.2.1 故障表现
根据电源模块的正常工作状况看，故障下的输入电流很容易“不够正常”，随着输入电压的逐渐增大而迅速“膨胀”，导致电源承载电流过大。
4.2.2 故障分析
根据故障的表现，可以看出输入电流的电流激增是一种必然，从而导致电源过载。在电源启动时，输出回路的功率会猛增，许多设计就没有充分考虑大功率问题，因此在启动时的电压和猛增的功率形成鲜明对比，并且瞬态电流猛增，导致电源过载。
4.2.3 解决措施
在设计中要充分考虑到功率问题，以更好的配合开关电源的工作。开关电源启动时功率要保持一定的值，如果要减少启动时的电流值，也可以增加启动电压的值。增加启动电压之后，可以发现启动电流的值会有所减少，亦不会对电源造成冲击。
5 结论
由此可见，开关电源在设计时要注意各种细节和各个环节，要注意电能变换、输出电压和电源的保护功能，这些都是开关电源中的重要环节，紧密相连。正所谓“牵一发而动全身“，某一个环节出了差错，开关电源的工作就会受到影响。在设计之前要充分考虑到电源启动功率和启动电压问题，在功率一定的情况下，提高启动电压，这样就可以避免电流徒增。由于电力系统的供电范围越发广泛，对于继电保护装置的可靠性研究必须要日益重视起来。
参考文献
[1]沈晓凡，舒治淮，刘军，等.2007年国家电网公司继电保护装置运行情况[J].电网技术，2008，32（16）：9-12.
[2]徐敏锐，吴在军.继电保护用开关电源的设计[J].江苏电机工程，2004（6）.
开关电源原理及设计范文第5篇
【关键词】高频开关电源 节能技术 发展 应用
高频开关电源节能技术的应用措施在多样化的电源系统中占据核心地位。譬如大型电解电镀电源，由于其重量及体积上的特殊性，促使高频开关电源节能技术在实际电源应用过程中的利用效率得到提升，此外还能对成本投入进行控制。
1 开关电源技术发展
1.1 高频化发展方向
经由理论分析及实验验证，电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比。若对电源频率进行调整，从50Hz提升至20kHz之后，用电设备在质量及体积上出现下降，并达到工频设计数值的5%-10%左右，在材料节省方面可以达到九成甚至更多，而电能节省方面则可以节省三成或更多。随电子工艺技术的飞跃发展，电子功率器件已实现高频模块化，大功率开关电源成本显著降低，体现了高技术含量及实用性推广价值。
1.2 模块化发展方向
高频开关电源技术的模块化主要就是指功率器件以及电源单元等方面的模块化。近几年，大多数公司认为开关功率器件把驱动电路和过流保护、短路保护、过热保护、欠压保护等多种保护集成在同一模块内，从而真正意义上实现“智能化”功率模块。模块化设计促使不同元器件间不再使用传统意义上的引线连接，从而有效降低寄生电感及电容因为频率提升对其产生的影响，此外通过合理化、严谨的电、热及机械层面的优化设计措施，从而全面提升系统可靠性。
1.3 数字化发展方向
由于数字式电路及信号所展现的重要性不断增加，数字信号处理技术随着发展也不断趋向承受成熟，相对模拟信号展现出非常多的优势，如实现计算机处理控制措施、减少杂散信号的干扰作用，从而促使自诊断等新型技术的植入。所以数字化技术在智能化高频开关电源中往往是经由计算机完成控制行为，并展现出非常重要的使用意义。
2 高频开关电源工作原理、构成及在火电厂的应用
2.1 高频开关电源工作原理
目前状态下的高频电源，在其运作过程中往往经由三相交流电在滤波或整流的作用下，产生530V左右的直流电压，另外在全桥逆变作用之下获得到20kHz左右的交变电流，之后由于高频变压器升压整流措施实现高频高压脉动直流的传输行为。当前状态下的电除尘器高频电源是利用高频开关技术而形成的逆变式电源，此外供电电源往往通过系列性窄脉冲产生，实际控制措施存在多样化，并且基于电除尘器运作情况选择合适性电压波形，全面提升供电效率实现节能目标。
2.2 高频开关电源主要构成
当前状态下的高频电源的结构组成主要包括低压配电系统、全桥逆变器、大功率高频高压变压器以及控制电路等等。高频开关电源实际运行过程中，高频电源中的低压配电系统往往安置于高频电源配电盘之中的电气箱，除却高频电源具备的供电作用不谈，可以针对性完善集成作用下的高频电源内部加入、振打及风机组成中的供电作用，另外若设备出现严重故障后，进行断电保护措施。全桥逆变器中存在的逆变电路，是由全桥串联谐振逆变器构建，在滤波及整流电路作用下构建530V左右的直流电流，并通过逆变措施，让其成为20kHz左右的高频交流电，并传输到高频高压变压器之中。油浸设计措施之下的大功率高频高压变压器，是高频电源中具备重要意义的组成部分之一，经由逆变电路实现高频交流电升压，经由整流后，形成高频高压脉冲直流并向除尘器传输。控制电路在构成上主要包含电源电路、驱动电路以及DSP控制电路。
2.3 高频开关电源技术在火电厂中的应用
譬如佛山某垃圾焚烧电厂现存的四套双室四电场电除尘器，实际有效通流面积达到230m2，而j极线主要指的是新RS管状芒刺，其中电源配置了高压硅整流变压器，控制运行机理是：交流电源经过升压变压器升压后，经全波整流形成直流再输送至电场。通过针对性的改造，四套除尘器已经都改造成为高频电源，其除尘效率有显著提高及能耗大为减少。通过节能减排的有效改进措施，促使电除尘改造能够在高频开关技术中发挥重要作用，改善当地环境带来了经济效益的同时社会效益也很显著，并且也提升了企业绿源形象。
3 结束语
综上所述，应用高频开关电源技术能够帮助当前火电厂的整体耗能及废气排放得到有效控制，从而全面提升整体工厂工作效率，并且在此基础上实现生产成本的有效降低，促使其在市场中具备足够的地位。当前，高频开关电源技术在电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等领域应用同样得到了广泛推广。
参考文献
[1]郑昕昕，肖岚，刘新天，何耀，曾国建.两级宽输入开关电源占空比振荡的几何分析[J].电气传动，2016（05）：199-203.
