（电气工程专业论文）断路器操作控制电源的研制.pdf

摘要 摘要 随着电力系统的日益发展壮大，高压断路器作为电力系统的主要电气设备，取 得了突破性进展。 这些设备在提高电网安全可靠性的同时， 也给电力测试人员带来新的 挑战和困难。 动作电压试验、机械特性a il 试是最能反映高压断路器机械性能的测试。为了做 好该项测试，可调电压的断路器操作控制电源是关键。当前广泛使用的整流电源， 在带上负载后的输出电压，比较之前的整定值会有明显跃落。无论是恒定还是瞬间 的电压跌落，其对断路器动作特性影响都是不可忽视的。另外，动作电压试验、机 械特性测试一般都在高电场下进行，电源的抗干扰性要求较高。因此，本文提出研 制较高负载调整特性、 纹波系数小、 抗千扰性强、 较好人机界面的断路器操作控制电源。 本文所做工作和取得了以下成果: 首先， 分析断路器操作控制电源的国内外现状和弊端。根据断路器测试工作要求 进行需求分析，确定了断路器操作控制电源的功能定位和参数要求。 其次，在分析高频开关电源技术的基础上，提出用高频开关电 源技术研制断路器 操作控制电源的总体结构框图，并详细分析了其主电路拓扑结构， 构建出控制电路，提 出驱动放大电路; 然后讨论和给出输入滤波电路、输出 滤波电路、 辅助电源电路、 保护 电路等。 然后， 提出 用单片机技术研制断路器操作控制功能模块的总体结构框图。 断路器操 作控制功能模块从硬件上分为: 辅助电源电 路、单 片机电 路、数模转换与放大电 路、 继 电器执行电路、 液晶显示模块、 数字键盘电 路、 看门狗电路等功能模块， 进行了原理设 计和电 路设计;并用c语言 对断路器操作控制功能模块进行程序分析与设备调 试。 最后，根据上述设计图纸，安装研制出 h f p s - 0 0 3型断路器操作控制电源，并进 行试用测试。测试证明其具有较高负载调整特性、纹波系数小、工作性能稳定、抗 干扰性强、较好的人机界面，能够单独满足高压断路器的低动作电压测试要求，也 可配合示波器对断路器进行机械特性测试。 关镇词:高频开关电 源;单片机:高压断路器:测试;直流电 源 ab s t r a c t b s t r a c t wit h t h e f a s t d e v e l o p m e n t o f t h e p o w e r e l e c t r i c s y s t e m , t h e r e c o m e s a g r e a t b r e a k t h r o u g h o n t h e h i g h v o lt a g e c i r c u it b r e a k e r w h ic h is a n i m p o rt a n t e q u i p m e n t o f t h e p o w e r n e t . t h e h i g h v o lt a g e c i r c u it b r e a k e r im p r o v e s t h e s e c u r i t y o f t h e p o w e r n e t a n d b r i n g s n e w c h a l le n g e s a n d p r o b le ms t o t h e t e s t e r s . t h e o p e r a t io n v o lt a g e t e s t a n d t h e m e c h a n ic a l p r o p e r t y t e s t a r e t h e m o s t d i r e c t w a y t o r e f le c t t h e t h e m e c h a n ic a l p r o p e r t i e s o f t h e h ig h v o lt a g e c i r c u i t b r e a k e r . a n d t h e c o n t r o l p o w e r s u p p ly o f t h e c i r c u it b r e a k e r is t h e k e y t o t h e a b o v e e x p e r i m e n t s . t h e o u t p u t v o lt a g e o f t h e r e c t if ic a t i o n m o d e ls a r e m u c h lo w e r t h a n t h e o p e n c i r c u it o n e s . b o t h t h e a v e r a g e v o lt a g e d r o p a n d t h e i n s t a n t a n e o u s v o t a g e d r o p h a v e a v e r y i m p o rt a n t i m p a c t o n t h e p r o p e rt ie s o f t h e h i g h v o lt a g e c i r c u it b r e a k e r . in a d d it io n , f o r t h a t b o t h t h e o p e r a t io n v o lt a g e t e s t a n d t h e m e c h a n ic a l p r o p e r t y t e s t a r e c a r r ie d o u t u n d e r h ig h v o lt a g e s , t h e p o w e r s u p p ly m u s t b e a b le t o s u s t a in a h ig h e le c t ro m a g n e t ic in t e r f e r e n c e . in t h is p a p e r , a n e w h ig h v o lt a g e c ir c u it b r e a k e r w h ic h h a s a b e tt e r lo a d r e g u la t io n p r o p e r ty , s m a lle r r ip p le s , s t r o n g e r a n t i -j a m m in g a n d b e t t e r m a n - m a c h in e i n e rf a c e i s p r o p o s e d . t h e p a p e r is a r r e n g e d a s t h e f o llo w in g : f i r s t , t h e p r e s e n t s t a t u s a n d t h e d r a w b a c k s o f t h e c ir c u it b r e a k e r c o n t r o l p o w e r s u p p ly a r e a n a ly z e d . a c c o r d in g t o t h e t e s t r e q u ir e m e n t s o f t h e h ig h v o lt a g e c i r c u it b r e a k e r , t h e f u n c t io n a llc a t io n a n d t h e p a r a m e t e r s a r e d e f in e d . s e c o n d , o n t h e b a s is o f t h e h ig h f r e q u e n c y s w it c h in g p o w e r s u p p l y , t h e g lo b a l s t r u c t u r a l b lo c k d ia g r a m o f t h e c i r c u it b r e a k e r c o n t r o l p o w e r s u p p ly i s p r e s e n t e d . t h e m a i n c i r c u it i s a n a ly z e d d e t a il ly , t h e c o n t r o l c i r c u it i s e s t a b l is h e d , t h e d r i v i n g c i r c u it is p u t f o r w a r d . f in a ll y , t h e i n p u t f i lt e r c i r c u it , t h e o u 切u t f i lt e r c i r c u it , t h e a u x il l ia ry c i r c u it a n d t h e p r o t e c t io n c i r c u it a r e p r e s e n t e d a n d d i s c u s s e d t h e n , t h e g lo b a l b lo c k d ig r a m o f t h e c ir c u it b r e a k e r c o n t ro l f u n c t io n a l m o d u le u s i n g t h e c h i p m ic r o c o m p u t e r t e c h n iq u e is f o r m e d . t h e f u n c t io n a l m o d u le o f t h e c i r c u it b r e a k e r c o n t r o l p o w e r s u p p ly is c o m p o s e d o f t h e a u x il lia ry c i r c u it , t h e c h i p m ic r o c o m p u t e r c ir c u it , t h e a / d t r a n s f e r a n d a m p lif ie r c ir c u it , t h e r e la y e x e c u t e c ir c u it , t h e i 响 u id c r y s t a l d is p la y c i r c u it , t h e d ig it a l k e y b o a r d c i r c u it a n d t h e w a t c h d o g c i r c u it e t c . t h e p r i n c ip le s a n d t h e d e s ig n s c h e m e s o f t h e a b o v e c ir c u it s a r e p r e s e n t e d . a n d t h e c o n t r o l f u n c t io n a l m o d u le is p r o g r a m m in g a n a ly z e d a n d p ro t o t y p i n g t e s t e d . l a s t , a c c o r d in g t o t h e a b o v e d e s ig n , t h e h f p s - 0 0 3 c i r c u it b r e a k e r o p e r a t io n c o n t r o l p o w e r s u p p ly p r o t o t y p e i s p r o d u c e d a n d t e s t e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u lt s v e r if i e d t h a t t h e n e w c i r c u it b r e a k e r o p e r a t io n c o n t r o l p o w e r s u p p ly h a s t h e h i g h e r lo a d r e g u l a t i o n c h a r a c t e r , l o w e r r ip p l e c o e f f ic i e n t , m o r e s t a b l e p e r f o r m a n c e , s t r o n g e r e m c a n d m o r e f r i e n d ly m a n m a c h i n e i n t e rf a c e . k e y w o r d s . h ig h f r e q u e n c y s w it c h in g p o w e r s u p p ly ; c h ip m ic r o c o m p u t e r ; h ig h v o lt a g e c i r c u it b r e a k e r ; t e s t i n g ; d c p o w e r s u p p l y ii 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : 俞菠 雄 。 期 =0 s, 4 * 7 月 ， : 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口， 在_ 年解密后适用本授权书。 本 学 位 论 文 属 于/ 不保密刁。 ( 请在以上相应方框内打 “ , / , 作者签名: 导师签名: 簿又 滩 f 匈 日 期 0不 ; 年7月 ， z日 日 期: 3 1乒 年 7 月， 2 日 _ _v 章 绪 i t -_ _ 第一章 绪论 1 . 1 本课魔的 研究背景和意义 高压断路器是电力系统中 最重要的控制和保护电器，其作用就是接通或切断 高压电路，它 一 方面可以根据正常运行的需要，接通或分断高压电路，供应和分 配电 能， 对电力系统起控制作用; 同时还可以 在电力系统发生故障( 短路等) 时， 在 继电保护装置的配合下， 迅速切断故障电路防止事故的扩大，保证非故障部分的 i f . 常供电，对电力系统起保护作用。断路器的工作能力是由许多参数决定的，这 些参数对评价断路器的性能，对于按要求选择适合的断路器都很重要，其主要参 数如下:额定电压、额定断路电流、断开电流、断流容量、动稳定电流、热稳定 电流、合闸时间、断开时间等。 随着电力系统的日益发展壮大，高压断路器作为电力系统的主要电气设 备，取得了突破性进步，其电压等级越来越高和数量越来越多，性能也不断提 高，新产品、新设备层出不穷。这些设备在提高电网安全可靠性的同时，也给电 力测试人员带来新的挑战和困难。如何做好高压断路器的测试维护，成为电力 工作的一大主题。因此，要研制方便使用、测试准确、安全可靠的断路器调试 测量仪器。 动作电压试验、 机械特性测试是最能反映高压断路器电气、 机械性能的测 试，通过它能考核断路器的各种开断与关合性能，验证灭弧室与 其它部分的结构 设计尹 制造工艺和材料选择是否正确合理， 尽早检测出断路器的机械缺陷和隐患， 避免发生高压断路器拒分、拒合、分合不成功、爆炸等事故发生。因为操作机 构动作迟缓等，将引起消弧的延缓，其后果使继电 保护动作不正确， 如跃级跳闸 等;严重时使断路器爆炸。高压断路器动作电压试验、机械特性测试是断路器 安装、 检修工作中必不可少的项目， 也是保证电力系统安全运行的一项基本预 防性试验。 为了做好该项测试， 可调电压的断路器操作控制电源是关键。当前广泛使 用的整流电源，在带_ 卜 负载后的输出电压，比较之前的整定值会有明显跃落。 _ _v 章 绪 i t -_ _ 第一章 绪论 1 . 1 本课魔的 研究背景和意义 高压断路器是电力系统中 最重要的控制和保护电器，其作用就是接通或切断 高压电路，它 一 方面可以根据正常运行的需要，接通或分断高压电路，供应和分 配电 能， 对电力系统起控制作用; 同时还可以 在电力系统发生故障( 短路等) 时， 在 继电保护装置的配合下， 迅速切断故障电路防止事故的扩大，保证非故障部分的 i f . 常供电，对电力系统起保护作用。断路器的工作能力是由许多参数决定的，这 些参数对评价断路器的性能，对于按要求选择适合的断路器都很重要，其主要参 数如下:额定电压、额定断路电流、断开电流、断流容量、动稳定电流、热稳定 电流、合闸时间、断开时间等。 随着电力系统的日益发展壮大，高压断路器作为电力系统的主要电气设 备，取得了突破性进步，其电压等级越来越高和数量越来越多，性能也不断提 高，新产品、新设备层出不穷。这些设备在提高电网安全可靠性的同时，也给电 力测试人员带来新的挑战和困难。如何做好高压断路器的测试维护，成为电力 工作的一大主题。因此，要研制方便使用、测试准确、安全可靠的断路器调试 测量仪器。 动作电压试验、 机械特性测试是最能反映高压断路器电气、 机械性能的测 试，通过它能考核断路器的各种开断与关合性能，验证灭弧室与 其它部分的结构 设计尹 制造工艺和材料选择是否正确合理， 尽早检测出断路器的机械缺陷和隐患， 避免发生高压断路器拒分、拒合、分合不成功、爆炸等事故发生。因为操作机 构动作迟缓等，将引起消弧的延缓，其后果使继电 保护动作不正确， 如跃级跳闸 等;严重时使断路器爆炸。高压断路器动作电压试验、机械特性测试是断路器 安装、 检修工作中必不可少的项目， 也是保证电力系统安全运行的一项基本预 防性试验。 为了做好该项测试， 可调电压的断路器操作控制电源是关键。当前广泛使 用的整流电源，在带_ 卜 负载后的输出电压，比较之前的整定值会有明显跃落。 华南理工大学硕士 学位论文 无论是恒定还是瞬间的电压跌落，其对断路器动作特性影响都是不可忽视的， 因为断路器操作线圈的动作时间不到个周波， 整个断路器的分、 合闸时间也 只是几个周波。对动作电压试验而言，操作电压跌落的影响就更甚大。另外， 动作电压试验、 机械特性测试一般都在高电场下进行，电源的抗干扰性要求较 高。 因此，需要研制较高负载调整特性、纹波系数小、抗干扰性强、较好人机界 面的断路器操作控制电源。 随着单片机和高频开关电源技术的发展应用，使得较高负载调整特性、纹波 系数小、抗千扰性强、较好人机界面的断路器操作控制电源研制有了技术基础与 背景。 1 ， 2 断路器操作控制电源的现状 l2 . 1 国内断路器操作控制电 派的现状和弊端 现阶段断路器测试用直流电源一般使用以下三种方式，都存在不少弊端: 用变电站的直流系统作为试验电源，通过滑线变阻器调节电压大小进行试 验。若现场试验接线出现短路或直流直接接地，将直接影响到变电站整个直流系 统，轻则造成高压设备失去保护，重则使直流系统崩溃，危及电网安全。 利用现场交流电， 用调压器进行简单的硅整流后直接输出直流进行试验。 硅整流电 源结构简单、 造价低，但其输出输入没有隔离，外壳可能带电， 危及人 身安全。 更重大弊端是其输出 特性差、直流纹波大， 输出电 压随负载增大而 减少。 对断路器机械特性和动作电压试验而言，不能准确提供分、合闸动作电1+ 值。 利用传统线性电源即晶体管放大型直流电源进行试验。其负载特性好，但 过流能力差、效率低、重量大、不适于便携，不适用于现场试验。 上述三种方法构成的断路器操作控制电源，人机界面较差，对电压调节一 般通过电 位器，调整麻烦，自 动化程度低。 断路器测试用的三大块功能模块仪器如直流电 源仪、操作控制仪、示 波器 都是分体设计，每次断路器测试都要搬运三大件仪器，接线复杂，而体积大、重 量大，不适于便携，不适用于现场试验。 华南理工大学硕士 学位论文 无论是恒定还是瞬间的电压跌落，其对断路器动作特性影响都是不可忽视的， 因为断路器操作线圈的动作时间不到个周波， 整个断路器的分、 合闸时间也 只是几个周波。对动作电压试验而言，操作电压跌落的影响就更甚大。另外， 动作电压试验、 机械特性测试一般都在高电场下进行，电源的抗干扰性要求较 高。 因此，需要研制较高负载调整特性、纹波系数小、抗干扰性强、较好人机界 面的断路器操作控制电源。 随着单片机和高频开关电源技术的发展应用，使得较高负载调整特性、纹波 系数小、抗千扰性强、较好人机界面的断路器操作控制电源研制有了技术基础与 背景。 1 ， 2 断路器操作控制电源的现状 l2 . 1 国内断路器操作控制电 派的现状和弊端 现阶段断路器测试用直流电源一般使用以下三种方式，都存在不少弊端: 用变电站的直流系统作为试验电源，通过滑线变阻器调节电压大小进行试 验。若现场试验接线出现短路或直流直接接地，将直接影响到变电站整个直流系 统，轻则造成高压设备失去保护，重则使直流系统崩溃，危及电网安全。 利用现场交流电， 用调压器进行简单的硅整流后直接输出直流进行试验。 硅整流电 源结构简单、 造价低，但其输出输入没有隔离，外壳可能带电， 危及人 身安全。 更重大弊端是其输出 特性差、直流纹波大， 输出电 压随负载增大而 减少。 对断路器机械特性和动作电压试验而言，不能准确提供分、合闸动作电1+ 值。 利用传统线性电源即晶体管放大型直流电源进行试验。其负载特性好，但 过流能力差、效率低、重量大、不适于便携，不适用于现场试验。 上述三种方法构成的断路器操作控制电源，人机界面较差，对电压调节一 般通过电 位器，调整麻烦，自 动化程度低。 断路器测试用的三大块功能模块仪器如直流电 源仪、操作控制仪、示 波器 都是分体设计，每次断路器测试都要搬运三大件仪器，接线复杂，而体积大、重 量大，不适于便携，不适用于现场试验。 _第 漳_ _ _ 1 . 2 . 2 国外断路器操作控制电源的发展 国外断路器测试仪器的发展，正是在采用更先进新器件、新技术、新材料、 新工艺来逐步减少其体积和重量，改善了性能，也就向着小型化、便携性、集成 化、模块化、数字化发展。如国外某便携式断路器操作控制电源将断路器测试用 的三大块功能模块仪器中的直流电源仪、操作控制仪合为一体，可输出稳定连续 可调的3 0 y - 2 6 5 v d c 电源，最大输出电流为1 0 a ,重量少于 i o k g ，但价格贵，约 人民币六七万元/ 台。 1 . 3 断路器操作控制电源的功能定 位和参数要求 下 ， 3 . 1 断路器操作控制电源的摇求分析 高 压断路器中广泛采用气动、弹簧、液压操动机构，其直流电源只为一级阀 提供脱扣能量， 输出电 流约数a e 国内常用断路器操动机构分、 合闸线圈工作电 压 一般为1 1 0 v 或2 2 0 v ， 工作电流一 般是1 5 a ，即断路器操作控制电 源的最大输出电 流要求z ,. = 1 5 a a 断路器低电压动作和机械特性试验一般都是在现场变电 站进行， 要求断路器 操作控制电源必须便携，同时能够抗超高压电 场的静电感应等干扰。 断路器低电压动作和机械特性试验需要直流电源具有较好负载调整特性及纹 波系数，即动态响应要非常快，负载前后输出电 压的变化量要足够小; 借鉴到变 电站直流系统正逐步从相控电源更换为高频开关电源，其性能优良，因此宜采用 高频开关电源技术为核心设计断路器操作控制电源的心脏。 断路器低电 压动作和机械特性试验需要调整电 源输出电压( 从 3 0 v - 2 6 5 v大 范围的调压) ，并实施合闸、分闸、合一 分一 合、分一 合一 分等操作命令，并调节 命令间的延时;因此要求其控制智能化和良好人机界面，宜采用单 片机技术为 核心设计断路器操作控制电源的控制功能。 根据七 述需求分析，我们提出所研制断路器操作控制电源的功能定位和参数 要求。 13 . 2 断路器操作控制电源的功能定位 高频开关电 源功能 _第 漳_ _ _ 1 . 2 . 2 国外断路器操作控制电源的发展 国外断路器测试仪器的发展，正是在采用更先进新器件、新技术、新材料、 新工艺来逐步减少其体积和重量，改善了性能，也就向着小型化、便携性、集成 化、模块化、数字化发展。如国外某便携式断路器操作控制电源将断路器测试用 的三大块功能模块仪器中的直流电源仪、操作控制仪合为一体，可输出稳定连续 可调的3 0 y - 2 6 5 v d c 电源，最大输出电流为1 0 a ,重量少于 i o k g ，但价格贵，约 人民币六七万元/ 台。 1 . 3 断路器操作控制电源的功能定 位和参数要求 下 ， 3 . 1 断路器操作控制电源的摇求分析 高 压断路器中广泛采用气动、弹簧、液压操动机构，其直流电源只为一级阀 提供脱扣能量， 输出电 流约数a e 国内常用断路器操动机构分、 合闸线圈工作电 压 一般为1 1 0 v 或2 2 0 v ， 工作电流一 般是1 5 a ，即断路器操作控制电 源的最大输出电 流要求z ,. = 1 5 a a 断路器低电压动作和机械特性试验一般都是在现场变电 站进行， 要求断路器 操作控制电源必须便携，同时能够抗超高压电 场的静电感应等干扰。 断路器低电压动作和机械特性试验需要直流电源具有较好负载调整特性及纹 波系数，即动态响应要非常快，负载前后输出电 压的变化量要足够小; 借鉴到变 电站直流系统正逐步从相控电源更换为高频开关电源，其性能优良，因此宜采用 高频开关电源技术为核心设计断路器操作控制电源的心脏。 断路器低电 压动作和机械特性试验需要调整电 源输出电压( 从 3 0 v - 2 6 5 v大 范围的调压) ，并实施合闸、分闸、合一 分一 合、分一 合一 分等操作命令，并调节 命令间的延时;因此要求其控制智能化和良好人机界面，宜采用单 片机技术为 核心设计断路器操作控制电源的控制功能。 根据七 述需求分析，我们提出所研制断路器操作控制电源的功能定位和参数 要求。 13 . 2 断路器操作控制电源的功能定位 高频开关电 源功能 华南理工大学硕士学位论文 装置应具备高频开关电源功能， 即输入市电2 2 0 v 1 1 0 % a c ， 可提供稳定连续可 调的3 0 v - 2 6 5 v d c电源输出，最大输出电流:工 。 x 1 5 a 0 断路器操作控制装置功能 装置应具有操作命令的模拟控制，可对断路器发出单合、单分、重合闸等操 作指令。 如: 可发出一个重合闸 操作指令: 分闸ad d t i 合闸sl nt c2 分m。 而且一个指令 下的两次操作命令间的延时可根据需要调整设定。另外，侮发出一个操作指令的 同时可提供一个预触发信号接通示波器等仪器。 本装置应可 用于做断路器的机械特性试验及低电压动作试验用。 保护及其它功能 装置应设有过流保护、过热保护、防雷保护、延时保护、漏电 保护、输出电 压保护等保护功能。应采用高频开关电源及软开关技术，提高整机效率，降低电 磁干扰;应有较强的抗干扰性，可在2 2 0 k v 等高电压电场作用下正常工作。 便携式现场测试仪器功能 装置应具有重量轻、便携、抗干扰的性能，并将直流电源仪、操作控制仪功 能合_为一体。 1 . 3 . 3 断路器操作控制电 派的参致要求 输入电压范围:2 2 0 v 士1 0 % a c 5 0 h z 士5 % 环境工作温度:- 5 0c 4 5 0c 输出电 压范围:3 0 v d c -2 6 5 v d c连续可调 最大输出电 流:i w ,x = 1 5 a 输出 稳定精度:-9 0 % 持续输出时间( 延时保护时间) 可调整范围:0 . 1 -l o s 操作命令间延时时间可调整范围: 0 -1 mo m s 结构型式:便携式 重量:毛2 0 k g 华南理工大学硕士学位论文 装置应具备高频开关电源功能， 即输入市电2 2 0 v 1 1 0 % a c ， 可提供稳定连续可 调的3 0 v - 2 6 5 v d c电源输出，最大输出电流:工 。 x 1 5 a 0 断路器操作控制装置功能 装置应具有操作命令的模拟控制，可对断路器发出单合、单分、重合闸等操 作指令。 如: 可发出一个重合闸 操作指令: 分闸ad d t i 合闸sl nt c2 分m。 而且一个指令 下的两次操作命令间的延时可根据需要调整设定。另外，侮发出一个操作指令的 同时可提供一个预触发信号接通示波器等仪器。 本装置应可 用于做断路器的机械特性试验及低电压动作试验用。 保护及其它功能 装置应设有过流保护、过热保护、防雷保护、延时保护、漏电 保护、输出电 压保护等保护功能。应采用高频开关电源及软开关技术，提高整机效率，降低电 磁干扰;应有较强的抗干扰性，可在2 2 0 k v 等高电压电场作用下正常工作。 便携式现场测试仪器功能 装置应具有重量轻、便携、抗干扰的性能，并将直流电源仪、操作控制仪功 能合_为一体。 1 . 3 . 3 断路器操作控制电 派的参致要求 输入电压范围:2 2 0 v 士1 0 % a c 5 0 h z 士5 % 环境工作温度:- 5 0c 4 5 0c 输出电 压范围:3 0 v d c -2 6 5 v d c连续可调 最大输出电 流:i w ,x = 1 5 a 输出 稳定精度:-9 0 % 持续输出时间( 延时保护时间) 可调整范围:0 . 1 -l o s 操作命令间延时时间可调整范围: 0 -1 mo m s 结构型式:便携式 重量:毛2 0 k g 一- 一.蒸 章 绪论一_ 厂 _ _ 1 . 4 本课皿主要研究内 容 利用单片机和高频开关电源技术， 结合实际，本文研制了 较高负载调整特性、 纹波系数小、抗干扰性强、较好人机界面的断路器操作控制电源，主要研究内容 如下: 第二章: 提出用高频开关电 源技术研制断路器操作控制电 源的总体结构框图p 并详细分析电源主电路拓扑结构，构建出电压环和电流环双环控制的开关电源控 制电 路， 提出了个桥变换器适合用变压器隔离驱动，并对驱动放大电路进行了 分 析，然后讨论了输入滤波电 路、输出 滤波电路、辅助电 源电路，给出了开关电源 的保护电路，最终完成高频开关电源功能模块的研制实现。 第二章: 提出用单片机技术研制断路器操作控制功能模块的总体结构框图， 然 后将断路器操作控制功能模块从硬件上分为:辅助电源电路、单片机电路、数模 转换与放大电 路， 继电 器执行电路，液晶显示模块、 数字键盘电路、看门狗电路 等功能模块进行研制其设计原理图和电路设计， 接着介绍了 用 c语言 对断路器操 作控制功能模块进行程序分析与设备调试。最终完成断路器操作控制功能模块的 研制实现。 第四章:安装调试研制的断路器操作控制电 源，通过对输入、输出、外特性 进行测试，考察断路器操作控制电源性价比。 华南理工大学工程硕士 学位论文 第二章 本课题中高频开关电源功能模块的研制实现 2 . 1 高绷开关电 派技术 高频开关电 源是综合应用电力电子、集成电路、电子与电磁、自 动控制及微 处理器技术等的 一种多学科技术 1 4 1现代电 源技术体现了电子电 源近年来的高速 发展，标志着电力电源技术跃进到了一个新阶段。在现代电 源技术中，开关电 源 占有重要地位。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换的电能可以 满足各种 用电 需求，+ ir 以 说现代电 源技术的 繁荣与开关电 源特别是高频开关电 源的发展紧 密联系在一起，因为高频开关电 源是各种大功率开关电源:电力电 源、通信电 源 等的核心技术。 2 . 1 二 1 高绷开关电 稼的 发展与 趋势 美国在2 0 世纪5 0 年代相继出 现单端式和推挽式开关电 源之后， 在6 0 年代就 提出了要逐步取消工频整流式电 源的要求。 到了1 9 6 9 年， 由于大功率硅晶体管的 耐压提高， 一 几 极管反向 恢复时间的 缩短等元器件改善， 终t )m 成了2 5 千赫的开关 电 源， 这一电 源的问世，在世界 各国引 起了强烈的反响，而开关电 源的研究成了 国际会议的热门课题。 7 0 年代， s g公司首 先制造了单片集成脉宽 ( p wm) 控制 芯片， 使开关电源更加小型化， 可靠性得到了进一步的提高。 8 0 年代初， 英国较 早的研制出了4 8 v成套的高频开关式通信基础电 源系统。 这是当时利用高频 直流 变换技术为主开发的新成果。 从那时起到现在的几十年中， 美、日、德等发达国 家都先后研制出了高频开关通信基础电源系统，并得到了推广应用。 我国 于1 9 6 3 年开始研制可控整流器, 1 9 6 5 年开始研制逆变器和品体器d c - d c 变换器，当时与发达国家相比 落后五、六年，由 于此后的 研究工作停滞不前，使 我国的开关电源技术日 趋落后。 2 0 k h z 直流， 直流变换器到8 0 年代才开始生产应 用， 但质量很不稳定。 8 0 年代后期， 为了 能尽快缩想与外国的 差距， 我国电 源的 研制采用了 先引进， 然后合资生产， 最后自 主研制的方法。 8 0 年代后期， 首次从 澳大利亚引进了4 8 v / 5 0 a ( 4 0 k h a )和4 8 v i 1 0 0 a ( 2 0 k f i 7 )的高频开关电源。之 后，广州的珠r电信设备制造公司和挪威的易达 ( e l t e k ) 集闭公司合营，引进 华南理工大学工程硕士 学位论文 第二章 本课题中高频开关电源功能模块的研制实现 2 . 1 高绷开关电 派技术 高频开关电 源是综合应用电力电子、集成电路、电子与电磁、自 动控制及微 处理器技术等的 一种多学科技术 1 4 1现代电 源技术体现了电子电 源近年来的高速 发展，标志着电力电源技术跃进到了一个新阶段。在现代电 源技术中，开关电 源 占有重要地位。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换的电能可以 满足各种 用电 需求，+ ir 以 说现代电 源技术的 繁荣与开关电 源特别是高频开关电 源的发展紧 密联系在一起，因为高频开关电 源是各种大功率开关电源:电力电 源、通信电 源 等的核心技术。 2 . 1 二 1 高绷开关电 稼的 发展与 趋势 美国在2 0 世纪5 0 年代相继出 现单端式和推挽式开关电 源之后， 在6 0 年代就 提出了要逐步取消工频整流式电 源的要求。 到了1 9 6 9 年， 由于大功率硅晶体管的 耐压提高， 一 几 极管反向 恢复时间的 缩短等元器件改善， 终t )m 成了2 5 千赫的开关 电 源， 这一电 源的问世，在世界 各国引 起了强烈的反响，而开关电 源的研究成了 国际会议的热门课题。 7 0 年代， s g公司首 先制造了单片集成脉宽 ( p wm) 控制 芯片， 使开关电源更加小型化， 可靠性得到了进一步的提高。 8 0 年代初， 英国较 早的研制出了4 8 v成套的高频开关式通信基础电 源系统。 这是当时利用高频 直流 变换技术为主开发的新成果。 从那时起到现在的几十年中， 美、日、德等发达国 家都先后研制出了高频开关通信基础电源系统，并得到了推广应用。 我国 于1 9 6 3 年开始研制可控整流器, 1 9 6 5 年开始研制逆变器和品体器d c - d c 变换器，当时与发达国家相比 落后五、六年，由 于此后的 研究工作停滞不前，使 我国的开关电源技术日 趋落后。 2 0 k h z 直流， 直流变换器到8 0 年代才开始生产应 用， 但质量很不稳定。 8 0 年代后期， 为了 能尽快缩想与外国的 差距， 我国电 源的 研制采用了 先引进， 然后合资生产， 最后自 主研制的方法。 8 0 年代后期， 首次从 澳大利亚引进了4 8 v / 5 0 a ( 4 0 k h a )和4 8 v i 1 0 0 a ( 2 0 k f i 7 )的高频开关电源。之 后，广州的珠r电信设备制造公司和挪威的易达 ( e l t e k ) 集闭公司合营，引进 第二章 本课题中高频开关电源功能模块的研制实现 易达公司的技术，开发出4 8 v成套高频开关电源， 从此， 我国一方面积极参加各 种有关的国际学术会议，一方面从国外引进技术，加以自 行研制。目前，武汉洲 际通信电源有限公司、华为、中兴等厂家已 经开发出自己的高频电源，其产品功 能基本接近国际先进水平。 目前国外开关电源都采用更先进新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减 少开关电源的体积和重量，改善了性能，也就是向着高频化、模块化、数字化发 展。具体表现在: 灼 较大功率常效应管 ( v mo s f e t )模块、高速低压降第三代 i g b t模块- 智能型i g b t功率模块，开关频率可达 1 5 0 k e z 的高速 i g b t相继出现并 得到推广，开关电源容量也得到了相应提高。 2 )负载谐振、双零开关 ( z v s , z c s ) ,双零转换 ( z v t , z c t ) 等软开关 技术的发展，它可取代硬开关p wm控制技术。 3 )采用电 流模式控制技术。 4 )采用高 频有源功率因数校正技术。 5 )采用均流技术， 实现多 模块 ( n + 1 )并联运行， 均分负载， 提高可靠性。 6 )采用微机对开关电源实行集中监控，无人值守，提高了智能化程度。 2 . 1 . 2 离绷开关电 派的优点 高频开关电 源的卞要优点在于“ 高频” ; 与传统采用工频变换技术的相控电源 相比， 采用大功率开关管的高频整流电 源， 不但可以 方便的得到不同的电压等级， 更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感、电容。当我们把频率从工 频5 0 赫兹提高到5 0 k赫兹， 提高1 0 0 倍的时候，用电 设备的体积重量大约下降 至工频设 计的5 % 到1 0 % , , 。 除了 这些， 高 频开关电 源还具有效率高、 稳 压、 稳流 精度高， 输出 纹波及谐波失真小、自 动化程度高等优点。 如表2 - 1 所示，是高频 开关电 源与传统的相控电 源主要性能技术指标对比。 表2 - 1高频开关电 源和传统相拎电 源主要性能技术指标对比 t a b l e 2 - 1 t h e c o n t r a s t o f t h e m a j o r p e rf o r m a n c e o f t h e h i g h fr e q u e n c y s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y a n d th e t mn d i t i o n a l p h a s e c o n t r o l p o w e r s u p p l y 技术指标高频开关电源 相控电源 第二章 本课题中高频开关电源功能模块的研制实现 易达公司的技术，开发出4 8 v成套高频开关电源， 从此， 我国一方面积极参加各 种有关的国际学术会议，一方面从国外引进技术，加以自 行研制。目前，武汉洲 际通信电源有限公司、华为、中兴等厂家已 经开发出自己的高频电源，其产品功 能基本接近国际先进水平。 目前国外开关电源都采用更先进新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减 少开关电源的体积和重量，改善了性能，也就是向着高频化、模块化、数字化发 展。具体表现在: 灼 较大功率常效应管 ( v mo s f e t )模块、高速低压降第三代 i g b t模块- 智能型i g b t功率模块，开关频率可达 1 5 0 k e z 的高速 i g b t相继出现并 得到推广，开关电源容量也得到了相应提高。 2 )负载谐振、双零开关 ( z v s , z c s ) ,双零转换 ( z v t , z c t ) 等软开关 技术的发展，它可取代硬开关p wm控制技术。 3 )采用电 流模式控制技术。 4 )采用高 频有源功率因数校正技术。 5 )采用均流技术， 实现多 模块 ( n + 1 )并联运行， 均分负载， 提高可靠性。 6 )采用微机对开关电源实行集中监控，无人值守，提高了智能化程度。 2 . 1 . 2 离绷开关电 派的优点 高频开关电 源的卞要优点在于“ 高频” ; 与传统采用工频变换技术的相控电源 相比， 采用大功率开关管的高频整流电 源， 不但可以 方便的得到不同的电压等级， 更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感、电容。当我们把频率从工 频5 0 赫兹提高到5 0 k赫兹， 提高1 0 0 倍的时候，用电 设备的体积重量大约下降 至工频设 计的5 % 到1 0 % , , 。 除了 这些， 高 频开关电 源还具有效率高、 稳 压、 稳流 精度高， 输出 纹波及谐波失真小、自 动化程度高等优点。 如表2 - 1 所示，是高频 开关电 源与传统的相控电 源主要性能技术指标对比。 表2 - 1高频开关电 源和传统相拎电 源主要性能技术指标对比 t a b l e 2 - 1 t h e c o n t r a s t o f t h e m a j o r p e rf o r m a n c e o f t h e h i g h fr e q u e n c y s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y a n d th e t mn d i t i o n a l p h