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北京动力源科技股份有限公司 重庆联通用户培训开关电源培训讲义漆逢吉第一章 不间断直流电源供电系统概述整流器 (AC/DC）9交 流配 电直 流配 电蓄 电池 组控制器AC DC图11 不间断直流电源供电系统框图（一）系统框图开关电源设备中包含交流配电部分、整流器、直流配电部分和控制器，它连同蓄电池组和接地装置，构成不间断直流电源供电系统，如图11所示。交流配电：防雷，并对交流电源进行分配、控制、检测和保护等，主电路原理图参看设备使用说明书。输入交流应采用三相五线制。在这种制式中，工作地线（零线）与保护地线必须严格分开。交流导线的截面积，一般按发热条件来选择。铜芯绝缘导线的线芯截面积，可按4A/mm2来选取。绝缘导线的线芯标称截面积（mm2）系列为：1、1.5、2.5、4、6、10、16、25、35、50、70、95、120、150、185、240等。机房内的交流导线应采用阻燃型电缆。保护接地的接地线应采用多股铜芯绝缘导线。其线芯截面积的选取原则是：相线截面积S35mm2时，采用16mm2；相线截面积S35mm2时，选用S/2。整流器：把交流电变成所需直流电。现在一般都采用高频开关整流器。高频开关整流器采用无工频变压器整流、功率因数校正电路和脉宽调制高频开关电源技术，具有小型、轻量、高效率、高功率因数、高可靠性以及智能化程度高、可以远程监控、无人值守或少人值守等优点，因此得到了广泛应用。 通信用高频开关整流器为模块化结构。在一个高频开关电源系统中，通常是若干高频开关整流器模块并联输出，输出电压自动稳定，各整流模块的输出电流通过均流电路实现自动均衡。 直流配电：连接整流器的输出端、蓄电池组和负载，构成浮充供电的不间断直流电源系统。它对输出直流进行分配、控制、检测和保护等。其主电路原理图如后面的图21所示。直流馈电线的截面积，按允许电压降来选择。根据欧姆定律，可按下式计算ILS （11）U式中 S导体截面积（mm2）；I流过导线的电流（A）；L导线长度（m）；U导线上的允许压降（V）；导体的电导率（m/mm2）,铜为57,铝为34，是电阻率的倒数。需要注意，根据我国通信行业标准YD504097通信电源设备安装设计规范，直流放电回路（即从蓄电池组两端到通信设备受电两端）的全程压降，48V电源应3.2V(一般取3V)，24V电源应1.8V(原有窄电压范围供电系统)或2.6V（新建宽电压范围供电系统）；我国通信行业标准YD/T10512000通信局（站）电源系统总技术要求中规定，直流配电屏内放电回路（即开关电源系统内从连接蓄电池的两端到各直流输出分路两端）电压降应500mV。因此，应先将允许全程压降减去0.5V，再适当分配蓄电池组至开关电源的导线允许压降和开关电源输出端至通信设备受电端的导线允许压降，然后计算确定相应直流导线的截面积。直流输出分路常用的断路器（空气开关）、熔断器的规格及容量系列为163A/1P、80100A/1P断路器：1、3、6、10、16、20、25、32、40、50、63、80、100A；1160A（NT00系列）熔断器：4、6、10、16、20、25、32、35、40、50、63、80、100、125、160A；125400A（NT2）熔断器：125、160、200、224、250、300、315、355、400A；315630A（NT3）熔断器：315、355、400、425、500、630A。各输出分路的直流熔断器额定电流值，应不大于最大负载电流的2倍。 控制器：即监控模块，实质上是个专用计算机。例如“动力源”开关电源系统中的控制器，它与交流检测板、直流检测板和转接板等相配合，对开关电源系统及蓄电池组进行智能化控制，并进行故障告警。通过RS485接口，可用微机近端监控；通过RS232接口，可实现微机远程集中监控。正是有了这种控制器，才使电源设备成为智能电源。 蓄电池组：现在一般采用阀控式密封铅酸蓄电池（英文缩写为VRLAB）组。这种电池可与主机同室放置，并具有一系列显著的优点。蓄电池是化学电源，充电时把电能变成化学能储存起来，放电时把化学能变成电能供给负载。为使直流电源不间断，蓄电池是必不可少的。 接地：-48V或-24V电源系统，电源正端必须可靠接地；+24V电源系统，电源负端必须可靠接地。此即直流工作接地，应采用单点接地方式，就近从接地汇集线上引入接地线（移动通信基站的直流工作接地线一般为线芯截面积3595mm2的多股铜芯绝缘导线）。要求接地电阻值如表1所示。表1 通信局（站）名称接地电阻值（）综合楼、国际电信局、汇接局、万门以上程控交换局、2000路以上长话局 12000门以上、1万门以下程控交换局、2000路以下长话局32000门以下程控交换局、光缆端站、载波增音站、地球站、微波枢纽站、移动通信基站 5微波中继站、光缆中继站、小型地球站 10微波无源中继站 20（注）注：当土壤电阻率太高达到20困难时，可放宽到30。通信局（站）应实施联合接地。所谓联合接地，就是通信局（站）各类设备的工作接地、保护接地以及建筑防雷接地共同合用一组接地体。联合接地系统由大地、接地体、接地引入线、接地汇集线和接地线组成。移动通信基站的联合接地系统，应符合我国通信行业标准YD506898移动通信基站防雷与接地设计规范中的要求。（二）直流基础电源技术指标不间断直流电源供电系统应能稳定、可靠、安全地向通信设备供电，供电质量符合标准。我国通信行业标准YD/T10512000通信局（站）电源系统总技术要求中规定的直流基础电源电压标准及技术指标，如表2所示。表2标准电压（V）-48-24通信设备受电端子上电压允许变动范围（V）-40 -57-21.6 -26.4（注1）杂音电压（mV)电话衡重22峰峰值400（注2）400(注2)宽 频（有效值）（注3）100(3.4KHz150KHz)30(150KHz30MHz)离散频率（有效值）5(3.4KHz150KHz)3(150KHz200KHz)2(200KHz500KHz)1(500KHz30MHz)注1、新建-24V或+24V宽电压范围供电系统，通信设备受电端子上电压允许变动范围为19 29V。注2、杂音电压指标是在直流配电屏输出端子处的测量值。进网开关整流器要求峰峰值杂音电压200 mV。注3、进网开关整流器要求宽频杂音电压：50 mV (3.4KHz150KHz)，20mV（150KHz30MHz）。此外，直流供电回路接头（直流配电屏以外的接头）压降应符合下列要求：1000A以下，每百安培5mV；1000A以上，每百安培3mV。（三）三相五线制简介图12 三相五线制接线原理图三相五线制（即TN-S系统）220/380V低压交流电的接线原理图如图12所示，图中降压电力变压器仅画出了副绕组。副绕组采用星形（Y形）连接，副绕组的首端引出三根相线：L1、L2、L3，副绕组的中性点接地，从其地线汇流排上引出两根线，一根为零线（中性线）N，另一根为保护地线（无流零线）PE，它们都应当用绝缘导线布放。零线N流过三相不平衡电流；保护地线PE专门用于保护接地，接到设备的金属外壳上，平时无电流通过，当交流相线与机壳短路时，流过较大的短路电流，使接于相线中的断路器或熔断器等保护器件迅速动作，及时切断故障电流，从而保证人身和设备的安全。严禁在零线和保护地线中加装开关或熔断器。在三相五线制系统中还严禁采用零线作为保护地线。为了便于区分不同的电源线，电气设备中电源线的颜色应符合规定：相线为U相（A相）黄色、V相（B相）绿色、W相（C相）红色，零线为黑色，保护地线为黄、绿双色。在三相五线制供电系统中，单相供电采用单相三线制，三线即相线、零线和保护地线。第二章 浮充供电（一）电路工作原理蓄电池的运行有充放电、半浮充和全浮充三种工作方式。通信局（站）现在都采用全浮充工作方式，即整流器与蓄电池组并联向负载（通信设备等）供电，电路基本工作原理如图21所示。交流电正常时，整流器供给全部负载电流，并对蓄电池组进行补充充电，使蓄电池组保持电量充足，此时蓄电池组仅起平滑滤波作用；当交流电源中断、整流器停止工作时，蓄电池组放电供给负载电流；当交流电源恢复、整流器投入工作时，又由整流器供给全部负载电流，同时它以稳压限流方式对蓄电池组进行低电压恒压充电。直流电源系统的输出电压等于蓄电池组的端电压。蓄电池开路时，正、负极板两端的电压等于蓄电池的电动势E。铅酸蓄电池E的标称值为2V。实际上它的量值是变化的，充电时，电解液密度增大，E值相应增大；放电时，电解液密度减小，E值也相应减小。蓄电池充电时，端电压 U=E+I充r (21)放电时，端电压 U=E-I放r (22)图21 浮充供电原理图式中，r是蓄电池内阻。由上两式可见， 充时电UE，放电时UE，放电时UuC时，整流元件才导通，i2持续时间短、峰值大。于是： i2的有效值与平均值之比大，要求整流元件的额定容量大。 相应地i1持续时间短、峰值大，i1分解得出的正弦基波分量较小，且同uAC有相位差，故PF较小，约0.6左右；同时谐波分量大，对电网造成干扰。图35 单相桥式整流电容滤波的电路图与波形图 三次谐波电流在电网中线上叠加，可能使零线电流比相线电流大，零线可能发热损坏。 为解决上述问题，通信用高频开关整流器必须采用功率因数校正（Power Factor Correction 缩写PFC）电路，使整流器的功率因数符合我国通信行业标准YD/T7312002的规定：在单机输出最大功率1.5kW时，应PF0.92；在单机输出最大功率1.5kW时，应PF0.95。“动力源”的高频开关整流器均优于上述要求。3、无源功率因数校正电路三相输入的整流模块目前大多采用无源功率因数校正电路，如图36所示。它实际上就是三相桥式不可控整流电路连接由L4、C组成的电感输入式平滑滤波器，并在电路的交流侧串接用于限制谐波电流的低频电感L1、L2和L3。这样能以较小的电感总重量得到较好的无源功率因数校正效果。图36 三相输入无源功率因数校正电路图37A相电流波形交流侧每相电流波形如图37所示。图中iA表示A相电流。若滤波电感L4的电感量很大（这时不接L1L3），则每相电流近似为交变的矩形波，如图中虚线所示，整流器的功率因数理论上可达0.955；实际上为了避免设备的体积重量过大，L4以及L1L3的电感量都较小，因此每相电流如图中实线所示，此时PFUm(Um是交流电源电压的振幅值，有效值220V时Um为311V；UO是瞬时输出电压uo的平均值，约为400V)。ui、uo和D的变化规律如图39所示。（3）控制原理系统采用双环控制，即由稳压控制环路与输入电流波形控制环路来控制。每个环路都有基准、采样、误差放大等环节。两个控制环路通过乘法器联系在一起，由电流波形误差放大器去控制脉宽调制电路，使功率开关管有适当的导通占空比，从而实现电路的功能。图39 APFC电路uo与ui的关系及占空比的变化规律 有源功率因数校正电路输入电流i的实际波形如图310中所示，在每一开关周期中，ton期间i上升，toff期间i下降，其高频脉动电流的平均值为正弦波绝对值。经过电网侧输入滤波器将高频电流成分滤除，交流输入电流iAC是与输入电压uAC同相的正弦波，如图310中所示。图310 平均电流控制型APFC电路的输入电流(四)通信用高频开关整流器主电路举例图311为输入单相交流电的通信用高频开关整流器主电路举例，同时画出了一些控制电路的方框。图中QF为断路器（空气开关），用它控制整流器交流电源的通断；当输入交流电流过流时能自动断开，起过流和短路保护作用。输入滤波器除了采用具有共模电感的抗干扰滤波器外，还在两条输入线上各串联了一个高频电感，以便更好地滤除有源功率因数校正电路产生的反灌高频电流分量。输入过压保护由继电器K1执行。平时K1不动作，其常闭触点接通；当交流输入电压高于允许输入电压范围的上限时，K1动作，使常闭触点断开，切断整流器主电路的交流输入。开机时用电阻 R 限制输入冲击电流，实现软启动。启动完成后K2继电器动作，其常开触点闭合将R旁路。有源功率因数校正电路为PWM升压式电路。DC/DC变换器为移相全桥ZVS-PWM变换器。输出滤波器采用了具有共模电感的抗干扰滤波器。输出侧的电流取样用于整流器输出限流保护以及均流控制。整流器的输出就是DC/DC变换器的输出，DC/DC变换器是一个负反馈自动调整系统，其输出大小由PWM集成控制器来控制，在电源电压变化或负载变化时能自动保持输出稳定。当PWM集成控制器中电压误差放大器输入的取样电压是反映整流器输出电压的变化时，自动调整稳定的对象为输出电压；如果取样电压反映的是整流器输出电流的变化，那么自动调整稳定的对象就成为输出电流。整流器正常工作时，输出电流取样电压小于输出电压的取样电压而不起作用，整流器运行于自动稳压状态；当整流器负载过重，输出电流上升到限流点时，输出电流取样电压大于输出电压的取样电压而取代它，于是整流器运行于自动稳流状态，从而限制输出电流的上升。我国通信行业标准YD/T731-2002 通信用高频开关整流器规定，通信用高频开关整流器应具有直流输出电流的限流性能，限流点为其额定值的105%110。图311 单相输入的通信用高频开关整流器主电路举例（五）通信用高频开关整流器的若干技术指标（1）效率是指电网电压为额定值、直流输出电压为稳压上限值、输出电流为额定值时，直流输出功率与交流输入有功功率之比的百分数。我国通信行业标准YD/T731-2002通信用高频开关整流器规定，整流器在单机输出最大功率1500W时，效率应90%；在单机输出最大功率1500W时，效率应85%。（2）负载效应（负载调整率）是指交流输入电压为额定值，直流输出电流在额定值的5%100%范围变化，直流输出电压偏离整定值的变化率（直流输出电压在输出电流为额定值的50%时整定）。YD/T 7312002规定，应不超过直流输出电压整定值的0.5%。（3）源效应（电网调整率）是指直流输出电流为额定值，交流输入电压在额定值的85%110%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率（直流输出电压在交流输入电压为额定值时整定）。YD/T 7312002规定，应不超过直流输出电压整定值的0.1%。（3）稳压精度是指交流输入电压在85%110%之间变化，负载电流在5%100%范围内变化，直流输出电压偏离整定值的变化率。稳压精度（V）按下式计算 （36）式中 U代表所测直流输出电压偏离整定值出现的最大值及最小值； UO为直流输出电压整定值，在输入额定电压、输出50%额定电流时整定。YD/T 7312002规定，V应不超过直流输出