電梯產(chǎn)品應(yīng)用開關(guān)電源替代工頻變壓器的技術(shù)研究

康宇翔

(瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,四川 瀘州 646000)

電梯產(chǎn)品應(yīng)用開關(guān)電源替代工頻變壓器的技術(shù)研究

康宇翔

(瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,四川 瀘州 646000)

電梯作為一種需要長(zhǎng)期供電的設(shè)備,對(duì)于電源的要求非常高,這也就出現(xiàn)了運(yùn)用開關(guān)電源還是工頻變壓器的問(wèn)題.這兩種供電設(shè)備各不相同且各有優(yōu)勢(shì),文章主要針對(duì)電梯產(chǎn)品中,開關(guān)電源替代工頻變壓器的有關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析,并提出了幾點(diǎn)建議.

電梯產(chǎn)品;開關(guān)電源;工頻變壓器;技術(shù)

開關(guān)電源本身是一種現(xiàn)代化的電力電子技術(shù),主要對(duì)開關(guān)管開通以及關(guān)斷時(shí)間比率進(jìn)行控制,并確保輸出電壓穩(wěn)定性的電源.一般情況下開關(guān)電源是由脈沖寬度調(diào)制控制IC以及MOSFET幾部分組成.在電力電子技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展的影響下,開關(guān)電源技術(shù)也隨之創(chuàng)新.但是在實(shí)際應(yīng)用方面,開關(guān)電源也得到了廣泛的運(yùn)用,是現(xiàn)如今電子信息行業(yè)必不可少的電源形式.而工頻變壓器同樣作為電源形式,和開關(guān)電源所用高頻變壓器之間有大差別,以往工頻變壓器的運(yùn)用較為頻繁,所運(yùn)用主體的電源穩(wěn)定形式是線性調(diào)節(jié),因此,一些傳統(tǒng)形式的電源也被稱為線性電源.文章主要針對(duì)電梯產(chǎn)品中,開關(guān)電源替代工頻變壓器相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析.

1 開關(guān)電源與工頻變壓器可行性

線性電源內(nèi)主要包含了電源變壓器,這種電源形式的體積較大,且成本高,另外一個(gè)十分關(guān)鍵的特點(diǎn)便是效率低,工作效率只有40%左右.但是開關(guān)電源恰好與其相反,一方面,開關(guān)電源具有很高的運(yùn)行效率,現(xiàn)如今市場(chǎng)中一些質(zhì)量比較好的電源,其運(yùn)行效率可達(dá)到90%,并且開關(guān)頻率高,在其內(nèi)部使用電壓器或是電感中體積較小,由此開關(guān)電源體積也比較小.在電梯這種對(duì)運(yùn)行效率比較高的產(chǎn)品中進(jìn)行使用,主要是以開關(guān)電源為主,因?yàn)榫€性電源較為簡(jiǎn)潔,并且在單片開關(guān)集成電源廣泛運(yùn)用之后已經(jīng)被淘汰.另外,只有運(yùn)用效率較高的開關(guān)電源,才能維持電梯的長(zhǎng)久運(yùn)行.

對(duì)于工頻變壓器而言,其本身也存在相應(yīng)的缺點(diǎn),如體積重量大、效率低,穩(wěn)壓損耗比較大,在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生工頻噪聲,加之對(duì)銅的使用比較多,所以成本的消耗會(huì)較高.雖然工頻變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并具有很高的可靠性,但是如果在電梯產(chǎn)品中進(jìn)行運(yùn)用,因?yàn)楣ゎl變壓器效率低,無(wú)法維持電梯的持久運(yùn)行,所以在這一方面看來(lái),以開關(guān)電源替代工頻變壓器具有可行性.

2 開關(guān)電源替代工頻變壓器

2.1 電源開關(guān)選擇

電梯中使用的開關(guān)電源主要是HH系列的負(fù)荷開關(guān),即常說(shuō)的鐵殼開關(guān).因?yàn)镠H系列負(fù)荷的開關(guān)斷流容量比較小,只有幾千安,且沒(méi)有固定的生產(chǎn)廠家,通過(guò)電氣設(shè)備相關(guān)規(guī)定可以了解到,一部分生產(chǎn)廠家已經(jīng)停產(chǎn)了該系列設(shè)備,所以設(shè)備的質(zhì)量無(wú)法得到保證.基于此,建議使用HR11系列的熔斷器式開關(guān),或者是DZ20型的低壓斷路器,以此為電梯電源開關(guān).

HR11系列熔斷器式開關(guān)主要適用于交流50～60Hz,與BS5419、JB4olZ、IEC4os標(biāo)準(zhǔn)相符,且該開關(guān)的額定極限短路分?jǐn)嗄芰κ?0kA.將其運(yùn)用在電梯的電源開關(guān)中,該系列熔斷器開關(guān)熔體電流為電梯計(jì)算電流的2.5倍.

DZ20系列的低壓斷路器,設(shè)備的額定極限短路分?jǐn)嗄芰ψ畹鸵部梢赃_(dá)到18kA,例如DZ20Y系列.在電梯中使用斷路器時(shí),除了應(yīng)該與原則相符的原則之外,也需要滿足以下條件要求.(1) 斷路器延時(shí)脫扣器整定電流要超過(guò)電梯計(jì)算電流.(2) 斷路器瞬時(shí)脫扣器整定電流要超過(guò)電梯起動(dòng)電流.

2.2 整體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí),需要滿足以下幾個(gè)指標(biāo)要求.(1) 輸入電壓在170～700VDC.(2) 開關(guān)頻率為50kHz.(3)輸出電壓為5V±0.4%,1A;24V±7%,2A;±15V±5%,200mA; 三 路 15V±5%,150mA;15V±5%,300mA.(4) 額定功率:PON=70W.(5)效率為η=80%.

系統(tǒng)中主要有輸入電路、DC/DC變換電路、輸出電路、控制電路這四個(gè)部分.其中輸入部分分別包括保護(hù)電路、濾波電路這兩個(gè)部分,DC/DC變換電路中也包含了單端反激式功率開關(guān)電路、高頻變壓器電路這兩個(gè)電路,且負(fù)責(zé)斬波,輸出電路中則包括整流、濾波,控制電路包括控制芯片STM32F030F4、電壓、電流采樣電路、功率管驅(qū)動(dòng)電路等部分構(gòu)成,其作用是進(jìn)行控制系統(tǒng)采樣已經(jīng)PWM波輸出.

2.3 硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)開關(guān)電源在電梯產(chǎn)品中的運(yùn)用,需要從硬件與軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì).在硬件電路設(shè)計(jì)方面,需要考慮到輸入部分、DC/DC交換部分、輸出部分、控制部分四個(gè)環(huán)節(jié).(1) 輸入部分.該部分主要涵蓋了電路保護(hù)與濾波電路,通過(guò)這兩個(gè)部分可以對(duì)電路運(yùn)行過(guò)程中形成的串模干擾與共模干擾進(jìn)行有效抑制.輸入端保護(hù)電路包括保險(xiǎn)絲和壓敏電阻.保險(xiǎn)絲能夠在電路出現(xiàn)故障或者是異常時(shí),一旦電流升高到限定范圍值,其自身會(huì)熔斷并且切斷電流通路,對(duì)電路安全進(jìn)行保證;而壓敏電阻則是在電網(wǎng)中竄進(jìn)的浪涌電壓,起到過(guò)壓保護(hù)電路的作用.濾波電路主要是濾波電容和共模扼流圈,其本身是控制電路運(yùn)行期間產(chǎn)生的串模干擾與共模干擾.(2) DC/DC交換部分.該部分主要包括了功率開關(guān)電路與高頻變壓器,這也是開關(guān)電源中最為重要的部分,在電梯產(chǎn)品中進(jìn)行使用,一般是將已經(jīng)完成濾波的直流電壓轉(zhuǎn)化為高頻率脈沖電壓,再通過(guò)變壓器將其轉(zhuǎn)換成為與電梯設(shè)計(jì)要求相符的隔離輸出交流電壓.其一,雙管有源箝位單端反激式DC/DC交換電路.輸入電壓范圍最高可達(dá)700VDC,要降低MOSFET管所承受的電壓,降低可能產(chǎn)生的損耗,功率開關(guān)電路運(yùn)用了有源箝位雙管單端反激式DC/DC交換電路.該電路有兩個(gè)不同的主開關(guān)管以及輔助開關(guān)管,由其構(gòu)成單端反激式電路,且這兩個(gè)主開關(guān)管可以代替任意一個(gè)開關(guān)管,輸入電壓最高可達(dá)700V,電壓過(guò)高,而反激式開關(guān)管可以承受兩倍的反向電壓輸入電壓,開關(guān)管所承受電壓過(guò)高,所以一般使用兩個(gè)開關(guān)管,由這兩個(gè)同時(shí)分擔(dān)過(guò)高的電壓.此外,有源箝位也能夠支持開關(guān)管ZVS,降低開關(guān)管的損耗.其二,高頻變壓器.高頻變壓器參數(shù)可以通過(guò)AP法公式獲得,并且通過(guò)查表的方式選擇磁芯型號(hào)、磁路長(zhǎng)度、磁芯有效截面積、磁芯無(wú)氣隙時(shí)的等效電感等參數(shù).最大占空比、開關(guān)頻率、最大輸出功率、效率按照具體要求進(jìn)行選擇和確定,在此基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算得出初次測(cè)匝數(shù),按照兩側(cè)電壓比以及PWM波占空比,可以獲得高頻變壓器兩側(cè)匝數(shù)比,進(jìn)而計(jì)算出次級(jí)繞組匝數(shù).(3) 輸出部分.該部分中的整流濾波可以獲得具有穩(wěn)定性的直流電壓,再利用低壓穩(wěn)壓芯片獲得需要的電壓,以此實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電壓電流雙反饋控制.(4)控制部分.該部分一般是通過(guò)主控芯片、電流、電壓數(shù)據(jù)搜集調(diào)理電路以及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路發(fā)揮作用.其一,電壓電流調(diào)理電路.電壓調(diào)理電路主要使用的HCNR200型的高線性度光耦對(duì)采樣電壓,以此實(shí)現(xiàn)反饋控制電路的隔離.該電路中主要包含發(fā)光二極管LED、反饋光電二極管PD1、輸出光電二極管PD2這三個(gè)部分,一旦LED經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電流,便會(huì)發(fā)出紅外光.且該光會(huì)照射在PD1、PD2中,反饋光電二極管會(huì)負(fù)責(zé)吸收掉LED一部分的光通量,以此便會(huì)形成控制電流.此外,電流采樣電路主要包含差分放大電路以及跟隨電路這兩個(gè)部分,按照額定電流具體的等級(jí),選擇不同的采樣電阻以及放大增益,從而符合設(shè)計(jì)的具體要求;其二,開關(guān)管驅(qū)動(dòng).電路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路主要使用的是TPS2814型柵極驅(qū)動(dòng)器,確定電源電壓為15V,TPS2814的兩個(gè)輸入接口和輸出接口,所輸出的正反兩路為 PWM 波.R9、R10、D1、D2、C7、C8負(fù)責(zé)對(duì)主開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及鉗位開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在的死區(qū)進(jìn)行調(diào)整.且τ1是主開關(guān)管關(guān)斷后與鉗位管導(dǎo)通前驅(qū)動(dòng)死區(qū)的時(shí)間,τ2則是主開關(guān)管開通前與鉗位管關(guān)斷后驅(qū)動(dòng)的死區(qū)時(shí)間,通過(guò)這兩個(gè)部分對(duì)死區(qū)進(jìn)行調(diào)整.

2.4 軟件設(shè)計(jì)

在軟件電路設(shè)計(jì)方面,主要有實(shí)時(shí)采樣、PID算法控制以及PWM波輸出這個(gè)環(huán)節(jié),實(shí)時(shí)采樣是通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換電路,以此對(duì)電壓與電路進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,而PID算法控制則是運(yùn)用增量式PID算法或是其他算法,根據(jù)相關(guān)公式得到控制器輸出值以及離散PID算式.PWM波輸出是指PWM在單端反激式DC/DC變換電路運(yùn)用的MOSFET驅(qū)動(dòng).按照輸出采樣設(shè)置與調(diào)整定時(shí)器內(nèi)周期寄存器數(shù)值以及對(duì)比寄存器數(shù)值,實(shí)現(xiàn)輸出PWM波周期與脈沖寬度的更改.

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在電梯產(chǎn)品使用開關(guān)電源替代工頻變壓器,是有效維持電梯持續(xù)、安全有效運(yùn)行的手段之一.以上從硬件與軟件兩個(gè)方面對(duì)開關(guān)電源的運(yùn)用進(jìn)行了分析,介紹了開關(guān)電源和工頻變壓器各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn),以及其在電梯產(chǎn)品中得以運(yùn)用的可行性.

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