城轨控制电源设备维护（第2版）课件：开关电源

开关电源开关电源也称为高频开关整流器、无工频变压器型开关整流器，具有高效、节能、功率密度大等优点，目前广泛应用于通信信号电源系统。开关电源第一节开关电源简述二原理三特点一组成及分类1.开关电源的组成开关电源主要由三部分组成：主电路、控制电路和辅助电路组，如图所示。第一节开关电源简述1.主电路交流滤波电路：包括低通滤波、浪涌抑制等电路，用于消除高次谐波电流浪涌电压以及外界射频的干扰。工频整流电路：采用桥式硅整流电路，它把单相或三相交流电变为直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源。功率因数校正电路：消除由整流电路引起的谐波电流，减小功率损耗，提升功率因数。直流变换电路：由逆变和高频整流两部分组成，逆变部分将直流高压变换为高频低压。高频整流部分将高频电压变换为电信设备所需要的直流低压。直流滤波及输出电路：在整流模块的输出端口，包括高频整流滤波及抗电磁干扰等电路，最后提供稳定可靠的直流电源。二原理三特点一组成及分类第一节开关电源简述2.控制电路控制电路包括检测放大电路、U/M（电压/脉宽）转换电路或U/F（电压/频率）转换电路、时钟振荡器、驱动电路及保护电路等。控制电路为功率开关管提供激励信号，应能将主电路输出电压的微小变化转换成脉宽或频率变化，实现自动调整输出电压的目的，负载发生短路或过流时应有保护功能。3.辅助电路辅助电路为控制电路提供必要电源。二原理三特点一组成及分类第一节开关电源简述2.开关电源的分类（1）按调制方式分，有脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）及混合调制。（2）按采用的开关技术分，有硬开关和软开关。二原理三特点一组成及分类第一节开关电源简述开关电源的工作原理是市电直接由二极管整流后，经功率因数校正电路、功率变换电路，把直流电源变换成高频率的交流电流，再经高频整流成电信设备需要的低电压直流电源。采用高频换流技术可使变压器的体积、质量大为减小，这是高频开关整流器的技术核心，可用下式说明变压器电压与其他参量间的关系，即式中：U为变压器电压（V）；B为磁通（T）；S为铁芯截面面积（m2）；f为频率（Hz）；N为绕组匝数。二原理三特点一组成及分类第一节开关电源简述采用开关电源供电已成为现代电信系统主流。与传统的相控电源相比，开关电源具有如下特点：（1）体积小、质量小。在相同功率条件下，开关电源的体积和质量比相控整流器减小很多，如48V/400A晶闸管整流器的质量约为580kg，而600A高频整流器的质量仅为237kg。开关电源适宜于分散供电，可与电信设备和VRIA蓄电池同置一室。（2）节能。效率大于90%。（3）开关电源功率因数高，一般大于0.92，在有功率因数校正电路时，功率因数接近1，因而对公共电网不会造成污染。而相控电源功率因数为0.65左右。（4）模块可热备份冗余应用，可靠性高。（5）装有监控模块，与计算机相结合组成智能化电源，便于集中监控。（6）噪声低，当开关频率在40kHz以上时，基本上无噪声。（7）扩容容易，调试简单。（8）维护方便，易于更换故障模块。二结构三特点一概述第一节开关电源简述开关电源第二节直流变换器DC-DC直流变换器是开关电源的主要组成部分，它是转换的核心，涉及频率、可靠性及整个技术指标。另外，通信设备通常需要－48V、±5V、±12V、±24V等直流电源。这些不同种类的电源要有DC-DC直流变换器来提供，因此，DC-DC直流变换器也是通信电源的重要设备。第二节直流变换器一、非隔离型的升压变换器如图是升压型DC-DC变换器的主电路。它是由功率开关管K、储能电感L和续流二极管D所组成的。当开关管受控导通时，UI加到储能电感L的两端，二极管D处于反偏而截止，电流通过储能电感L将电能转换成磁能，并存在储能电感L中。开关管受控截止时，储能电感L两端的电压极性颠倒，二极管D变为正偏，为储能电感L和电源UI串联放电提供通路，电流流经二极管D至负载RL和滤波电容C0。第二节直流变换器二、隔离型的单端正激变换器如图所示为单端正激型DC-DC变换器的主电路。当功率开关管K导通时，整流二极管D1也同时导通，输入电能通过整流二极管D1传递给负载，同时将部分能量存储在输出回路（即高频变压器副边回路）中的储能电感L中，故这种开关电源称为单端正激型DC-DC变换器。当开关管K截止时，高频变压器原边电压UP、副边电压US均反相。整流二极管D1反偏截止。储能电感中的自感电势使续流二极管D2正偏而导通。此时储能电感将储存的磁能变为电能，通过D2继续向负载供电。第二节直流变换器三、隔离型半桥DC-DC变换器半桥型DC-DC变换器电路用两只容量、耐压都相同的电容器C1、C2和两只特性相同的开关管K1、K2组成——电桥，输入电源电压UI加于电桥一对角线的两端点上，而高频变压器的原边绕组则接在电桥另一对角线的两端点上，如图所示。第二节直流变换器当开关管K1被驱动导通时，电容C1两端电压便通过开关管Kl加到高频变压器原边绕组N1两端。此时，变压器原边绕组N1两端电压和电容C1两端电压相等，都等于输入电源电压UI的一半，其极性为P2端为正。当开关管K1截止、K2被驱动导通时，电容C1两端的电压通过开关管K2加到变压器原边绕组N1的两端，使绕组N1两端电压极性反向，即P1端变为正端，其值也等于输入电源电压UI的一半。因此，功率开关管K1、K2轮流导通、截止时，在高频变压器原边绕组N1两端便产生一幅值为UI/2的正负方波脉冲电压。此脉冲电压通过高频变压器传递到副边，再经整流二极管整流、储能电感L及电容C0滤波后向负载供电。第二节直流变换器四、全桥型DC-DC变换器全桥型DC-DC变换器的主回路如图所示。在此电路中，桥路相对边上的一对开关管K1、K4或K2、K3是同时导通和同时截止的。此电路既保持有半桥型DC-DC变换器中开关管截止时极间所承受的电压较低的特点，又具有推挽型电路所具有的输出电压高、输出功率大的优点。因此，全桥型电路在大功率DC-DC变换器中应用比较多。第二节直流变换器开关电源第三节监控单元监控单元在开关电源系统中负责协调系统其他模块单元的正常工作，对开关电源系统的操作一般也集中在对监控单元的操作上。对监控单元的日常操作也就是对其菜单的操作。一、监控单元的首页一般在监控单元的首页会显示：系统输出电压、系统输出电流、交流输入电压、环境温度和系统状态等常规内容。例如，某开关电源系统监控单元正常时显示屏显示如下：系统输出电压：535V系统输出电流：400A交流输入电压：220V环境温度：25C系统状态：浮充第三节监控单元首页一般还会提示有无告警信息以及进入下级子菜单的途径。常见的子菜单有以下几项。资料：包括蓄电池容量情况、下次均充时间等；系统输入交流情况、输出直流电情况等；各整流模块状态（告警、限流、关机、正常等）、地址配置（与监控单元通信所分配的地址）等；系统时间以及该监控单元软件版本信息等。参数：包括告警参数的设定、整流模块功能的设定、电池功能的设定、系统时间和语言选择的设定等。记录：记录系统工作时发生的事件，并有几十条甚至上百条的历史事件记录以备查询。告警：记录显示历史及当前告警事件的内容、时间和告警级别等。第三节监控单元二、参数子菜单的设定内容监控单元操作中，参数子菜单的设定内容是最多的，而且要求有足够的开关电源系统专业知识才能够准确地操作设定相关参数。（1）直流高压告警电压设定：事先设定直流高压告警电压为58V，则当系统输出直流电压上升至58V时，系统将会发出声光告警，显示系统输出高压告警。（2）直流过压停机电压设定：事先设定直流过压停机电压为59V，则当系统输出直流电压上升至59V时，整流模块停机并发出声光告警，显示系统输出过压停机告警。（3）直流低压告警电压设定：事先设定直流低压告警电压为47V，则当系统输出直流电压下降至47V时，系统将会发出声光告警，显示系统输出低压告警（一般是在电池单独放电的情况下发生）。第三节监控单元（4）交流高压告警电压设定：事先设定交流高压告警电压为242V，则当系统输入交流电压上升至242V时，系统将会发出声光告警，显示系统输入交流高压告警。（5）交流低压告警电压设定：事先设定交流低压告警电压为187V，则当系统输入交流电压下降至187V时，系统将会发出声光告警，显示系统输入交流低压告警。（6）系统时间和语言选择的设定：设定系统时间，为监控单元记录事件提供时间依据。同时，系统一般可提供多种操作语言供选择。第三节监控单元开关电源第四节开关电源检修维护高频开关电源系统在通信电源系统中所处的重要地位，决定了对它的运行管理和维护工作是非常重要的。由于开关电源系统本身平均无故障运行时间的长短、日常维护质量的优劣、外界干扰强度和工作环境等因素的影响，因此设备发生故障是难免的，对故障的迅速、正确排除，减少故障所造成的损失是一项重要的基本任务。目前的高频开关电源系统具有一定的智能化，这不仅体现在高频开关电源系统具有智能接口能与计算机相连实现集中监控，而且当系统发生故障时，系统监控单元能显示故障事件发生的具体部位、时间等。维护人员利用监控单元的这些信息能初步判断故障的性质。但由于目前高频开关电源系统智能化程度还远远没有达到真正能代替人的所谓“人工智能”的程度，很多实际故障发生后的判断处理仍然需要有经验的电源维护人员根据故障现象，进行缜密分析，做出正确的检查、判断及处理。二检查维修三故障处理一日常检查开关电源系统日常检查项目内容和方法如下：（1）用灰刷、干抹布和吸尘器清洁设备内部积灰；1次/月。（2）检查设备的系统告警功能：采用模拟交流停电、直流熔断等模拟故障，系统应准确告警；1次/月。（3）检查设备的系统显示功能：监控整流模块的电压、电流显示误差应分别小于0.2V和0.5A；1次/月。（4）检查系统内部通信功能：各模块间通信正常，同一模块无多次通信中断告警；1次/月。（5）检查系统参数设置：系统所有参数设置正常，无漂移现象；1次/月。（6）检查系统接地保护：直流工作接地、保护接地连接无松动；1次/月。（7）用红外测温仪测量直流熔丝和熔丝接点温升，要求温升小于50C；1次/月。（8）检查继电器、断路器动作是否可靠、稳定，其接触点要求温升小于55C；1次/月。第四节开关电源检修维护二检查维修三故障处理一日常检查（9）检查散热风扇运行是否正常、无卡滞，滤网无积灰；1次/月。（10）检查系统内部插件和电缆连接、固定是否良好，要求无挤压变形、无发热和老化；1次/月。（11）检查系统防雷保护：避雷器工作是否正常，接线连接是否紧固；1次/月。（12）检查开关电源系统的均流性能：观察并记录开关电源各模块输出电流，计算系统均流特性要求优于±5%；1次/季。（13）检查接线端子的接触是否良好、连接有无松动；1次/季。（14）用红外测温仪和或4位半万用表检查空气开关、接触器件，分析判断接触是否良好；1次/季。（15）试验系统软启动性能：关闭开关电源模块5min再开机（输出电流不进入限流），观察系统直流输出电压是否缓慢上升；1次/季。（16）开关电源系统的输入谐波对比测试：使用电力谐波分析仪表检测开关电源交流输入电压、电流谐波，关闭所有开关电源交流输入，重复测试，前后所测数据之差为测试结果，要求小于5%；1次/季。第四节开关电源检修维护二检查维修三故障处理一日常检查第四节开关电源检修维护当设备发生故障后，需进行维修。系统检查维修的基本步骤如下：①首先查看系统有无声光告警指示。由于开关电源系统各模块均有相应的告警提示，如整流模块故障后其红色告警指示灯点亮，同时系统蜂鸣器发出声音告警。②再看具体故障现象或告警信息提示。例如，观察具体故障现象