直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

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/2?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=110/2?=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)?Id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。總之，選的時(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）?·Id，ID(AV)= ID ／1.57，UDn＝(1～2) 2?·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)。