談電源設備的適配性

TalkaboutSuitabilityofPowerSupplyEquipments

摘要：提出電源設備適配性的觀點，電源與負載間的關(guān)系用適配性表達。從電源及其負載組成一個系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)一進行電源的研發(fā)、設計。而“適配性試驗”用以預測電源在實際應用環(huán)境下的工作狀況。

關(guān)鍵詞：適配性穩(wěn)壓電源

1引言

　　電源與用電設備之間應有適當?shù)倪B接。例如，經(jīng)導線直接連接；經(jīng)開關(guān)進行通斷操作；接入穩(wěn)壓電源穩(wěn)定電壓或設一變頻器實現(xiàn)其它控制功能。上述中間連接裝置可稱之“電能耦合級”，其特點是滿足用電設備對電源供電質(zhì)量及其控制的特定要求。電源設備必須滿足用電設備的技術(shù)要求這一共同性，即“電源裝置的適配性”。不難發(fā)現(xiàn)眾多可觀察的現(xiàn)象都存在“適配性”，如汽車產(chǎn)品中適合山地行駛的與高速公路行駛的性能差異很大；攻擊移動目標的武器與攻擊固定目標的武器也不一樣，各有其適用場合。“物盡其用”從一個側(cè)面形象地表達了客觀存在的“適配性”，或者說適配性是存在于所有需求和供給之間的普遍關(guān)系。

　　文獻提出“靈敏電子設備、計算機和以數(shù)字處理為基礎的各種電子、電氣設備所代表的負載量不大于市電總負載的0.01％”。這說明占市電總?cè)萘考s0.01％的大量用電設備應經(jīng)不同功能要求的“電能耦合級”連接到市電。這里討論電能耦合級所提供的交流電源與用電設備之間的適配性。

2交流電源適配性的分類

　　常用電源設備有交流與直流兩大類。表征電源與負載間適配關(guān)系的主要內(nèi)容來自電源的各項性能指標，這里以交流穩(wěn)定電源為對象討論其適配性的內(nèi)容，當然其中包含許多與直流電源有共性的部分。

　?。?）安全要求設備類別、電氣間隙、爬電距離、絕緣電阻、絕緣強度、機內(nèi)接地的導電電阻、溫升、泄漏電流、外殼防護等級、保護功能。

　?。?）環(huán)境適應性溫度、濕度、海拔、振動、沖擊、運輸、三防（防潮、防霉、防鹽霧）、有害粉塵、蒸汽或油霧、含易爆物質(zhì)的環(huán)境、放射性幅射。

　?。?）穩(wěn)定工況下的供電性能容量、電壓、頻率、輸出電流、輸入電壓范圍、穩(wěn)壓精度（源電壓效應、負載效應、波形畸變效應）、相對諧波含量、電壓不對稱度增量、輸出電壓漂移、負載能力（負載功率因數(shù)、不平衡負載、過載能力）。

　?。?）動態(tài)性能輸入電壓階躍、負載階躍、低功率因數(shù)負載階躍、直接起動異步電動機、穩(wěn)定工況下電壓波動、開（關(guān)）機過沖幅值。

　　（5）平均無故障工作時間（MTBF）

　?。?）電磁兼容（EMC）電源干擾的情況，可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間變化。其中包括電壓跌落、浪涌與中斷、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲及瞬變。當然不是所有這些都會影響設備的正常工作。這里列出電源進線造成危害的主要幾項干擾：

　　1）電壓跌落指電壓低于正常值，時間大于1周期至數(shù)小時。

　　2）尖峰電壓持續(xù)時間約幾十us到幾個ms，尖峰幅度在正常電壓的150％至6000V。

　　3)振鈴干擾是一種振蕩幅度隨時間迅速衰減到零的一串高速脈沖列。頻率400Hz～5000Hz，峰值超過正常電壓數(shù)倍甚至更高。

　　4）電壓浪涌情況與電壓跌落相似，大約在半周期到1s時間內(nèi)，屬于一種持續(xù)的電壓升高過程。

　?。?）其它效率、噪聲、外形尺寸、質(zhì)量、制造成本。

　?。?）與用電設備生產(chǎn)工藝相對應的電源功能以變頻器為例，應用很廣泛，主要用于實現(xiàn)有特定要求的傳動控制。例如：加工中心的傳動控制，可實現(xiàn)極高的加工精度、復雜程度和高生產(chǎn)率；用于電動車輛傳動，達到舒適、操縱靈活、高速、安全的目的；高速電梯的傳動必須在滿足舒適性的前提下加、減速特性及高速運行；礦井提升機和大型軋機的傳動系統(tǒng)在高度可靠的前提下都能滿足嚴格的工藝要求又有良好的經(jīng)濟性；1990年一份訪美報告中提到橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的“高級馬達”，與之配用的調(diào)速系統(tǒng)可精確控制速比為1：100000的水平。僅這些例子就充分表明變頻器這類交流電源可以滿足眾多不同的工藝要求、性能較高且經(jīng)濟性良好的傳動需求。這些均可歸

納為此類電源設備的適配性。

3具有寬范圍適配能力的交流穩(wěn)壓電源

　　基于廣泛調(diào)查和長期積累的經(jīng)驗說明必須為軍用電子裝備配置高可靠性、高性能、高穩(wěn)定性的交流穩(wěn)定電源。寬范圍適配能力包括：有效值穩(wěn)壓功能，在電壓波形畸變率增大情況下，這一功能是十分必要的。還有特殊的環(huán)境條件、高可靠性、高穩(wěn)壓精度、良好的動態(tài)特性等等。我們從適配性出發(fā)研制成功新一代補償式有效值交流穩(wěn)壓電源。

　　通常的補償式存在三個缺點：穩(wěn)壓精度較低、可靠性差、響應速度慢（不宜承受沖擊負載）。因此提出用無觸點方式取代的方案，研制初期發(fā)現(xiàn)無觸點補償結(jié)構(gòu)的最小調(diào)整量難以降低，這就限制了穩(wěn)壓精度的提高。從這一點出發(fā)，仍然采用機械式調(diào)壓的方案，在保留機械式調(diào)壓機構(gòu)的同時開展了若干專題的研究工作。經(jīng)過實踐克服了補償式的主要缺陷，小批產(chǎn)品的三項性能：穩(wěn)壓精度優(yōu)于±0.5％；全負載沖擊時最大過沖2.4％，動態(tài)恢復時間0.3s；MTBF達50000h。

　　新產(chǎn)品還具有以下特點：

　?。?）除了滿足一般環(huán)境條件外，允許環(huán)境溫度為－40～＋50℃，還能用于海拔4000m。

　　（2）有效值穩(wěn)壓功能實測結(jié)果：波形畸變率為20％時，輸出電壓有效值偏差0.2％。

　?。?）三相電壓分調(diào)，允許各相負載不平衡度達100％，電壓不對稱度增量不高于0.3％。短時過載能力為160％、5min。

　?。?）可承受頻繁的沖擊負載，對各種階躍干擾的響應均滿足過沖≤0.5％。

　　經(jīng)廣泛使用考核，軍用電子裝備配置該穩(wěn)壓電源后避免了諸多故障，運行良好。

　　[附]該產(chǎn)品已通過軍內(nèi)部級鑒定（詳見本期“新品介紹”欄目）

4討論

　?。?）把電源設備看成產(chǎn)品，用戶選用產(chǎn)品時用適配性的原則去考慮，即將電源的各種參數(shù)、性能看成電源的適配性。這樣更容易實現(xiàn)最合理的選配。從這一點出發(fā)還可以按適配性對電源產(chǎn)品進行分類。這個認識仍將電源與負載分別作為獨立的兩個設備，它們之間存在適配性的關(guān)系。

　?。?）在狹義范圍內(nèi)將適配性定義為“電源設備與負載組成一個系統(tǒng)”在特定的條件下運行時，該電源的穩(wěn)壓和暫態(tài)供電指標能滿足預期的要求。電源與負載所組成系統(tǒng)的這種特性稱之為適配性。這里又提出一個新的觀點，即“電源與負載組成一個系統(tǒng)”，在特定條件下這個觀點有益于推動電源產(chǎn)品的研制。

　?。?）舉例闡明這個觀點。穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源受到階躍負載擾動時輸出電壓和頻率有一過渡過程。為獲得較小的過沖及穩(wěn)定時間，早期曾采取大馬拉小車的辦法。這不僅增加初期投資，且運行及維修費用也相應增加。將電源與負載組成一個系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的控制量不僅取自電源的輸出量，而且將擾動的參數(shù)變化引入調(diào)節(jié)器。結(jié)果大大降低了過沖和穩(wěn)定時間。值得注意的是“組成一個系統(tǒng)”后，使得若干技術(shù)措施得以應用于這“一個系統(tǒng)”。

　　因此，電源與負載組成一個系統(tǒng)，按系統(tǒng)的要求來研制電源設備，將有助于獲得更高技術(shù)性能的電源來滿足特定負載的需求。

　?。?）電源與負載組成一個系統(tǒng)對電源的性能考核增添了新的內(nèi)容，即根據(jù)運行特點歸納出特定項目的試驗條件和試驗方法。這類試驗的內(nèi)容可能是多種多樣的，統(tǒng)稱適配性試驗。穩(wěn)壓電源用于雷達裝置的適配性考核是一個例子，雷達運行對電源設備是強烈且頻繁的沖擊性負載，如果電源動態(tài)特性差則易引發(fā)故障甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定。這在現(xiàn)場條件下難以鑒別、判斷和維修。針對這個情況設置了相應的適配性試驗項目，用試驗的方法預先考核電源用于雷達的適配能力。新研制的有效值穩(wěn)壓電源先經(jīng)適配性試驗，然后與多種型號雷達配用取得良好的效果。

　　適配性試驗的項目設置、試驗條件、試驗方法必須有效地再現(xiàn)原有系統(tǒng)的運行狀況，使得適配性試驗結(jié)果可直接用來判斷實際運行情況。

　?。?）未來電源的適配性研究是電源產(chǎn)品發(fā)展的方向之一。例如納米技術(shù)的應用引起各方的充分關(guān)注，與之相適應的電源研究是個重要的發(fā)展分支。

　?。?）適配性也涉及電源產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理。例如供需雙方原有的關(guān)系中一方是出產(chǎn)品，另一方是選用?，F(xiàn)在看起來這只是兩者關(guān)系的一個方面。另外還可以由用戶提出要求，制造廠從設計到制造的全過程都必須滿足該特定的需求。