1.前 言
隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，直流電源應用非常廣泛，其好壞直接影響著電氣設備或控制系統(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計為例，介紹直流電源設計中一些問題的處理辦法。并就在實際應用中，多個直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)使用問題做了闡述。
2.直流穩(wěn)壓電源的設計
2.1 整流變壓器的設計
三相整流變壓器的設計包括：一、二次繞組的聯(lián)結(jié)方式，二次側(cè)電壓的計算，一、二次側(cè)電流的計算，容量的計算與確定，結(jié)構形式的選擇等環(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分析的內(nèi)容。本文以某一步進電機驅(qū)動器的3個直流電源設計為例進行詳細介紹，原理圖如圖1。
圖1 步進電機驅(qū)動器直流電源設計的原理圖
1、二次側(cè)電壓的確定
二次電壓不僅與負載電壓(即要設計的直流穩(wěn)壓電源電壓)和整流電路有關，而且與穩(wěn)壓器件有關。對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，主要是用來鎖相，其電流小、電壓低，電壓波動對驅(qū)動電源的工作狀態(tài)影響不大，不用穩(wěn)壓；+110V用以高壓驅(qū)動，斷續(xù)式供電且頻率很高，大的電流和電流變化率會產(chǎn)生很高過電壓，因此要用電解電容穩(wěn)壓，電阻限流；+12V用于計算機和集成電路的電源，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)壓器兩級穩(wěn)壓。對于不同的穩(wěn)壓手段，二次電壓有著不同的確定方法，理論上這3個電壓的計算式相同，即U2=Ud／2．34 或UL＝Ud／1．35，計算的3個二次電壓分別為：5.2V、81.5V和8.9V，但這樣計算的結(jié)果在實際中不和適，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、輸出平均值會升高，一般用公式UL=Ud/2½估算；如果直流側(cè)用電容和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，為了擴大穩(wěn)壓范圍，Ud一般應升高3～6V，再用公式UL＝(0.9～1.0)·Ud估算。這樣確定的3個二次電壓分別為：UL7=0.9×7=6.3V，UL110=110/2½=78V,UL12=16×0.9=14.4V。
2、一、二次例電流計算及容量確定
二次電流要根據(jù)負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)½Id求出3個二次電流有效值分別為：3.26A、6.5A、1.63A，就得到3個二次電壓和電流。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。
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；對于小功率三相變壓器有時也接成Y／Y型，雖然這種接法會給電網(wǎng)引入諧波．但畢竟其功率小，影響也較小。總之，選的時候既要考慮對電網(wǎng)的影響，又要盡量減小繞組電流，降低繞組絕緣等級。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 整流電路設計
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載平均電流和電壓決定，其計算式為：ID＝（1／3）½·Id，ID(AV)= ID ／1.57，UDn＝(1～2) 2½·U2，由ID(AV)和UDn查二極管手冊就可確定整流管的型號。
2.3 濾波穩(wěn)壓電路設計
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脈動電流產(chǎn)生反電動勢，阻礙電流變化來實現(xiàn)的，電感越大，濾波效果越好。它一般用于負載電流大、對濾波要求不高的場臺。RC濾波電路是電阻和電容連接使用的濾波電路，由于電阻會降低一部分直流電壓，直流輸出電壓會減小，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；獨石電容體積可以做得很小，耐壓也可以做得很高，化學性能和熱性能比較穩(wěn)定，但容量小。一般當整流輸出電流大時，必須用電解電容濾波穩(wěn)壓；輸出電流小時，用一般電容或電解電容濾波都可以，如果對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，容量太大會降低輸出電壓值，太小則會導致電壓脈動大、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。選擇時首先要確定系列，是正電源還是負電源，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；同時，穩(wěn)壓器在接入整流電路時要適當加一些保護元件，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。
直流電源的設計理論上比較簡單，但在具體的工程設計中還需要進一步分析、研究、實踐和總結(jié)。
3 直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)應用
直流穩(wěn)壓電源應用非常廣泛，有時會把兩個或兩個以上的電源串聯(lián)使用，現(xiàn)就此應用做一簡要介紹。
圖2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路
3.1 電路的組成及工作原理
圖2是一種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，由取樣電路、基準電路、比較放大和調(diào)整電路等部分組成。其中R1、R2和RP組成取樣電路，R1、R2和RP稱為取樣電阻；R3和V2組成基準電路，R3是VZ的限流電阻，VZ給V2發(fā)射極提供一個基準電壓；V2為比較放大管，作用是將穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量先放大，然后再送到調(diào)整管基極；V1是調(diào)整管，起調(diào)整作用。
穩(wěn)壓過程如下：當輸出電壓U0發(fā)生變化時，通過取樣電路把U0的變化量取樣加到放大管V2的基極。而由R3和Vz組成的基準電路為V2的發(fā)射極提供基準電壓Uz。由V2和R4組成的放大電路把取樣電壓和基準電壓進行比較放大后，輸出調(diào)整信號送到調(diào)整V1的基極，控制V1進行調(diào)整，以維持U0基本不變。
3.2 直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)使用
1、順串使用
所謂順串，指電源的極性首尾相連，如圖3。
圖3 電源串聯(lián)示意圖(順串)
a、b端開路時，兩電源分別是獨立的電源，都能正常工作，輸出的電壓分別為E1、E2，a、b端的電壓應為兩個電動勢的代數(shù)和，Uab＝E1+E2；接上負載R1、R2后，由于負載電流的方向與兩個電源正常工作時對外輸出的電流方向一致，故兩個電源也都能正常工作，Uab＝E1+E2，且整個回路符合全電路歐姆定律I=( E1+E2)/(R1+R2)，每個電源都有負載電流通過，電源上的電壓保持不變(忽略內(nèi)阻)。
2、反串使用
所謂反串指電源首首或尾尾相連，如圖4，把圖4可以等效成圖5。
a、b端開路時，兩電源分別是獨立的電源，都能正常工作，輸出的電壓分別為E1、E2，a、b端的電壓應為兩個電動勢的代數(shù)和，Uab＝E2-E1；加上負載R1、R2，因E2＞E1，所以負載上的電流方向如圖所示(即I2)，它與電源1對外輸出的電流方向相反，迫使電源1停止工作，輸出電壓為0，而此時負載電流將通過取樣電路形成回路，故左邊電源“輸出的電壓”也就是取樣電路R1、R2和RP上的電壓，設電源1、2及取樣電路上的電流參考方向如圖所示，則I3＝I1+I2，也就是說取樣電路上的電壓U取＝I3(R1+R2+RP)。如果從取樣電路向右看，可等效為一個電動勢為E3、內(nèi)阻為R0的電源，其中E3=U取。如E3＞E1，迫使Iv1截止，IIVC1近似等于0，電源真正停止工作，此時“電源輸出的電壓”U取＝I3(R1+R2+RP)(并不是真正電源1輸出的電壓，而是取樣電阻分擔E2的電壓)，其中I3=E2/(R1+R2+(1R1+2R2+1Rp))，其電壓的大小主要由E2、R1、R2、lRl、lR2、1RP的大小決定，整個電路也不符合全電路歐姆定律，I2≠(E2-E1)/(R1+R2)，此時的電壓應大于E1；E3
通過上面的分析可知，對于直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)情況而言，如電源順串，各個電源都能正常工作，整個電路符合全電路歐姆定律；電源反串，穩(wěn)定電壓輸出比較小的那個電源不能真正起到一個電源作用，在任何情況下負載電流都沒有通過電源。具體情況如下：當取樣電路上的電壓大于穩(wěn)壓電源輸出電壓時，迫使電源停止工作，此時只有電源的取樣電路接入電路中，電源兩端的電壓也就是取樣電路兩端的電壓(應大于穩(wěn)定輸出電壓)，整個電路不滿足全電路歐姆定律；當取樣電路上的電壓小于穩(wěn)定輸出電壓時，電源正常工作，整個電路滿足全電路歐姆定律，但負載電流只通過取樣電路，取樣電路上的電流應是負載電流與電壓比較小的電源調(diào)整電流之和，使用時應考慮取樣電阻的功率。因此，我們在使用兩個或兩個以上穩(wěn)壓電源的過程中，應根據(jù)具體情況合理使用電源反串。以免造成實際值與理論值大相徑庭的現(xiàn)象發(fā)生。