1.前 言
隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直流電源應(yīng)用非常廣泛，其好壞直接影響著電氣設(shè)備或控制系統(tǒng)的工作性能，目前，市場(chǎng)上各種直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同，都包括交流電源、交流變壓器(有時(shí)可以不用)、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等。本文以三相交流電源供電的直流電源設(shè)計(jì)為例，介紹直流電源設(shè)計(jì)中一些問題的處理辦法。并就在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)使用問題做了闡述。
2.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)
2.1 整流變壓器的設(shè)計(jì)
三相整流變壓器的設(shè)計(jì)包括：一、二次繞組的聯(lián)結(jié)方式，二次側(cè)電壓的計(jì)算，一、二次側(cè)電流的計(jì)算，容量的計(jì)算與確定，結(jié)構(gòu)形式的選擇等環(huán)節(jié)。其中一、二次繞組的聯(lián)結(jié)方式及二次側(cè)電壓的確定是我們重點(diǎn)分析的內(nèi)容。本文以某一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的3個(gè)直流電源設(shè)計(jì)為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，原理圖如圖1。
圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流電源設(shè)計(jì)的原理圖
1、二次側(cè)電壓的確定
二次電壓不僅與負(fù)載電壓(即要設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源電壓)和整流電路有關(guān)，而且與穩(wěn)壓器件有關(guān)。對(duì)于要求高的選橋式整流電路，用電容濾波穩(wěn)壓和穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，對(duì)于要求低的則可以不穩(wěn)壓或用電容穩(wěn)壓。如在圖1中，+7V低壓驅(qū)動(dòng)，主要是用來鎖相，其電流小、電壓低，電壓波動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的工作狀態(tài)影響不大，不用穩(wěn)壓；+110V用以高壓驅(qū)動(dòng)，斷續(xù)式供電且頻率很高，大的電流和電流變化率會(huì)產(chǎn)生很高過電壓，因此要用電解電容穩(wěn)壓，電阻限流；+12V用于計(jì)算機(jī)和集成電路的電源，電流小、電壓低，但要求電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小，因此用電容和三端穩(wěn)壓器兩級(jí)穩(wěn)壓。對(duì)于不同的穩(wěn)壓手段，二次電壓有著不同的確定方法，理論上這3個(gè)電壓的計(jì)算式相同，即U2=Ud／2．34 或UL＝Ud／1．35，計(jì)算的3個(gè)二次電壓分別為：5.2V、81.5V和8.9V，但這樣計(jì)算的結(jié)果在實(shí)際中不和適，因此，有些量必須用工程估算式來確定，如三相不可逆整流系統(tǒng)一般用公式UL=(0.9～1.0)·Ud估算，如果直流側(cè)用電解電容濾波時(shí)、輸出平均值會(huì)升高，一般用公式UL=Ud/2½估算；如果直流側(cè)用電容和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，為了擴(kuò)大穩(wěn)壓范圍，Ud一般應(yīng)升高3～6V，再用公式UL＝(0.9～1.0)·Ud估算。這樣確定的3個(gè)二次電壓分別為：UL7=0.9×7=6.3V，UL110=110/2½=78V,UL12=16×0.9=14.4V。
2、一、二次例電流計(jì)算及容量確定
二次電流要根據(jù)負(fù)載電流的大小和整流電路來定，在圖1中采用三相橋式整流電路，用式I2＝(2/3)½Id求出3個(gè)二次電流有效值分別為：3.26A、6.5A、1.63A，就得到3個(gè)二次電壓和電流。根據(jù)變壓器一、二次功率近似相等原則，可求得一次電流I1＝1.45A，變壓器的容量為S=953VA，按1.5kVA選變壓器型號(hào)。
3、一、二次例繞組聯(lián)結(jié)方式的確定
三相交壓器繞組可以根據(jù)需要接成星形或Δ形。三相整流電路一般用于大功率(即負(fù)載功率在4kW以上)整流，變壓器通常接成Y／Δ、 Δ／Y 2種。Δ／Y接法可使電源線電流有2個(gè)階梯，更接近正弦波，諧波影響小，可控整流電路用得比較多；Y／Δ接法可以提供單相交流電源，減小二次繞組電流，一般用于大功率二極管整流電路；對(duì)于小功率三相變壓器有時(shí)也接成Y／Y型，雖然這種接法會(huì)給電網(wǎng)引入諧波．但畢竟其功率小，影響也較小?？傊x的時(shí)候既要考慮對(duì)電網(wǎng)的影響，又要盡量減小繞組電流，降低繞組絕緣等級(jí)。在圖1中，7V和12V電流比較小，電壓低，選星形接法；110V電流大，電壓不是太高，選Δ形接法，可大大降低繞組中電流，減小繞組線徑，延長(zhǎng)使用壽命；一次繞組的線電壓雖然高(380V)，但變壓器容量只有2kW，一次電流為1.45A，所以選星形接法，可降低繞組的電壓和繞組的絕緣等。
2.2 整流電路設(shè)計(jì)
三相整流電路通常有三相半波整流電路和三相橋式整流電路，由于三相橋式整流電路輸出平均電壓高，電壓脈動(dòng)小，品質(zhì)因數(shù)高，因此多使用橋式整流電路。橋臂上二極管型號(hào)的選擇主要是由它的額定電壓和額定電流決定，額定電流和電壓則由負(fù)載平均電流和電壓決定，其計(jì)算式為：ID＝（1／3）½·Id，ID(AV)= ID ／1.57，UDn＝(1～2) 2½·U2，由ID(AV)和UDn查二極管手冊(cè)就可確定整流管的型號(hào)。
2.3 濾波穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
1、濾波電路及器件選擇
整流濾波電路通常有電容、電感和RC等濾波電路。電感濾波是利用電感對(duì)脈動(dòng)電流產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流變化來實(shí)現(xiàn)的，電感越大，濾波效果越好。它一般用于負(fù)載電流大、對(duì)濾波要求不高的場(chǎng)臺(tái)。RC濾波電路是電阻和電容連接使用的濾波電路，由于電阻會(huì)降低一部分直流電壓，直流輸出電壓會(huì)減小，因此只適用于小電流電路。電容濾波是利用電容的充放電作用使整流輸出電壓變得平穩(wěn)，而且電壓幅值升高，濾波效果好，適于各種整流電路。濾波電容的選擇主要是種類和容量、耐壓值的確定。常用的整流濾波電容有鋁電解、鉭電解、滌綸、獨(dú)石電容等。鋁電解電容漏電流大，耐壓和工作溫度(最高+70℃)較低，但容量大；鉭電解電容漏電流小，耐壓和工作溫度比鋁電解電容都高，一般用于要求較高的地方；滌綸電容絕緣電阻大，損耗小，工作溫度(最高+55℃)低，容量小，但耐壓高；獨(dú)石電容體積可以做得很小，耐壓也可以做得很高，化學(xué)性能和熱性能比較穩(wěn)定，但容量小。一般當(dāng)整流輸出電流大時(shí)，必須用電解電容濾波穩(wěn)壓；輸出電流小時(shí)，用一般電容或電解電容濾波都可以，如果對(duì)直流輸出電壓有紋波系數(shù)要求或者為了防止高頻噪音，用電解電容和小容量無極性電容并聯(lián)使用效果較好：小容量電容可濾掉脈動(dòng)直流中的高次諧波， 電解電容濾掉大幅值的低頻成分，穩(wěn)壓范圍寬、效果好。整流濾波電路對(duì)電容器的容量和耐壓值要求不是太高，一般根據(jù)輸出電流大小估算電容器的容量，輸出電流大，容量就大；電流小，容量就小。但是，容量太大會(huì)降低輸出電壓值，太小則會(huì)導(dǎo)致電壓脈動(dòng)大、不穩(wěn)定。容量確定可參考表1，耐壓值一般取所接電路工作電壓的1.5～2倍。
2、穩(wěn)壓電路及器件選擇
穩(wěn)壓電路有分立元件穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電路2種，其中集成穩(wěn)壓電路主要用于低電壓小電流的整流電路，具有體積小，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓精度高，使用調(diào)試方便等特點(diǎn)。選擇時(shí)首先要確定系列，是正電源還是負(fù)電源，是可調(diào)的還是固定的，其次是根據(jù)它的額定電壓和額定電流選擇具體型號(hào)；同時(shí)，穩(wěn)壓器在接入整流電路時(shí)要適當(dāng)加一些保護(hù)元件，如在I／O端接二極管可防止輸入端短路，在輸入端和地之間接一小電容，可限制輸入電壓幅值等。
直流電源的設(shè)計(jì)理論上比較簡(jiǎn)單，但在具體的工程設(shè)計(jì)中還需要進(jìn)一步分析、研究、實(shí)踐和總結(jié)。
3 直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)應(yīng)用
直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用非常廣泛，有時(shí)會(huì)把兩個(gè)或兩個(gè)以上的電源串聯(lián)使用，現(xiàn)就此應(yīng)用做一簡(jiǎn)要介紹。
圖2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路
3.1 電路的組成及工作原理
圖2是一種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，由取樣電路、基準(zhǔn)電路、比較放大和調(diào)整電路等部分組成。其中R1、R2和RP組成取樣電路，R1、R2和RP稱為取樣電阻；R3和V2組成基準(zhǔn)電路，R3是VZ的限流電阻，VZ給V2發(fā)射極提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓；V2為比較放大管，作用是將穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量先放大，然后再送到調(diào)整管基極；V1是調(diào)整管，起調(diào)整作用。
穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)輸出電壓U0發(fā)生變化時(shí)，通過取樣電路把U0的變化量取樣加到放大管V2的基極。而由R3和Vz組成的基準(zhǔn)電路為V2的發(fā)射極提供基準(zhǔn)電壓Uz。由V2和R4組成的放大電路把取樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大后，輸出調(diào)整信號(hào)送到調(diào)整V1的基極，控制V1進(jìn)行調(diào)整，以維持U0基本不變。
3.2 直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)使用
1、順串使用
所謂順串，指電源的極性首尾相連，如圖3。
圖3 電源串聯(lián)示意圖(順串)
a、b端開路時(shí)，兩電源分別是獨(dú)立的電源，都能正常工作，輸出的電壓分別為E1、E2，a、b端的電壓應(yīng)為兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，Uab＝E1+E2；接上負(fù)載R1、R2后，由于負(fù)載電流的方向與兩個(gè)電源正常工作時(shí)對(duì)外輸出的電流方向一致，故兩個(gè)電源也都能正常工作，Uab＝E1+E2，且整個(gè)回路符合全電路歐姆定律I=( E1+E2)/(R1+R2)，每個(gè)電源都有負(fù)載電流通過，電源上的電壓保持不變(忽略內(nèi)阻)。
2、反串使用
所謂反串指電源首首或尾尾相連，如圖4，把圖4可以等效成圖5。
a、b端開路時(shí)，兩電源分別是獨(dú)立的電源，都能正常工作，輸出的電壓分別為E1、E2，a、b端的電壓應(yīng)為兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，Uab＝E2-E1；加上負(fù)載R1、R2，因E2＞E1，所以負(fù)載上的電流方向如圖所示(即I2)，它與電源1對(duì)外輸出的電流方向相反，迫使電源1停止工作，輸出電壓為0，而此時(shí)負(fù)載電流將通過取樣電路形成回路，故左邊電源“輸出的電壓”也就是取樣電路R1、R2和RP上的電壓，設(shè)電源1、2及取樣電路上的電流參考方向如圖所示，則I3＝I1+I2，也就是說取樣電路上的電壓U?。絀3(R1+R2+RP)。如果從取樣電路向右看，可等效為一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為E3、內(nèi)阻為R0的電源，其中E3=U取。如E3＞E1，迫使Iv1截止，IIVC1近似等于0，電源真正停止工作，此時(shí)“電源輸出的電壓”U?。絀3(R1+R2+RP)(并不是真正電源1輸出的電壓，而是取樣電阻分擔(dān)E2的電壓)，其中I3=E2/(R1+R2+(1R1+2R2+1Rp))，其電壓的大小主要由E2、R1、R2、lRl、lR2、1RP的大小決定，整個(gè)電路也不符合全電路歐姆定律，I2≠(E2-E1)/(R1+R2)，此時(shí)的電壓應(yīng)大于E1；E3
通過上面的分析可知，對(duì)于直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)情況而言，如電源順串，各個(gè)電源都能正常工作，整個(gè)電路符合全電路歐姆定律；電源反串，穩(wěn)定電壓輸出比較小的那個(gè)電源不能真正起到一個(gè)電源作用，在任何情況下負(fù)載電流都沒有通過電源。具體情況如下：當(dāng)取樣電路上的電壓大于穩(wěn)壓電源輸出電壓時(shí)，迫使電源停止工作，此時(shí)只有電源的取樣電路接入電路中，電源兩端的電壓也就是取樣電路兩端的電壓(應(yīng)大于穩(wěn)定輸出電壓)，整個(gè)電路不滿足全電路歐姆定律；當(dāng)取樣電路上的電壓小于穩(wěn)定輸出電壓時(shí)，電源正常工作，整個(gè)電路滿足全電路歐姆定律，但負(fù)載電流只通過取樣電路，取樣電路上的電流應(yīng)是負(fù)載電流與電壓比較小的電源調(diào)整電流之和，使用時(shí)應(yīng)考慮取樣電阻的功率。因此，我們?cè)谑褂脙蓚€(gè)或兩個(gè)以上穩(wěn)壓電源的過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況合理使用電源反串。以免造成實(shí)際值與理論值大相徑庭的現(xiàn)象發(fā)生。