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變頻電源的優勢和應用(上)

變頻電源是將市電中的交流電經過AC→DC→AC變換, 輸出為純凈的正弦波,輸出頻率和電壓 一定范圍內可調。它有別于用于電機調速用的變頻調速控制器,也有別于普通交流穩壓電源。理想的交流電源的特點是頻率穩定、電壓穩定、內阻等于零、電壓波形 為純正弦波(無失真)。變頻電源十分接近于理想交流電源,因此,先進發達國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源,以便為用電器提供最優良的供電環境, 便于客觀考核用電器的技術性能。美國有60% - 65%的發電量用于電機驅動,由于有效地利用了變頻調速技術,僅工業傳動用電就節約了15% - 20%的電量。

采用變頻電源調速,一是根據要求調速用,二是節能。它主要基于下面幾個因素:

1) 變頻調速系統自身損耗小,工作效率高。

2) 電機總是保持在低轉差率運行狀態,減小轉子損耗。

3) 可實現軟啟、制動功能,減小啟動電流沖擊。

在采用變頻電源調速時,需從工藝要求、節約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節約效益考慮,下面幾種情況選用變頻調速較有利:

1、根據工藝要求,生產線或單臺設備需要按程序或按要求調整電機速度的。如:包裝機傳送系統,根據不同品種的產品,需要改變系統傳送速度,使用變頻調速可使調速控制系統結構簡單,控制準確,并易于實現程序控制。

2、用變頻調速代替機械變速。如:機床,不僅可以省去復雜的齒輪變速箱,還能提高精度、滿足程序控制要求。

3、用變頻調速代替用閘門或擋板調整流量適于風機、水泵、壓縮機等。例如:鍋爐上水泵、鼓風機、引風機實行了變頻調速控制,不僅省去了伺服放大器、電動操作器、電動執行器和給水閥門(或擋風板),而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統得到了快速的動態響應、高的控制精度和穩定性。

高頻變壓器的設計和制作(下)

變壓器的屏蔽層。在EMI干擾較強的情況下,常在變壓器的初次級之間加入一層屏蔽層,通過加入屏蔽層切斷了初次級間雜散電容的路徑,讓其都對地形成 電容,其屏蔽效果非常好,可以大為減少EMI,同時對于電網串入的瞬態干擾也有一定的抑制作用。但變壓器的制作工藝和成本都上升。屏蔽層有銅層和繞線層兩 種,銅層的效果最佳。

輸出整流濾波為了增加對干擾的濾波效果,可以在電源的二次輸出側加入二級濾波和一個共模電感。L1,C1組成二級濾波電器,濾除差模干擾;L2是輸出共模電感,濾除輸出電壓中所含有的共模干擾。

印制電路板(PCBLAYOUT)應注意的問題

布線開關電源中包含有高頻信號,PCB上任何印制線都可以起到天線的作用,印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗,從而影響頻率響應。因此應將所有 通過高頻交流的電流和印制線設計得盡可能短而寬,這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置的很近。印制線的長度與其表現出的電感量 和阻抗成正比,而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。根據印制線路經電流的大小,應盡量加粗電源線寬度,減少環路電阻。

我們在設計和制作反激式開關電源時,采用了上述措施,變壓器采用順序繞法帶銅屏蔽層,輸出側加共模濾波電感后,+5v輸出電壓波形上的毛刺和紋波的 峰值都小于60Mv,而在才用這些措施前毛刺和紋波的峰值大于500Mv。通過比較,我們發現這些措施確實能夠對干擾起到很好的作用。抑制開關電源電磁干 擾的措施還有很多,比如屏蔽技術、接地等等。在設計開關電源時應綜合考慮各種因數,盡可能抑制開關電源的各種噪音,提高開關電源的電磁兼容性,使開關電源 得到更廣泛的應用。

高頻變壓器的設計和制作(上)

變壓器是開關電源的最關鍵器件之一。變壓器不僅要設計合理,在制作上也很有講究。一個好的變壓器既要滿足帶負荷能力,還要能起到較少和抑制干擾的作用。首先應根據輸出負載的大小選擇變壓器的類型和磁芯的型號。

確定變壓器的線徑及線數。依據bobbin的槽寬并以電流密度6A/mm2為參考,綜合考慮電流的趨膚效應,決定變壓器的線徑及線數。

根據電路的拓撲結構和設計要素,計算初次級繞組的電感量,如果是反激式電源還應計算變壓器氣隙的大小,氣隙的大小決定了變壓器的帶負載能力,同時也會影響變壓器漏感的大小。而漏感是產生干擾的一個重要原因,在滿足帶負載能力的情況下,漏感以小些為好。

變壓器的結構設計和繞組分配。變壓器有兩種常見的繞法:順序繞法和夾層繞法。順序繞法一般漏感為原邊電感量的5%左右,但由于初,次級只有一個接觸 面,原副邊間雜散電容較小。夾層繞法一般漏感為原邊電感量的1-3%左右,但由于初,次級只有一個接觸面,原副邊間雜散電容較大。漏感是產生干擾的重要因 素,原副邊間雜散電容是干擾的傳播通道,為抑制干擾,既要減少漏感又要減小漏感原副邊間雜散電容。因此,設計時應綜合考慮這兩個方面進行設計,具體采用何 種繞法應該根據實際情況而定。

開關電源中的干擾源和耦合通道(下)

2、開關電路產生的干擾

開關電路的核心也是主要的干擾源之一,它主要由開關管和高頻變壓器組成。開關管產生的dv/dt具有較大的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是:

(1)在開關管導通瞬間,變壓器初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在開關斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使 一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈,儲藏在漏感中的這部分能量將和開關管本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在開關管的關斷電壓上, 形成關尖峰電壓。這個噪音聲會傳導到輸入輸出端,形成傳導干擾。

(2)輸出二極管在正向導通時,PN接內的電荷被積累,二極管加反向電壓時積累的電荷將消失并產生反向電流。由于二次整流回路中V在開關轉換時頻率 很高,即由導通轉變為截止的時間很短,在短時間內要讓存儲電荷消失就產生反向電流的浪涌。由于直流輸出中的分布電容、分布電感的存在,使因浪涌引起的干擾 成為高頻衰減減振蕩。

(3)高頻變壓器初級線圈,開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能產生較大的空間輻射,形成輻射干擾。

3、干擾的耦合通道

由于變壓器的初次級線圈間存在雜散電容,開關電路產生的共模干擾通過變壓器在原副邊相互傳播。相比較而言,差模干擾路徑比較簡單也易于處理。本文主要介紹共模干擾的產生和抑制。

 

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