（电力系统及其自动化专业论文）低压电器数字化控制与保护技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，a l o n gw i t ht h eh i g h s p e e di n c r e a s eo ft h es o c i a le c o n o m y ，n u m b e r s o f b a s i cm u n i c i p a ld e v e l o p m e n ts u c ha se l e c t r i c i t y ，p e t r i f a c t i o n ，i r r i g a t i o nw o r k s ， a n dm u n i c i p a le n g i n e e r i n ga r ed r i v e n t h e nt h ed e m a n d s0 nl o w - v o l t a g ea p p a r a t u s i n c r e a s e da n dt h er e q u e s t so nt h ee c o n o m i ca n dt e c h n i c a li n d e xo fl o w - v o l t a g e a p p a r a t u si sg r o w i n g ， w h i c hb r i n ga b o u tan e wt r e n dt h a tl o w v o l t a g ea p p a r a t u sa r e m i n i a t u r i z a t i o n ， g o o dp e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t y ，d i g i t a l i z a t i o n ， m o d u l a r i z a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n d i g i t a lc o n t r o la n d p r o t e c t i v et e c h n o l o g y c o n n e c tt h ee l e c t r i ca p p a r a t u se l e m e n t sw i t ht h ew h o l ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m m e a n w h i l ei ti st h ek e yt op r o m o t i n gt h el o w - v o l t a g ea p p a r a t u s m u l t i - f u n c t i o n ， g o o dp e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o n t h ek e yt e c h n o l o g yo fl o w v o l t a g ea p p a r a t u sd i g i t a l i z a t i o ni ss t u d i e di nt h i s p a p e r ， a n dd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ed i g i t a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o n t r o la n d p r o t e c t i v et e c h n o l o g y t h ef o r m e ro n ef o c u s e so nt h ei m p r o v e m e n to fd i g i t a l t e c h n o l o g yw h e na p p l i e do nt h el o wv o l t a g ee l e c t r i c a lf i e l d ， s u c ha sd i r e c tc u r r e n t p o w e rs u p p l y ，e l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t y ，s i g n a lc o l l e c t i o n ，f i e l d b u s ，a n d i n d u s t r ye t h e r n e t t h ec o n t r o la n dp r o t e c t i v et e c h n o l o g ye m p h a s i z ep a r t i c u l a r l yo n t h en e wd e v e l o p m e n ta n dt a s ko ft r a d i t i o n a li n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k sb r o u g h tb yt h e d i g i t a ll o w v o l t a g ea p p a r a t u s ，i n c l u d i n ge l e c t r i cc o n t r o l ， e l e c t r o m o t o r p r o t e c t i o n ， p o w e r 鲥do v e r t o n ea n ds oo n b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y z eo nt h ek e yt e c h n o l o g y ，t h i se s s a a yp u t f o r w a r dad i g i t a lc o n t r o la n d p r o t e c t i v ed e s i g np r o j e c t ，w h i c hi st h ec o r ec o n t r o lu n i t o fi n t e l l i g e n tc o n t r o la n dp r o t e c t i v es w i t c h i n gd e v i c e s ( c p s ) a f t e rt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h em o d e ld e v i c ei sw o r k e do u t t h em o d e ld e v i c e sh a v e p a s s e dt h ef u n c t i o nt e s ta n de m ct e s t ， w h i c hp r o v et h ea d v a n t a g eo fi n t e l l i g e n t l o w v o l t a g ea p p a r a t u sc o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a ll o w v o l t a g ea p p a r a t u s f i n a l l y ，t h ea u t h o rd os o r p ep r i m a r yr e s e a r c ho nt h et e s t i n gt e c h n o l o g yo f d i g i t a ll o w v o l t a g ea p p a r a t u sa n df o c u so nt h ei n t e l l i g e n th i g h p o w e rt e s t i n gc u r r e n t i l a b s t r a c t a n dv o l t a g es u p p l yw i t hh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs t a b i l i z a t i o na n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n t h ed e v i c ep r o d u c e st h r e ep h a s ev o l t a g ea n dt h r e e - p h a s ec u r r e n tw i t hs i xc o i n c i d e n c e s i g n a ls o u r c ea n dp o w e ra m p l i f i e r t h ed e s i g np r o j e c tm a k e st h ef r e q u e n c y ， a m p l i t u d e ，p h a s em o d u l a t i o nm o r ep r e c i s ea n ds i m p l e k e yw o r d s ：l o w - v o l t a g ea p p a r a t u s ，d cr e g u l a t e dp o w e rs u p p l y ， f i e l d b u s ，m o t o r p r o t e c t i o n ，t e s t i n gt e c h n o l o g y i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：均渗了丁 劫口7 月，咱 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：幺拯7 了 叫年月ge t 第1 章引言 1 1 低压电器概述 第1 章绪论 电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断 续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、 变换和调节的电气设备。简言之，电器就是一种能控制电、使电按照人们的要 求并安全地为人们工作的工到。 电器按其工作电压等级可分为高压电器和低压电器。在国家标准g b l 4 9 7 低压电器基本标准中对低压电器定义是：工作在交流5 0 h z 、额定电压1 2 0 0 v 及以下或直流额定电压1 5 0 0 v 及以下的电器。 1 1 1 分类 低压电器的种类繁多，功能多样，用途广泛，其结构各异。其分类方法亦 很多，以下是按电气传动控制系统常用低压电器分类【2 j ： ( 1 ) 低压断路器( 俗称自动空气开关) ：不仅可以接通和分断正常负载电 流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流； ( 2 ) 接触器：是适用于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交、直流 主电路及大容量控制电路的自动控制开关电器； ( 3 ) 刀开关( 隔离器) ：在对电气设备的带电部分进行维修时，必须一直 保持这些部分处于无电状态，所以必须将电气设备从电网脱开并隔 离。能起这种隔离电源作用的开关电器称为隔离器； ( 4 ) 熔断器：是一种当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量 使熔体熔化而分断电路的电器； ( 5 ) 主令电器：包括按钮、指示灯、微动开关、接近开关、行程开关、主 令控制器、转换开关等： ( 6 ) 继电器：包括电磁式、电子式、双金属片式、可编程控制继电器( 模 块) 、特种继电器； ( 7 ) 执行电器：如电磁铁、电磁阀、电磁离合器、电磁抱闸等； 1 第1 章引言 ( 8 ) 电器安装附件：包括各种工业用插头插座、端子排、母线排、接线端 子、连接器、行线槽、缠绕管、导轨、连接导线等； ( 9 ) 成套电器：主要有低压控制屏( 柜) 、低压配电屏( 柜) 、动力配电箱 ( 柜) 、照明配电箱( 柜) 等四大类； ( 1 0 ) 电工仪表：如电流表、电压表、功率表、智能仪表等； ( 1 1 ) 控制与保护开关电器( c o n t r o la n dp r o t e c t i v es w i t c h i n gd e v i c e s ，c p s ) ： c p s 是一种新型多功能集成电器，将断路器、接触器、热继电器以及 隔离器的功能融为一体，汇集了分立元器件的优点并克服其缺点。 1 1 2 国内外发展及研究现状 国外工业发达国家十分重视低压电器工业的发展，并注意将微处理器、光 耦合技术、光纤等新技术以及新工艺、新材料和新理论运用于低压电器产品的 改进与更新。特别是为了适应配电与控制系统不断高级化、复杂化以及高度信 息化时代的需要，在低压电器智能化、组合化方面进行了大量研究工作，并取 得了很大成绩。 进入9 0 年代以后，国外在自动控制领域丌始重点发展现场总线技术，又称 为第五代过程控制体系，它以数字信号取代模拟信号，在计算机、控制与通讯 技术的基础上，大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用， 许多控制功能从控制室移到现场设备，从而使系统成本大幅度降低，可靠性提 高，设备的安装、调试和维护时间大为减少。目前国外各大公司迅速推出可连 接现场总线的具有通信能力的低压电器，其中以a b b 、西门子最为突出，其可 通信的低压电器，已可组成十分庞大的工业控制系统，电力配电监控系统和楼 宇自动化系统。 随着欧盟两个指令“在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令”，“电 气电子设备回收指令”的颁布与实施，意味着生态电器( 绿色电器) 时代的到 来。欧美等大型电器设备制造商已丌始注重环保技术在低压电器上的应用，从 材料、设计、生产和回收等各个方面考虑是否影响生态环境。 我国生产的低压电器产品，大体可分为三代【3 】： 第一代产品为我国6 0 7 0 年代自行开发的以d w i o 、d z l 0 、c j i o 系列为代 表的产品，相当于国外5 0 年代水平，这些产品目前占有市场份额约为2 0 ； 2 第1 章引言 第二代产品为更新换代产品，如d w l 5 、d z 2 0 系列以及引进国外技术生产 的产品，相当于国外8 0 年代初水平，目前占有市场约3 0 份额； 第三代产品为跟踪国外新技术自行开发的产品，也是目前市场上应用的主 流产品，代表着今天国产低压电器的技术水平。从上世纪未开始，国内企业在 主要产品上紧跟国外先进技术，开发出了一批水平较高的具有我国自主知识产 权的产品，其技术水平相当于国外上世纪9 0 年代水平，目前占有市场约5 0 份 额。其主要技术特点：高性能、小型化、保护功能齐全。 总体说束，我国目前的低压电器技术水平已得到了很大的发展，与国外先 进水平的差距正在逐渐缩小，但在产品结构、新技术应用等方面还存在着不少 问题，具体表现为：产品系列单一、派生规格少、附件少、产品外观设计落后、 制造工艺欠佳、质量稳定性和可靠性较差。另外，科研与新产品开发投入少， 新技术得不到应用，关键技术研究不够深入，难以创造性地开发高性能、有特 色的产品，处于成长期产品太少，国家已明令淘汰的技术指标低下、工艺落后、 耗能高的产品迟迟淘汰不了，产品更新换代及产业化步伐缓慢。 1 1 3 未来发展趋势 新一代的低压电器产品将不断深入地应用微处理器、光耦合技术、光纤等 新技术以及新工艺、新材料和新理论。新一代产品的技术特征将是：高性能、 高可靠性、数字化、网络化、模块化、绿色环保。 高性能：额定短路分断能力与额定短时耐受电流进一步提高。 高可靠性：产品除要求较高的性能指标外，又可做到不降容使用，可以满 容量长期使用而不会发生过热，从而实现安全运行。 数字化：随着专用集成电路和高性能的微处理器的出现，断路器、接触器、 c p s 等低压电器都实现了智能化，使低压电器的控制和保护功能大大加强。 网络化：低压电器新一代产品实现了可通信、网络化，能与多种开放式的 现场总线连接，进行双向通信，实现电器产品的遥控、遥信、遥测、遥调功能。 现场总线技术的应用，不仅能对配电质量进行远程监控，减少损耗。而且，现 场总线技术能对同一区域电网中多台断路器实现区域连锁，实现配电保护的自 动化，进一步提高配电系统的可靠性。工业现场总线领域使用的总线有p r o f i b u s 、 m o d b u s 、d e v i c e n e t 等，其中m o d b u s 与p r o f i b u s 的影响较大。 3 第1 章引言 模块化：将不同功能的模块按照不同的需求组合成模块化的产品，是新一 代产品的发展方向。如a b b 推出的t m a x 系列，热磁式、电子式、电子可通讯 式脱扣器都可以互换。附件全部采用模块化结构，不需要打开盖子就可以安装。 绿色环保：产品材料的选用、制造过程及使用过程不污染坏境，符合欧盟 环保指令【4 1 。 1 2 低压电器数字化控制与保护技术 低压电器数字化控制与保护技术是指：运用数字化技术实现低压电器的控 制与保护功能。这项技术也是新一代低压电器产品的一个显著特点，因此新一 代低压电器也可被称为数字化低压电器，或智能低压电器。低压电器的数字化 控制与保护技术主要包括嵌入式系统技术、信号采集技术、通信技术、直流稳 压电源技术、人机交互技术。 从前文可以看到，国外在9 0 年代就对低压电器的数字化控制与保护技术做 了大量研究工作，并取得了很大成绩，生产了大量的数字化低压电器产品，其 中有对传统低压电器的升级换代，也有大量新产品的涌现垆】。 智能c p s ：是一种新型多功能集成电器，c p s 将断路器、接触器、热继电 器以及隔离器的功能融为一体，汇集了分立元器件的优点并克服其缺点，这种 模块化的单一结构型式的多功能集成化电器为低压配电与控制系统提供了一种 新型的理想的基础元件。 数字化低压断路器：8 0 年代末，电力系统的发展r 新月异，低压断路器原 有的热磁和模拟电子脱扣器已经不能满足要求，从而出现了基于微处理器的智 能化数字式脱扣器，把微处理器引入低压断路器，使断路器保护功能大幅度增 强。紧接着，利用微处理器的通信功能和现场总线技术，到9 0 年代，发展成为 可通信电器，并且与其它智能化电器元件组成低压配电装置的电能管理系统。 数字式电动机保护器：数字式电动机保护器是随着数字化技术的发展而诞 生的专业用于电动机保护的电器，目前根据电动机保护要求的高低分成高、中、 低端产品系列。高端电动机保护器功能非常强大，如西门子公司的3 u f 7 系列电 动机保护器。数字式电动机保护器功能扩展上也呈现方案多样化，保护范围不 仅是电动机保护，也扩展到其他设备保护，例如变电站保护、变压器保护等。 低档和中档的数字式电动机保护器的机械结构和功能与传统的热保护继电器类 4 第1 章引言 似，可直接与同等级的接触器组装成紧凑型电动机启动器，但功能比热继电器 更强大，将逐步替代热继电器，在电动机的控制与保护领域占有一席之地。 数字式软启动器：近年来国内外软起动器技术发展很快。软起动器从最初 的单一软起动功能，发展到同时具有软停车、故障保护、轻载节能等功能，因 此受到了普遍的关注。目前国外的著名电气公司几乎均有软起动器产品进入中 国市场，并占有较大的市场份额。例如：a b b 公司软起动器分为p s a 、p s d 和 p s d h 型3 种，其中p s d h 为重载起动型。其功能主要有：起动斜坡时间设定、 初始电压设定、停止斜坡时间设定、起动电流极限设定、脉冲突跳起动、大电 流开断等，还有运行、故障、过载指示。 电动机变频调速装置( 变频器) ：电动机变频调速装置可以通过改变电源输 出频率任意调节电机转速，实现平滑的无级调速，在需要调速的工业控制中得 到广泛的应用。新一代电动机变频调速装置总的特点是：高性能：易用型强， 安装及初始化设置进一步简单化；具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转 矩控制特性；功率结构与控制单元模块化，控制单元能支持即插即用功能；智 能化、支持多总线通信，提供开放的现场可编程结构；高功率密度，体积紧凑。 1 3 课题研究的重要意义 低压电器是供用电企业中的重要设备，在供用电中处于极为重要的地位， 是保证配电网安全、可靠、经济运行和人身安全及人们生产和生活用电的关键 设备。低压电器的运行、维护、检修水平将直接影响供用电的可靠性和用电设 备的安全运行及人身安全，与社会的大生产和人民生活密切相关。发电设备所 发出电能的8 0 以上是通过低压电器分配使用的。 近年来，随着社会经济的高速增长，带动了大批量电力、石化、水利、市 政等基础设施的建设，从而为低压电器产品提供了广阔的市场。同时，设备制 造业的发展，也需要大量的低压电器与之配套。粗略估计，未来几年中国国内 每年低压电器产品的市场总需求容量约为数百亿。如此大容量的低压电器市场， 吸引了大批低压设备制造商。这其中有来自国外的世界5 0 0 强企业，如a b b 、 g e 、s i e m e n s 等；同时也有众多的国内企业，如常熟开关厂、人民电器、j 下泰电 器等f 6 1 。 随着数字化低压电器迅速地被市场认可，给世界各国低压电器设备制造商 5 第1 章引言 都带来了机遇和挑战，国外每年都投入大量资金对低压电器数字化控制与保护 技术进行研究、开发，以提供给市场一个技术先进、功能完善的数字化产品， 从而抢得市场先机。在这个低压电器大革新的时代，低压电器数字化控制与保 护技术的研究对于我国尤为重要，只有在该技术上保持领先，我国低压电器产 品才能摆脱长期落后于世界领先水平的局面。 1 4 本文研究的主要内容 本文首先研究了低压电器数字化进程中一些共性的关键技术，并在此基础 上提出了一个数字化控制与保护装置的解决方案。最后通过试制、调试验证了 由此装置组成的智能低压断路器具有传统低压断路器不可比拟的优势。全文内 容安排如下： 第一章首先简单介绍了低压电器行业及其国内外发展、研究现状。在此基 础上概括出低压电器产品的未来发展趋势，论述了低压电器数字化进程的必然 性，同时也描述了新一代低压电器产品的技术特征和一些关键技术。 第二章和第三章深入研究了低压电器数字化进程中的一些关键技术。第二 章侧重于数字化技术在低压电器领域中应用时所需要解决的一些关键技术，包 括：直流稳压电源技术、信号采集技术、通信技术。第三章侧重于数字化低压 电器产品为传统工控网络带来的新发展和新课题，包括：电气控制技术、电动 机保护技术、电网谐波检测技术等。这两章内容是第四章与第五章的理论基础。 第四章是前两章理论研究的一个具体实践。在这章中介绍了一个数字化控 制与保护装置的设计方案，该装置是智能c p s 的核心部件。在完成该装置的设 计工作后，又进行了样机试制，并通过各项功能试验和电磁兼容试验验证了设 计方案。 第五章对数字化低压电器的测试技术进行了初步研究。本文着重对具有精 度较高、稳定度好、操作方便等优点的智能三相电流、电压源进行了研究和试 制。该智能电源运用六路正弦信号源和功率放大器来产生三相电流和三相电压， 这个有别于传统的设计方案使得三相电流和三相电压的频率、幅值、相位调节 更准确、更简单。 第六章对全文进行了总结，并指出了研究工作中的不足。最后对下一步研 究方向进行了展望。 6 第2 章低压电器数字化技术研究 2 1 引言 第2 章低压电器数字化技术研究 数字化低压电器是将低压电器传统的功能和结构特征与相关的数字化技术 相结合，使得低压电器的基本特征发生变化，特别是在高性能、高可靠性、模 块化、通信、网络化等方面均有较大的发展。目前低压电器发展的重要特点就 是在控制、保护、检测、通讯等方面的数字集成化。 大量的数字电路被应用到低压电器产品中，由于工业环境的特殊性使得数 字化技术在不断提高低压电器性能的同时，也给数字化技术带来了新的发展和 新的课题。 本章将分别介绍低压电器数字化进程中所面临的三项关键技术：直流稳压 电源技术、信号采集技术、通信技术。 2 1 数字化低压电器中的直流稳压电源技术 低压电器的各类数字化模块中有大量的电子电路，只有这些电子电路性能 的不断提高才能推进数字化低压电器向着小型化、高性能、高可靠性等方向发 展。几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，当由交流电网供电时，则需 要把交流电转换为稳定的直流电。如果直流电源的质量得不到保证，则会引起 电路工作不稳定，从而会造成测量、计算的误差，甚至无法正常工作。因此， 安全、可靠、稳定的电源设计是低压电器数字化控制与保护技术的保障和基础。 本章主要介绍了两大类稳压电源线性稳压电源和开关稳压电源各自的 实现原理和优缺点，并结合数字化低压电器的发展趋势着重介绍了两种实际的 电源设计方案。 2 1 1 数字化低压电器对电源的要求 应用在低压电器中的数字化模块一般包括单片机、运算放大器、继电器等 7 第2 章低压电器数字化技术研究 电子元件，它们组成的电路需要的工作电源是直流稳压电源，该类电源能够将 交流2 2 0 v ( 交流1 1 0 i , 交流3 8 0 v 等) 市电电压转换成电路所需的各类直流电 压。 由于数字化模块中各种元件对工作电源有不同的要求，也就形成了一些针 对电源设计的性能指标，例如额定功率、电压调整率、电流调整率、纹波系数、 温度系数、响应时间等技术指标。同时由于数字化模块的整体设计要求，也将 形成对电源的体积、重量、成本尤其是电磁兼容等方面的要求。 2 1 2 直流稳压电源的实现方法 直流稳压电源按照实现的方法可以分为：直流线性稳压电源和开关直流稳 压电源。 2 1 2 1 线性直流稳压电源 线性直流稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性 区，靠调整管集电极与发射极之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗 大，有时需要安装一个很大的散热器。而且由于变压器工作在工频( 5 0 舷) 上， 所以重量、体积都较大。线性稳压电源电路如图2 1 所示。t 为工频变压器。 t 功率管 图2 1 线性稳压电源电路示意图 市电通过变压器降压后进行整流与滤波，得到未稳定的直流电压，再经过 稳压调整电路便得到需要的稳定的直流电压。图2 1 中，功率管与控制电路组成 一个串联稳压调整电路，保持输出的稳定。 8 第2 章低压电器数字化技术研究 这种稳压电源电路的主要特点是： ( 1 ) 精度高，纹波小； ( 2 ) 容易实现输出连续可调的多路电源； ( 3 ) 功耗大，效率低，效率一般在6 0 以下； ( 4 ) 存在着一个相对体积大并且又笨重的工频变压器，所需空间大； ( 5 ) 调整管和变压器散发出的热量使设备的可靠性和稳定性变差。 2 1 2 2 开关直流稳压电源 与线性直流稳压电源不同的一类稳压电源就是开关直流稳压电源，它的电 路型式主要有单端反激式、单端j 下激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性 电源的根本区别在于它的变压器不工作在工频而是工作在几十于赫兹到几兆赫 兹；功率管不是工作在线性区，而是工作在饱和及截止区即开关状态，开关电 源因此而得名【，j 。 开关稳压电源的种类很多，但基本电路都由线性滤波器、整流滤波器、直 流一直流( d c d c ) 变换器和稳压控制电路构成。开关稳压电源按输入电源与 输出电源的关系又可分为：非隔离型开关稳压电源和隔离型开关稳压电源。 非隔离降压式开关电源是开关电源进入市场最早的一类。因为它以极小的 体积、重量，宽范围的稳压性能，使用电设备的市电适应性大幅提高。图2 2 是 此类开关电源的结构图。输入的直流电压，经过开关管通断控制变成周期为t 的矩形波。控制开关管导通时间t l ，即可控制输出电压。 图2 21 卜隔离型开关电源结构图 9 压 第2 章低压电器数字化技术研究 现在市场上有大量将开关电源实现单片集成化的芯片。此类芯片生产厂家 有：美国摩托罗拉( m o t o r o l a ) 公司、硅通用( s i l i c o ng e n e r a l ) 公司、尤尼特德 ( u n i t r o d e ) 公司、意一法半导体有限公司、美国电源集成公司( p o w e ri n t e g r a t i o n s i n c ，简称p i 公司) 、飞利浦( p h i l i p s ) 、美国安森美( o n s e m i ) 半导体公司等。 p i 公司生产的l i n k s w i t c h t n 系列芯片是在此类电源中应用较广泛的一款 芯片。l i n k s w i t c h t n 的控制器包括一个振荡器、反馈电路( 检测及逻辑电路) 、 5 8v 稳压电路、旁路引脚欠压电路、过温保护、频率调制、限流电路、前沿消 隐电路及一个7 0 0v 的功率m o s f e t 。l i n k s w i t c h t n 还另外集成了用于自动重 启动的保护电路。芯片的集成度很高，外围电路简单。图2 3 是一个运用 l i n k s w i t c h t n 系列中l n k 3 0 5 p 芯片的一个具体设计。 置 职蔷f 1 咖阳5 v i ) 7 当 j【 。a 坠。-y 、坠厂 1 3 1 s m l t 函咚 叫 1 i 母1 6 、 把气。6 。一f 1 j 图2 3 非隔离型开关电源电路原理图 虽然不隔离的开关电源得到了广泛的使用，但是在使用中也有明显缺点， 市电与用电设备的电源共地，给用户的使用和维护造成麻烦。此外，随着工业 通讯的r 益发展，数字化低压电器有多种多样的数字通讯信号接口，其信号地 与市电必须隔离。因此8 0 年代后，输入输出隔离的开关电源大量涌现。图2 4 是此类开关电源的结构框图。通过丌关管控制脉冲变压器初级线圈的能量存储， 能量释放则通过脉冲变压器次级进行。改变脉冲变压器的匝数比，可以得到不 同的各种脉冲电压，整流滤波后向负载提供直流电压。很明显，开关电源的输 入和输出端是通过脉冲变压器的磁耦合传递能量的，脉冲变压器绕组之间的绝 缘，使初级侧与次级侧完全隔离，绝缘电阻和抗电强度均可达到很高踊j 。 1 0 第2 章低压电器数字化技术研究 i d c d c 变换器 图2 4 开关稳压电源的结构框图 脉冲变压器耦合的开关电源，按其激励方式分为自激型和他激型。他激式 开关电源控制电路比较复杂，但其性能有无可比拟的优势。现在大多数他激式 开关电源都用集成化驱动器，将误差放大器、脉宽调制器、振荡器以及过电压、 过电流保护集成在一体，使他激式开关电源设计日益方便，从而占据了市场主 流。 总体来说，与线性稳压电源相比，开关电源的主要优缺点有： ( 1 ) 效率高，功耗小。效率在8 0 以上； ( 2 ) 稳压范围宽。交流输入电压范围可从6 5 v 到2 6 0 v ，这个范围远远大 于一般的线性稳压电源； ( 3 ) 热稳定性高； ( 4 ) 体积小，重量轻。开关电源用高频变压器代替了工频变压器，使电源 的重量大大减轻。此外，由于开关电源的工作频率较高，滤波电容、 电感可用较小数值的元件，也可使体积减小，重量减轻； ( 5 ) 开关电源的主要问题是电路比较复杂，输出纹波电压较高，瞬态响应 差等。 2 1 3 数字化低压电器中开关电源的电磁兼容问题 2 1 3 1 低压电器产品的电磁兼容 在国家标准g b t 4 7 6 5 1 9 9 5 电磁兼容术语中对电磁兼容”的定义是【9 】： “设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不 能承受的电磁骚扰的能力”。 1 1 第2 章低压电器数字化技术研究 从字面理解，设备的电磁兼容性包含了两方面的意思：首先，设备要有一 定的抗干扰能力，使其在电磁环境中能够j 下常工作；其次，设备工作中自身产 生的电磁骚扰应抑制在一定水平下，不能对同处于一个电磁环境中的任何事物 构成不能承受的电磁骚扰。定义中的“事物不仅包含同一电磁环境中的其他 设备和系统，而且还包括生活在同一电磁环境中的人、动物和植物，不能给人、 动物和植物带来危害。可见，产品的电磁兼容除保证产品本身的可靠性外，还 对保护生态环境和国家安全有着积极作用。 低压电器产品只有通过国家的一系列强制性产品认证才能进行生产、销售 和进出口。电磁兼容( e m c ) 试验就是其中的一项强制性测试项目。对低压电 器的电磁兼容性测量同样也包含了对低压电器的抗干扰能力和自身骚扰抑制这 两方面的要求。抗干扰能力包括：静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰 度试验、电快速瞬态脉冲群抗扰度试验、浪涌( 冲击) 抗扰度试验、射频传导 抗扰度试验、电压瞬时跌落和短时中断；自身骚扰抑制包括：射频辐射发射试 验和射频传导发射试验。 2 1 3 2 与开关电源相关的电磁兼容试验项目 考核一个电源的好坏除了额定功率等硬性指标外结合前文可以看出，低耗 材、低功耗、小体积、高稳定性的开关电源比起传统的线性稳压电源更符合数 字化低压电器的发展趋势。但是开关电源也有它的不足之处，其中最严重的便 是开关电源的电磁兼容性能问题。 开关电源中的功率管工作在高频的开关切换状态，所以电路中会有复杂的 高频干扰。低压电器产品的电磁兼容试验如上文所述共有8 项，除了静电放电 抗扰度试验外其余7 项试验都与开关电源相关，有些试验能否通过直接取决于 开关电源的性能。可以说，e m c 性能的提高措施主要是在电源设计上实现。 射频电磁场辐射抗扰度和射频传导抗扰度对开关电源的影响机理是一样 的。都是在一些频点影响丌关电源的反馈回路，造成输出电压的波动从而影响 装置的正常工作。 浪涌( 冲击) 抗扰度试验则对开关电源的绝缘强度有较大威胁，带过压保 护的开关电源也会出现保护误动无电压输出的情况，使装置失去工作电源。 快速瞬变干扰一般不会对开关电源自身的工作造成影响，却对继电保护装 置整体的快速瞬变抗扰度至关重要。开关电源有一个重要作用，就是对电源通 1 2 第2 章低乐电器数字化技术研究 道上传入的各种电磁干扰进行有效的隔离和衰减，防止干扰信号窜入装置内部， 引起装置系统的死机或混乱【1 0 】。 射频辐射发射试验和射频传导发射试验都是考验开关电源对自身高频骚扰 的吸收和抑制性能。 2 1 3 3 隔离技术 图2 4 是开关稳压电源的结构框图。该开关电源对输入电压与输出电压进行 了电气隔离设计，其作用为：保护设备，提高整体e m c 性能；隔离危险电压， 保护人身安全。前者是指对由于闪电、放电、电网切换、电机启动和其它电网 燥声引起的干扰具有抑制作用；后者是指对操作此设备的人的保护。 在此开关电源中隔离设计分为两部分：高频变压器和集成控制器。高频变 压器通过电磁电的过程将输入端的能量运送至输出端；集成控制器是 运用其中的光电耦合器通过电光电的过程将输出端的反馈信号运送回 输入端。在这两部分电路的共同作用下实现了输入端与输出端的电气隔离。 2 1 3 4 印制电路板的抗干扰设计 影响印制电路板抗干扰性能的因素很多，其中主要有：铜箔的厚度，印制 导线的宽度、长度和相邻线之问的串扰，板内布局的不合理，以及导线的公共 阻抗、导线和元器件在空间中产生的电磁场等。要使开关电源获得最佳性能， 元器件的布局及导线的布设是很重要的。在高频开关电源中，由于印制板上既 有电平为5 玖1 5 y 等小信号控制线，又有高压电源母线，同时还有一些高频 功率开关、磁性元件，如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置，将 直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。 在设计开关电源印制电路板时，良好的布局与布线技术是控制噪声的一个 重要手段，为了减少噪声的产生和防止由于噪声所引起的误动作，在进行元器 件的御局时，应该注意以下几剧j ： ( 1 ) 应该根据印制板的安装方式，把易发热的元器件如稳压器件、功率开 关器件、变压器等安装在印制板的上方部位，以利于散热；热敏元件应远离发 热元件。 ( 2 ) 应尽量将相互关联的元器件摆放在一起以避免因器件离得太远而造成 印制线过长所带来的干扰；在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参 1 3 第2 章低压电器数字化技术研究 数，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的 电磁干扰；尽量减小由高频脉冲电流所包围的面积。 ( 3 ) 易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。 ( 4 ) 应该在所有的集成电路旁放置一个滤波电容，以便减小盅源线阻抗， 缩小电流环路，使电路工作更加稳定可靠。 印制电路板的抗干扰设计不仅与布局有关，而且与布线也有相当大的关系。 开关电源印制电路抗干扰设计布线的原则如下： ( 1 ) 根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线、接地线宽度，减少环 路阻抗；同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强 抗噪声能力。 ( 2 ) 相邻电路之间不应该有过长的平行线，走线尽量避免平行；如果在设 计印制电路板时平行走线无法避免，可在两条平行的信号线之间加条地线， 以起屏蔽作用；尽量拉开两条平行的信号线之间的距离，以降低两线之间电磁 场的影响；使两条平行的信号线上流过的电流方向相反。 ( 3 ) 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或央角在高频电路中会影响电 气性能；交叉用垂直方式，线宽不要突变，印制线也不要突然拐角，以免发生 反馈耦合；高频元件周围尽量用栅格状、大面积地箔。 ( 4 ) 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 ( 5 ) 数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使 它们尽量分开。 2 2 数字化低压电器中的信号采集技术 数字化低压电器有很多区别于传统低压电器的地方，其最具特色之一的就 是信号采集技术的变化。数字化低压电器将大量的模拟信号，如三相电压、三 相电流、频率、温度、压力、位移、转速等，转换成数字信号加以处理、显示 等。这项技术大大提高了低压电器的性能，包括：更丰富的保护功能、更精准 的参数设定、更直观的数据显示、更便捷的信号传递。 信号采集技术就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调 理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到数据处理系统中进行处理、分 析、存储和显示。信号采集技术是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取 1 4 第2 章低压电器数字化技术研究 信息的重要途径。并且随着是低压电器的的发展与普及，信号采集技术在低压 电器行业将有更为广阔的发展前景。 信号采集系统追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量值 的测试都要有一定的精度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速度 不仅仅可以提高工作效率，更主要的是可以扩大数据采集系统的适用范围，以 便于实现动态测试【l 引。 2 2 1 信号采集系统的组成 信号采集系统随着新型传感器技术、微电子技术和计算机技术的发展而得 到发展。信号采集系统包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分又可以分为模 拟部分和数字部分。其硬件基本组成如图2 5 所示【1 3 】。 i 传感器l - d 前置放大器u 滤波器p - 多 f 传感器l 一前置放大器u 滤波器卜 路 模 4 三亘二 - 刚数据处理器 拟 开 关 l 传感器l 一前置放大器l _ 一滤波器b 图2 。5 信号采集系统的硬件基本组成 从图2 5 可以看出信号采集系统一般由传感器、前置放大器、滤波器、多路 模拟开关、采样保持器( s h ) 、模数转换器( a d ) 和数据处理器组成。 传感器的作用是将被测物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的 信息j 下确与否，直接关系到整个系统的精度。传感器的定义是：能感受规定的 被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件 和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或影响被测的部分； 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或影响的被测量转换成适于传输或测 量的电信号部分。 前置放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小。比如， 常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之问，电阻应变片输出电压只 1 5 第2 章低压电器数字化技术研究 有几个毫伏，因此需要加以放大来满足大多数a d 转换器的满量程输入0 5 v 的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到阻 抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同， 因此放大器的种类也很多。例如，为了减少输入信号的共模分量，就产生了各 种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具 有最佳变换，这样就产生了量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器的漂 移，就产生了斩波稳零和激光修j 下的精密放大器。 为了提高模拟输入信号的信噪比，常常需要使用滤波器对传感器以及后续 处理电路中的器件产生的噪声信号进行一定衰减。 多路模拟开关、采样保持器( s i - i ) 、模数转换器( a d ) 、数据处理器这四 部分在现代采集系统中一般都集成在单片机内部，无需用户自行设计。 2 2 2 采样定理 要想采样后能够不失真的还原出原信号，采样频率必须满足采样定理。 设有连续的信号x ( f ) ，其频谱为x ( ) ，以采样周期乃采得的离散信号为 彳。( 七z ) ，( k = - o ，l ，2 ，) 。如果频谱和采样周期满足下列条件【1 4 】： ( 1 ) x ( ) 为有限频谱，即当l f l 丘时，x ( ) = 0 ； ( 2 ) z 2 i 1 2 丘。 则连续信号唯一确定，这就是采样定理。f 就是信号频谱的最高频率。采 样定理指出，对一个有限频谱的连续信号进行采样时，当采样频率z 2 正时， 由采样所得的信号能无失真的还原出原信号。采样定理为数据采集系统采样频 率的选择提供了理论依据。 根据采样定理，在频率为5 0 h z 的正弦信号的一个周波内，多于两点的采样， 就可以由采样所得的离散采样信号还原出原始信号。实际应用中，采样频率总 是选择高于采样信号最