探讨高频开关电源在铁路系统中的应用原理及其重要性

　　摘要：大量的数字通信系统随着不断发展的铁路通信在通电设备方面提出了更高的要求，可靠的通信网运行和安全的铁路运输生产直接受到电源供电质量的影响。高频开关电源在铁路通信网中的应用，使通信电源的可靠性和安全性得以提高，本文针对高频开关电源应用原理及其重要性进行详细的阐述。 　　关键词：高频开关电源 通信电源 监控系统 应用 　　一、引言 　　本文通过探究高频开关电源系统的总体结构及工作原理、在铁路系统中的应用和应用效果，得出高频开关电源具有各项技术指标合格、功能齐全、可靠稳定的运行等方面的优势，从而使通信电源的可靠性和安全性得以提高。 　　二、高频开关电源系统的总体结构及工作原理 　　（1）总体结构 　　整流模块、配电模块、主监控单元、交流配电单元等组成了高频开关电源系统的总体结构，通过通信线主监控单元的控制和管理功能输送给主监控系统各个监控单元采集的信息。由其进行统一管理。直流系统各种信息在主监控中显示，通过触摸显示屏用户能够查询和操作信息，在远程监控系统中也能够接入系统信息。除了基本单元中的开关量监控、直流监控、交流监控等，在系统中还配置有电池巡检、降压装置、绝缘监测等功能单元，从而实现全面控制直流系统。在工作状态下，经过交流切换装置两路电流输入一路电流，供电给整流模块。输入三相电流在整流模块中被转换为直流电，供电给合闸母线负载，并且给蓄电池充电，除此之外通过降压装置合闸母线供电给控制母线。这个系统结构是集充电和整流两项功能于一体。高频开关电源系统的组成图如下： 　　a、交流配电模块 　　对交流电源的检测、保护、处理都是通过这个模块来实现的。交流输入切换装置在交流输入正常时提供两路380伏电源给直流电源系统的整流模块，这两路电源的自动切换系统都能够实现，在正常运行中给蓄电池充电是通过整流模块来实现的，并且提供交流电给站内。整流模块在站内失去交流电的时候停止工作，通过逆变电源蓄电池提供交流电源给站内，还装有防雷器在交流配电模块上，过电压的冲击能够被有效的避免，电源系统的正常运行得以保证。 　　b、整流模块 　　交流电被这个模块整流变为直流电，即高压开关。CPU存在于该模块中，模块自身的运行状况能被它控制、监视，在脱离系统监控模块的情况下能够独立运行。 　　c、集中监控模块 　　在直流电系统中，集中监控模块是管理、控制的核心，系统各单元的状态与运行参数能够被其实时监测，并且自动管理电源系统，人为操作减少，使系统工作的安全性、可靠性、连续性得到了保证。 　　d、直流配电模块 　　在直流供电中这个模块起着枢纽的作用，蓄电池组和整流输出的电流被其汇接成直流输出母线，并且该母线具有不间断性，再分接这个母线为各种容量的负载供电支路，把相应的负荷开关或熔断器串入之后，供电给设备。 　　（2）工作原理 　　开关K以一定的频率重复的断开或接通。断开K时，输入电源Vi能量的供给便会中断；接通K时，输入电源Vi通过滤波电路和开关K提供能力给负载R0。必须有一套储能装置在开关电源中才能提供负载连续的能量，一部分能量被储存起来在接通开关K时，存储能量被提供给负载在断开开关K之后。在图中具有这样功能的部分是二极管D、电容C和电感L所组成的电路。用电感L来存储能量当接通开关K时，通过二极管D电感L中的能量释放给负载在断开开关K时，这样负载能够得到稳定而连续的能量。电子开关K按一定的频率开关的时候，越长时间的导通，输出电压就会越高，反之输出电压变低。一般在开关频率一定时，通过调整开关时间的长短，开关电源对输出电压的高低进行控制。开关时间的长短被有的开关电源用来作为恒定的标准，对输出电压高低的改变是通过改变开关频率来实现的。 　　三、应用高频开关电源的必要性 　　目前在大部分铁路供电系统中，磁饱和式电源或相控电源是大部分直流设备电源所采用的电源形式，直流的输出是通过硅充电装置及直流发电机来实现的，在期间特性和工艺水平的限制下，很难进行基层维护保养，低技术指标是电源长期处于的状态。上述电源在在可控硅自身参数或变压器的限制下有很多不足之处，如：压力过大的系统纹波、不稳定的浮充电流和初充电流、不佳的控制特性等。并联运行的蓄电池与充电设备，在偏低的浮充电压波动或出现较大电源纹波系数时，充电放电现象会出现在蓄电池脉冲波动中，会损坏单体的蓄电池或蓄电池组。另外，效率不高、体积庞大、投资过大等也是上述电源的不足之处，在当今迅速发展的电力工程，该电源已不能适应发展的需要了。而高频开关电源具有的优势是模块可叠加输出、动态相应快、输出波纹极低、重量轻、体积小、效率高等，这样磁饱和式电源或相控电源将被高频开关电源所替代。 　　四、高频开关电源的特点 　　（1）硅链分级调压装置被应用在高频电源开关中，大大提升了电源稳流稳压的精确度，仅为≤±0.5%的误差率，使蓄电池的欠充与过充现象避免发生，蓄电池运行的稳定性得到了保证。 　　（2）微机绝缘监测装置被应用在该系统中，线路对地电阻能够被实施监测到，直流系统绝缘情况也能够被监视到。当出现降到设定值的线路对地绝缘的情况时，就会发出告警把绝缘降低的回路指出，很到程度上缩短了直流系统接地的查找时间。 　　（3）在并联运行时整流模块具有均充功能，而且当短路冲击系统的时候，准确的动作也会出现在过流过压等保护中，系统运行的安全性得到保证。 　　（4）微处理器被内置于整流模块中，它很大程度上提高看设备的先进性，更加方便的安装调试，接线简单。模块的运行状况在面板上能直接被看到，网络通信通过电力系统与监控模块能够实现自动化和“四遥”功能，而传统的直流电源自动化程度低并且接线复杂。 　　（5）具有效率高的特点，在开关电源中使用的功率器件功耗较小时，如果开关电源带有功率因数补偿，可达到88%甚至91%的整机效率。 　　（6）具有功率因数高的特点，当可控硅导通角变化的时候，相控整流器的功率因数也会发生变化，在小负载的时候仅为0.3左右，在全导通的时候可接近0.7以上。开关电源被矫正后，0.93是其正常的功率因数，负载变化基本不会对其产生影响。 　　（7）具有可闻噪声低的特点，滤波电感和工频变压器在相控整流设备中运行时产生可闻噪声较大，大于60dB，开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅有45dB左右。 　　（8）在高频开关电源中采用的供电方式是N+1模块冗余并联组合方式。重复配置系统的一些部件被称为N+1模块冗余，当某一设备发生损坏时它作为后备式设备能够自动替代该设备。如在四个均衡的整流模块负载中，N+1模块冗余提供电力给工作中的系统，一个高频开关有问题的时候，所有的负载由其余的承担。N+1模块冗余供电方式使不中断供电得以实现，并且使电源成本降低了。 　　五、高频开关电源系统的核心部分――整流器 　　整流器组成如下图： 　　整流器的线路滤波器有单相防雷功能并且能够将电网干扰滤除；控制器及交流缓启动能够防止启动电源时所引起的过冲电流。经过警告、控制、有源功率因数及整流桥电路不仅能变成314伏的高压直流电，而且还能使输入电压与输入电流波形同为正弦波、相位一致，最终功率因数接近1，在输入欠压或过压的时候采取保护措施。在经过告警、控制及DC―DC保护电路的高压直流电变成高频交流，进行再次整流，得到可靠稳定的48伏或24伏直流。PWM谐振软开关、民主均流、有源功率因数校正三项新技术被应用在整流模器，使整流器模块输出可靠稳定的电流得到了保证。对电网而言，有源功率因数校正电路展现的是一个纯电阻负载，具有高功率因数，使高频开关电源的工作效率得到了很好的发挥；就民主均流技术而言，均流措施存在于整流器中，均衡分配负载，避免负载过重使个别整流器的使用寿命受到影响，系统的可靠性大大提高了；就PWM谐振软开关而言，在开关频率不变和输入电压幅度不变的条件下，改变占空比对输出电压的高低进行控制，实现稳压，这个过程被称为PWM即脉冲宽度调制法。在开关管截止或导通时没有功率损耗而且在时间上电压和电流没有重合，这个开关就是软开关。电容器并在开关两端并且增加一个谐振电感在逆变电路上，开关管就转变成了软开关。开关管在谐振电感增加后导通时会产生往后移的电流轨迹，零点流导通得以实现；电容器并在开关两端，截止时会源漏两极会产生往后移的电压上升轨迹，零电压截止得以实现。PWM谐振软开关技术被采用后，在电源设备中只需自然风不要使用风扇，整流器热量很小。 　　六、整流模块的功能 　　（1）输出过电压保护 　　用电设备会因为过高的输出电压而出现重大事故，而过压保护电路设置在模块内部能防止此类事故发生过。模块在出现过压时自动锁定，而且故障指示等会亮，模块从工作状态中自动退出，最终整个系统的正常运行不会受到影响。 　　（2）输出限流保护 　　输出功率在每个整流模块中都受到限制，不能过大的输出电流，所以输出电流在每个模块中的最大限制是1.2倍额定输出电流，在超出负载的情况下输出电压会被模块自动调低，模块的功能得到保护。 　　（3）短路保护 　　在输出短路时，短路电流被限制在限流点之下，输出电压被模块瞬间拉低到零，此时很小的模块输出功率，可以保护模块，这样在短路状态下模块不会损坏可以长期工作，模块在排除故障后可以自动恢复工作。 　　（4）模块并联保护 　　并联保护电路存在于每个模块内，在发生故障时能够保证模块自动退出系统，其他正常模块的工作不会受到影响。 　　（5）过温保护 　　保护大功率变流器件是过温保护的主要功能，安全极限值均存在于这些器件的电流和结温过载能力，系统在正常工作时留有足够余量，但是在风机停转灯、环境温度过高等特殊情况下，检测散热器温度超过一定值的，模块就会自动关机保护，重新动启动模块自是在温度降低到正常范围时。 　　（6）电压调节功能 　　这里主要指的是输出电压调节，电压调节器设置在模块的输出端，当连接监控单元和模块的 时候，由监控系统来设定输出电压，此时是无效的电位器调节。 　　（7）过流保护 　　大功率变流器件中主要应用过流保护，如果器件承受的流每一个周期的变流中被通过的电流超过，功率器件被模块关闭，最终很好的保护功率器件。 　　（8）测量功能 　　这个功能用来测量模块的工作状态以及输出电流和电压，而且在LCD上进行显示，对于系统和模块的工作状态用户能够方便直观的了解到。 　　（9）遥控功能 　　遥信：对模块的工作状态监测通过远程监控来实现；遥测：输出电压和输出电流的值可以在模块工作时进行测量；遥调：调节控制对输出电压和输出电流；遥控：对备用电源的均/ 浮充状态和模块的开/ 关机状态进行控制。 　　七、高频开关电源系统在实际中的应用及应用效果 　　（1）根据用户的实际需要电源监控系统定义多级权限，管理并自动记录设备地点名、名称、方式，有利于打印、分析、查询数据。 　　（2）通过实际应用的检验，高频开关电源系统操作直观、简单，各项技术指标合格，功能齐全、可靠稳定的运行、动作可靠，及时准确地反映故障，不需要专业人员维护和管理设备，正常供电受影响的现象从来没有发生过。更加稳定的性能和更高的精确度使变电站设备运行的可靠安全性得到了保证。 　　八、结束语 　　综上所述，高频开关电源在铁路通信网中的应用，使通信电源的可靠性和安全性得以提高，高频开关电源系统操作直观、简单，各项技术指标合格，功能齐全、可靠稳定的运行、动作可靠，能够及时准确地反映故障。 　　参考文献： 　　[1]乔玉冰，边淑芳，谢芳. 基于Client/Server 结构的电源监控系统的研究与分析[J].电源技术，2011， 35（6）：723-724. 　　[2]刘建国， 彭岩磊. 智能高频开关电源系统在变电站的应用[J].中州煤炭， 2010（03）： 33- 34. 　　[3]冯锦，隋升.基于STC89C52RC 的DMFC 电源监控系统[J].电源技术，2009， 33（11）： 991-993. 　　[4]孟先磊，吕长志，谢雪松，等. 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