談電源設(shè)備的適配性

TalkaboutSuitabilityofPowerSupplyEquipments

摘要：提出電源設(shè)備適配性的觀點(diǎn)，電源與負(fù)載間的關(guān)系用適配性表達(dá)。從電源及其負(fù)載組成一個(gè)系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)一進(jìn)行電源的研發(fā)、設(shè)計(jì)。而“適配性試驗(yàn)”用以預(yù)測(cè)電源在實(shí)際應(yīng)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(shè)備之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)倪B接。例如，經(jīng)導(dǎo)線直接連接；經(jīng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行通斷操作；接入穩(wěn)壓電源穩(wěn)定電壓或設(shè)一變頻器實(shí)現(xiàn)其它控制功能。上述中間連接裝置可稱(chēng)之“電能耦合級(jí)”，其特點(diǎn)是滿足用電設(shè)備對(duì)電源供電質(zhì)量及其控制的特定要求。電源設(shè)備必須滿足用電設(shè)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(chē)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(dòng)目標(biāo)的武器與攻擊固定目標(biāo)的武器也不一樣，各有其適用場(chǎng)合。“物盡其用”從一個(gè)側(cè)面形象地表達(dá)了客觀存在的“適配性”，或者說(shuō)適配性是存在于所有需求和供給之間的普遍關(guān)系。

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

2交流電源適配性的分類(lèi)

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

　　（1）安全要求設(shè)備類(lèi)別、電氣間隙、爬電距離、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度、機(jī)內(nèi)接地的導(dǎo)電電阻、溫升、泄漏電流、外殼防護(hù)等級(jí)、保護(hù)功能。

　　（2）環(huán)境適應(yīng)性溫度、濕度、海拔、振動(dòng)、沖擊、運(yùn)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。

　　（3）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(yīng)、負(fù)載效應(yīng)、波形畸變效應(yīng)）、相對(duì)諧波含量、電壓不對(duì)稱(chēng)度增量、輸出電壓漂移、負(fù)載能力（負(fù)載功率因數(shù)、不平衡負(fù)載、過(guò)載能力）。

　　（4）動(dòng)態(tài)性能輸入電壓階躍、負(fù)載階躍、低功率因數(shù)負(fù)載階躍、直接起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、穩(wěn)定工況下電壓波動(dòng)、開(kāi)（關(guān)）機(jī)過(guò)沖幅值。

　　（5）平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）

　　（6）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(dāng)然不是所有這些都會(huì)影響設(shè)備的正常工作。這里列出電源進(jìn)線造成危害的主要幾項(xiàng)干擾：

　　1）電壓跌落指電壓低于正常值，時(shí)間大于1周期至數(shù)小時(shí)。

　　2）尖峰電壓持續(xù)時(shí)間約幾十us到幾個(gè)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(shí)間迅速衰減到零的一串高速脈沖列。頻率400Hz～5000Hz，峰值超過(guò)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(shí)間內(nèi)，屬于一種持續(xù)的電壓升高過(guò)程。

　　（7）其它效率、噪聲、外形尺寸、質(zhì)量、制造成本。

　　（8）與用電設(shè)備生產(chǎn)工藝相對(duì)應(yīng)的電源功能以變頻器為例，應(yīng)用很廣泛，主要用于實(shí)現(xiàn)有特定要求的傳動(dòng)控制。例如：加工中心的傳動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)極高的加工精度、復(fù)雜程度和高生產(chǎn)率；用于電動(dòng)車(chē)輛傳動(dòng)，達(dá)到舒適、操縱靈活、高速、安全的目的；高速電梯的傳動(dòng)必須在滿足舒適性的前提下加、減速特性及高速運(yùn)行；礦井提升機(jī)和大型軋機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)在高度可靠的前提下都能滿足嚴(yán)格的工藝要求又有良好的經(jīng)濟(jì)性；1990年一份訪美報(bào)告中提到橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“高級(jí)馬達(dá)”，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(lèi)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(jì)性良好的傳動(dòng)需求。這些均可歸

納為此類(lèi)電源設(shè)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(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)說(shuō)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(dòng)態(tài)特性等等。我們從適配性出發(fā)研制成功新一代補(bǔ)償式有效值交流穩(wěn)壓電源。

　　通常的補(bǔ)償式存在三個(gè)缺點(diǎn)：穩(wěn)壓精度較低、可靠性差、響應(yīng)速度慢（不宜承受沖擊負(fù)載）。因此提出用無(wú)觸點(diǎn)方式取代的方案，研制初期發(fā)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)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(diǎn)出發(fā)，仍然采用機(jī)械式調(diào)壓的方案，在保留機(jī)械式調(diào)壓機(jī)構(gòu)的同時(shí)開(kāi)展了若干專(zhuān)題的研究工作。經(jīng)過(guò)實(shí)踐克服了補(bǔ)償式的主要缺陷，小批產(chǎn)品的三項(xiàng)性能：穩(wěn)壓精度優(yōu)于±0.5％；全負(fù)載沖擊時(shí)最大過(guò)沖2.4％，動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間0.3s；MTBF達(dá)50000h。

　　新產(chǎn)品還具有以下特點(diǎn)：

　　（1）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(shí)測(cè)結(jié)果：波形畸變率為20％時(shí)，輸出電壓有效值偏差0.2％。

　　（3）三相電壓分調(diào)，允許各相負(fù)載不平衡度達(dá)100％，電壓不對(duì)稱(chēng)度增量不高于0.3％。短時(shí)過(guò)載能力為160％、5min。

　　（4）可承受頻繁的沖擊負(fù)載，對(duì)各種階躍干擾的響應(yīng)均滿足過(guò)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(yùn)行良好。

　　[附]該產(chǎn)品已通過(guò)軍內(nèi)部級(jí)鑒定（詳見(jiàn)本期“新品介紹”欄目）

4討論

　　（1）把電源設(shè)備看成產(chǎn)品，用戶選用產(chǎn)品時(shí)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(shí)現(xiàn)最合理的選配。從這一點(diǎn)出發(fā)還可以按適配性對(duì)電源產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)。這個(gè)認(rèn)識(shí)仍將電源與負(fù)載分別作為獨(dú)立的兩個(gè)設(shè)備，它們之間存在適配性的關(guān)系。

　　（2）在狹義范圍內(nèi)將適配性定義為“電源設(shè)備與負(fù)載組成一個(gè)系統(tǒng)”在特定的條件下運(yùn)行時(shí)，該電源的穩(wěn)壓和暫態(tài)供電指標(biāo)能滿足預(yù)期的要求。電源與負(fù)載所組成系統(tǒng)的這種特性稱(chēng)之為適配性。這里又提出一個(gè)新的觀點(diǎn)，即“電源與負(fù)載組成一個(gè)系統(tǒng)”，在特定條件下這個(gè)觀點(diǎn)有益于推動(dòng)電源產(chǎn)品的研制。

　　（3）舉例闡明這個(gè)觀點(diǎn)。穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源受到階躍負(fù)載擾動(dòng)時(shí)輸出電壓和頻率有一過(guò)渡過(guò)程。為獲得較小的過(guò)沖及穩(wěn)定時(shí)間，早期曾采取大馬拉小車(chē)的辦法。這不僅增加初期投資，且運(yùn)行及維修費(fèi)用也相應(yīng)增加。將電源與負(fù)載組成一個(gè)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(dòng)的參數(shù)變化引入調(diào)節(jié)器。結(jié)果大大降低了過(guò)沖和穩(wěn)定時(shí)間。值得注意的是“組成一個(gè)系統(tǒng)”后，使得若干技術(shù)措施得以應(yīng)用于這“一個(gè)系統(tǒng)”。

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

　　（4）電源與負(fù)載組成一個(gè)系統(tǒng)對(duì)電源的性能考核增添了新的內(nèi)容，即根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)歸納出特定項(xiàng)目的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法。這類(lèi)試驗(yàn)的內(nèi)容可能是多種多樣的，統(tǒng)稱(chēng)適配性試驗(yàn)。穩(wěn)壓電源用于雷達(dá)裝置的適配性考核是一個(gè)例子，雷達(dá)運(yùn)行對(duì)電源設(shè)備是強(qiáng)烈且頻繁的沖擊性負(fù)載，如果電源動(dòng)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(chǎng)條件下難以鑒別、判斷和維修。針對(duì)這個(gè)情況設(shè)置了相應(yīng)的適配性試驗(yàn)項(xiàng)目，用試驗(yàn)的方法預(yù)先考核電源用于雷達(dá)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(yàn)，然后與多種型號(hào)雷達(dá)配用取得良好的效果。

　　適配性試驗(yàn)的項(xiàng)目設(shè)置、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法必須有效地再現(xiàn)原有系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，使得適配性試驗(yàn)結(jié)果可直接用來(lái)判斷實(shí)際運(yùn)行情況。

　　（5）未來(lái)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(yīng)用引起各方的充分關(guān)注，與之相適應(yīng)的電源研究是個(gè)重要的發(fā)展分支。

　　（6）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。現(xiàn)在看起來(lái)這只是兩者關(guān)系的一個(gè)方面。另外還可以由用戶提出要求，制造廠從設(shè)計(jì)到制造的全過(guò)程都必須滿足該特定的需求。