電梯產品應用開關電源替代工頻變壓器的技術研究

康宇翔

(瀘州市特種設備監督檢驗所,四川 瀘州 646000)

電梯產品應用開關電源替代工頻變壓器的技術研究

康宇翔

(瀘州市特種設備監督檢驗所,四川 瀘州 646000)

電梯作為一種需要長期供電的設備,對于電源的要求非常高,這也就出現了運用開關電源還是工頻變壓器的問題.這兩種供電設備各不相同且各有優勢,文章主要針對電梯產品中,開關電源替代工頻變壓器的有關技術進行了分析,并提出了幾點建議.

電梯產品;開關電源;工頻變壓器;技術

開關電源本身是一種現代化的電力電子技術,主要對開關管開通以及關斷時間比率進行控制,并確保輸出電壓穩定性的電源.一般情況下開關電源是由脈沖寬度調制控制IC以及MOSFET幾部分組成.在電力電子技術不斷創新發展的影響下,開關電源技術也隨之創新.但是在實際應用方面,開關電源也得到了廣泛的運用,是現如今電子信息行業必不可少的電源形式.而工頻變壓器同樣作為電源形式,和開關電源所用高頻變壓器之間有大差別,以往工頻變壓器的運用較為頻繁,所運用主體的電源穩定形式是線性調節,因此,一些傳統形式的電源也被稱為線性電源.文章主要針對電梯產品中,開關電源替代工頻變壓器相關技術進行了分析.

1 開關電源與工頻變壓器可行性

線性電源內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,另外一個十分關鍵的特點便是效率低,工作效率只有40%左右.但是開關電源恰好與其相反,一方面,開關電源具有很高的運行效率,現如今市場中一些質量比較好的電源,其運行效率可達到90%,并且開關頻率高,在其內部使用電壓器或是電感中體積較小,由此開關電源體積也比較小.在電梯這種對運行效率比較高的產品中進行使用,主要是以開關電源為主,因為線性電源較為簡潔,并且在單片開關集成電源廣泛運用之后已經被淘汰.另外,只有運用效率較高的開關電源,才能維持電梯的長久運行.

對于工頻變壓器而言,其本身也存在相應的缺點,如體積重量大、效率低,穩壓損耗比較大,在運行的過程中會產生工頻噪聲,加之對銅的使用比較多,所以成本的消耗會較高.雖然工頻變壓器的結構簡單,并具有很高的可靠性,但是如果在電梯產品中進行運用,因為工頻變壓器效率低,無法維持電梯的持久運行,所以在這一方面看來,以開關電源替代工頻變壓器具有可行性.

2 開關電源替代工頻變壓器

2.1 電源開關選擇

電梯中使用的開關電源主要是HH系列的負荷開關,即常說的鐵殼開關.因為HH系列負荷的開關斷流容量比較小,只有幾千安,且沒有固定的生產廠家,通過電氣設備相關規定可以了解到,一部分生產廠家已經停產了該系列設備,所以設備的質量無法得到保證.基于此,建議使用HR11系列的熔斷器式開關,或者是DZ20型的低壓斷路器,以此為電梯電源開關.

HR11系列熔斷器式開關主要適用于交流50～60Hz,與BS5419、JB4olZ、IEC4os標準相符,且該開關的額定極限短路分斷能力是50kA.將其運用在電梯的電源開關中,該系列熔斷器開關熔體電流為電梯計算電流的2.5倍.

DZ20系列的低壓斷路器,設備的額定極限短路分斷能力最低也可以達到18kA,例如DZ20Y系列.在電梯中使用斷路器時,除了應該與原則相符的原則之外,也需要滿足以下條件要求.(1) 斷路器延時脫扣器整定電流要超過電梯計算電流.(2) 斷路器瞬時脫扣器整定電流要超過電梯起動電流.

2.2 整體設計

在設計時,需要滿足以下幾個指標要求.(1) 輸入電壓在170～700VDC.(2) 開關頻率為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、控制電路這四個部分.其中輸入部分分別包括保護電路、濾波電路這兩個部分,DC/DC變換電路中也包含了單端反激式功率開關電路、高頻變壓器電路這兩個電路,且負責斬波,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、功率管驅動電路等部分構成,其作用是進行控制系統采樣已經PWM波輸出.

2.3 硬件設計

針對開關電源在電梯產品中的運用,需要從硬件與軟件兩個方面進行設計.在硬件電路設計方面,需要考慮到輸入部分、DC/DC交換部分、輸出部分、控制部分四個環節.(1) 輸入部分.該部分主要涵蓋了電路保護與濾波電路,通過這兩個部分可以對電路運行過程中形成的串模干擾與共模干擾進行有效抑制.輸入端保護電路包括保險絲和壓敏電阻.保險絲能夠在電路出現故障或者是異常時,一旦電流升高到限定范圍值,其自身會熔斷并且切斷電流通路,對電路安全進行保證;而壓敏電阻則是在電網中竄進的浪涌電壓,起到過壓保護電路的作用.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行期間產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電路與高頻變壓器,這也是開關電源中最為重要的部分,在電梯產品中進行使用,一般是將已經完成濾波的直流電壓轉化為高頻率脈沖電壓,再通過變壓器將其轉換成為與電梯設計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700VDC,要降低MOSFET管所承受的電壓,降低可能產生的損耗,功率開關電路運用了有源箝位雙管單端反激式DC/DC交換電路.該電路有兩個不同的主開關管以及輔助開關管,由其構成單端反激式電路,且這兩個主開關管可以代替任意一個開關管,輸入電壓最高可達700V,電壓過高,而反激式開關管可以承受兩倍的反向電壓輸入電壓,開關管所承受電壓過高,所以一般使用兩個開關管,由這兩個同時分擔過高的電壓.此外,有源箝位也能夠支持開關管ZVS,降低開關管的損耗.其二,高頻變壓器.高頻變壓器參數可以通過AP法公式獲得,并且通過查表的方式選擇磁芯型號、磁路長度、磁芯有效截面積、磁芯無氣隙時的等效電感等參數.最大占空比、開關頻率、最大輸出功率、效率按照具體要求進行選擇和確定,在此基礎上通過計算得出初次測匝數,按照兩側電壓比以及PWM波占空比,可以獲得高頻變壓器兩側匝數比,進而計算出次級繞組匝數.(3) 輸出部分.該部分中的整流濾波可以獲得具有穩定性的直流電壓,再利用低壓穩壓芯片獲得需要的電壓,以此實現閉環電壓電流雙反饋控制.(4)控制部分.該部分一般是通過主控芯片、電流、電壓數據搜集調理電路以及開關管驅動電路發揮作用.其一,電壓電流調理電路.電壓調理電路主要使用的HCNR200型的高線性度光耦對采樣電壓,以此實現反饋控制電路的隔離.該電路中主要包含發光二極管LED、反饋光電二極管PD1、輸出光電二極管PD2這三個部分,一旦LED經過驅動電流,便會發出紅外光.且該光會照射在PD1、PD2中,反饋光電二極管會負責吸收掉LED一部分的光通量,以此便會形成控制電流.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部分,按照額定電流具體的等級,選擇不同的采樣電阻以及放大增益,從而符合設計的具體要求;其二,開關管驅動.電路開關管驅動電路主要使用的是TPS2814型柵極驅動器,確定電源電壓為15V,TPS2814的兩個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負責對主開關管驅動信號以及鉗位開關管驅動信號存在的死區進行調整.且τ1是主開關管關斷后與鉗位管導通前驅動死區的時間,τ2則是主開關管開通前與鉗位管關斷后驅動的死區時間,通過這兩個部分對死區進行調整.

2.4 軟件設計

在軟件電路設計方面,主要有實時采樣、PID算法控制以及PWM波輸出這個環節,實時采樣是通過ADC轉換電路,以此對電壓與電路進行實時采樣,而PID算法控制則是運用增量式PID算法或是其他算法,根據相關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變換電路運用的MOSFET驅動.按照輸出采樣設置與調整定時器內周期寄存器數值以及對比寄存器數值,實現輸出PWM波周期與脈沖寬度的更改.

3 結語

綜上所述,在電梯產品使用開關電源替代工頻變壓器,是有效維持電梯持續、安全有效運行的手段之一.以上從硬件與軟件兩個方面對開關電源的運用進行了分析,介紹了開關電源和工頻變壓器各自的優勢與缺點,以及其在電梯產品中得以運用的可行性.

[1]白中杰. 開關電源的電磁干擾及其抑制技術研究[J]. 科技與創新,2016,01:129.

[2]曲子君. 電力電子技術在開關電源中的應用研究[J]. 化工管理,2016,09:129.

[3]李晶. 高頻軟開關通信電源的設計思路探討[J]. 中國新技術新產品,2016,12:18-19.

TM47

A

1671-0711(2017)11(下)-0115-02