谈电源设备的适配性

谈电源设备的适配性

TalkaboutSuitabilityofPowerSupplyEquipments

摘要：提出电源设备适配性的观点，电源与负载间的关系用适配性表达。从电源及其负载组成一个系统出发，统一进行电源的研发、设计。而“适配性试验”用以预测电源在实际应用环境下的工作状况。

关键词：适配性稳压电源

1引言

　　电源与用电设备之间应有适当的连接。例如，经导线直接连接；经开关进行通断操作；接入稳压电源稳定电压或设一变频器实现其它控制功能。上述中间连接装置可称之“电能耦合级”，其特点是满足用电设备对电源供电质量及其控制的特定要求。电源设备必须满足用电设备的技术要求这一共同性，即“电源装置的适配性”。不难发现众多可观察的现象都存在“适配性”，如汽车产品中适合山地行驶的与高速公路行驶的性能差异很大；攻击移动目标的武器与攻击固定目标的武器也不一样，各有其适用场合。“物尽其用”从一个侧面形象地表达了客观存在的“适配性”，或者说适配性是存在于所有需求和供给之间的普遍关系。

　　文献提出“灵敏电子设备、计算机和以数字处理为基础的各种电子、电气设备所代表的负载量不大于市电总负载的0.01％”。这说明占市电总容量约0.01％的大量用电设备应经不同功能要求的“电能耦合级”连接到市电。这里讨论电能耦合级所提供的交流电源与用电设备之间的适配性。

2交流电源适配性的分类

　　常用电源设备有交流与直流两大类。表征电源与负载间适配关系的主要内容来自电源的各项性能指标，这里以交流稳定电源为对象讨论其适配性的内容，当然其中包含许多与直流电源有共性的部分。

　　（1）安全要求设备类别、电气间隙、爬电距离、绝缘电阻、绝缘强度、机内接地的导电电阻、温升、泄漏电流、外壳防护等级、保护功能。

　　（2）环境适应性温度、湿度、海拔、振动、冲击、运输、三防（防潮、防霉、防盐雾）、有害粉尘、蒸汽或油雾、含易爆物质的环境、放射性幅射。

　　（3）稳定工况下的供电性能容量、电压、频率、输出电流、输入电压范围、稳压精度（源电压效应、负载效应、波形畸变效应）、相对谐波含量、电压不对称度增量、输出电压漂移、负载能力（负载功率因数、不平衡负载、过载能力）。

　　（4）动态性能输入电压阶跃、负载阶跃、低功率因数负载阶跃、直接起动异步电动机、稳定工况下电压波动、开（关）机过冲幅值。

　　（5）平均无故障工作时间（MTBF）

　　（6）电磁兼容（EMC）电源干扰的情况，可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间变化。其中包括电压跌落、浪涌与中断、频率变化、波形失真、持续噪声及瞬变。当然不是所有这些都会影响设备的正常工作。这里列出电源进线造成危害的主要几项干扰：

　　1）电压跌落指电压低于正常值，时间大于1周期至数小时。

　　2）尖峰电压持续时间约几十us到几个ms，尖峰幅度在正常电压的150％至6000V。

　　3)振铃干扰是一种振荡幅度随时间迅速衰减到零的一串高速脉冲列。频率400Hz～5000Hz，峰值超过正常电压数倍甚至更高。

　　4）电压浪涌情况与电压跌落相似，大约在半周期到1s时间内，属于一种持续的电压升高过程。

　　（7）其它效率、噪声、外形尺寸、质量、制造成本。

　　（8）与用电设备生产工艺相对应的电源功能以变频器为例，应用很广泛，主要用于实现有特定要求的传动控制。例如：加工中心的传动控制，可实现极高的加工精度、复杂程度和高生产率；用于电动车辆传动，达到舒适、操纵灵活、高速、安全的目的；高速电梯的传动必须在满足舒适性的前提下加、减速特性及高速运行；矿井提升机和大型轧机的传动系统在高度可靠的前提下都能满足严格的工艺要求又有良好的经济性；1990年一份访美报告中提到橡树岭国家实验室开发的“高级马达”，与之配用的调速系统可精确控制速比为1：100000的水平。仅这些例子就充分表明变频器这类交流电源可以满足众多不同的工艺要求、性能较高且经济性良好的传动需求。这些均可归

纳为此类电源设备的适配性。

3具有宽范围适配能力的交流稳压电源

　　基于广泛调查和长期积累的经验说明必须为军用电子装备配置高可靠性、高性能、高稳定性的交流稳定电源。宽范围适配能力包括：有效值稳压功能，在电压波形畸变率增大情况下，这一功能是十分必要的。还有特殊的环境条件、高可靠性、高稳压精度、良好的动态特性等等。我们从适配性出发研制成功新一代补偿式有效值交流稳压电源。

　　通常的补偿式存在三个缺点：稳压精度较低、可靠性差、响应速度慢（不宜承受冲击负载）。因此提出用无触点方式取代的方案，研制初期发现无触点补偿结构的最小调整量难以降低，这就限制了稳压精度的提高。从这一点出发，仍然采用机械式调压的方案，在保留机械式调压机构的同时开展了若干专题的研究工作。经过实践克服了补偿式的主要缺陷，小批产品的三项性能：稳压精度优于±0.5％；全负载冲击时最大过冲2.4％，动态恢复时间0.3s；MTBF达50000h。

　　新产品还具有以下特点：

　　（1）除了满足一般环境条件外，允许环境温度为－40～＋50℃，还能用于海拔4000m。

　　（2）有效值稳压功能实测结果：波形畸变率为20％时，输出电压有效值偏差0.2％。

　　（3）三相电压分调，允许各相负载不平衡度达100％，电压不对称度增量不高于0.3％。短时过载能力为160％、5min。

　　（4）可承受频繁的冲击负载，对各种阶跃干扰的响应均满足过冲≤0.5％。

　　经广泛使用考核，军用电子装备配置该稳压电源后避免了诸多故障，运行良好。

　　[附]该产品已通过军内部级鉴定（详见本期“新品介绍”栏目）

4讨论

　　（1）把电源设备看成产品，用户选用产品时用适配性的原则去考虑，即将电源的各种参数、性能看成电源的适配性。这样更容易实现最合理的选配。从这一点出发还可以按适配性对电源产品进行分类。这个认识仍将电源与负载分别作为独立的两个设备，它们之间存在适配性的关系。

　　（2）在狭义范围内将适配性定义为“电源设备与负载组成一个系统”在特定的条件下运行时，该电源的稳压和暂态供电指标能满足预期的要求。电源与负载所组成系统的这种特性称之为适配性。这里又提出一个新的观点，即“电源与负载组成一个系统”，在特定条件下这个观点有益于推动电源产品的研制。

　　（3）举例阐明这个观点。稳压稳频电源受到阶跃负载扰动时输出电压和频率有一过渡过程。为获得较小的过冲及稳定时间，早期曾采取大马拉小车的办法。这不仅增加初期投资，且运行及维修费用也相应增加。将电源与负载组成一个系统，调节器的控制量不仅取自电源的输出量，而且将扰动的参数变化引入调节器。结果大大降低了过冲和稳定时间。值得注意的是“组成一个系统”后，使得若干技术措施得以应用于这“一个系统”。

　　因此，电源与负载组成一个系统，按系统的要求来研制电源设备，将有助于获得更高技术性能的电源来满足特定负载的需求。

　　（4）电源与负载组成一个系统对电源的性能考核增添了新的内容，即根据运行特点归纳出特定项目的试验条件和试验方法。这类试验的内容可能是多种多样的，统称适配性试验。稳压电源用于雷达装置的适配性考核是一个例子，雷达运行对电源设备是强烈且频繁的冲击性负载，如果电源动态特性差则易引发故障甚至系统不稳定。这在现场条件下难以鉴别、判断和维修。针对这个情况设置了相应的适配性试验项目，用试验的方法预先考核电源用于雷达的适配能力。新研制的有效值稳压电源先经适配性试验，然后与多种型号雷达配用取得良好的效果。

　　适配性试验的项目设置、试验条件、试验方法必须有效地再现原有系统的运行状况，使得适配性试验结果可直接用来判断实际运行情况。

　　（5）未来电源的适配性研究是电源产品发展的方向之一。例如纳米技术的应用引起各方的充分关注，与之相适应的电源研究是个重要的发展分支。

　　（6）适配性也涉及电源产业的生产管理。例如供需双方原有的关系中一方是出产品，另一方是选用。现在看起来这只是两者关系的一个方面。另外还可以由用户提出要求，制造厂从设计到制造的全过程都必须满足该特定的需求。