高压电源系统

高压电源系统（精选十篇）

高压电源系统 篇1

关键词：静电除尘器,供电电压,优化控制,遗传算法,神经网络

1 引言

为了在满足环保排放标准要求的基础上达到降低电除尘器损耗的目的,许多业内学者从荷电机理、供电方式等方面开展研究,这些研究为电除尘的节能优化控制及其实现奠定了基础。但像国外White.H J[1],Cooperman[2]以及国内沈阳工业大学的赵志斌[3]等人在电除尘除尘效率数学模型上的理论研究,着重于烟尘在电场中电离、荷电、运动、捕集的过程,到目前为止仍然还没有推导出适用于电除尘控制系统的除尘效率与供电参数之间关系的数学模型,而且单纯的除尘效率数学模型中存在某些参数的不可检测性以及没有考虑到电除尘器实际功耗问题,这也对整个电除尘装置的节能优化控制造成一定难度。针对上述问题,本文采用全监督RBF神经网络建立电除尘器出口粉尘浓度-供电电压模型并用最小二乘法辨识电除尘器一次侧电晕功率模型,从而将除尘效率和功耗联系起来,用遗传算法在出口浊度满足要求的前提下,对电除尘器的高压供电参数进行优化控制。

2 除尘器的效能分析

2.1 电除尘器的工作原理

电除尘器除尘主要依托的是电晕放电[4]原理。在两个曲率半径相差很大的金属阳极板(集尘极)和阴极(电晕极)上,通过高压直流电,维持一个足以使气体电离的静电场,气体电离后所产生的正离子和电子,吸附在通过电场的粉尘上,使粉尘荷电。自由电子获得了足够的能量,它和气体分子碰撞产生正离子和新的电子,而新生的电子立刻又参与到碰撞电离中去,生成更多的正离子和电子。荷电粉尘在电场力的作用下,分别向不同极性的极板运动并沉积在电极上,从而达到粉尘和气体分离的目的。当电极板上的粉尘达到一定厚度时,再通过振打装置使粉尘落入下部灰斗,再把灰尘通过输灰装置输送出去。

2.2 除尘效率

静电除尘器新的理论除尘效率为

$\eta =1-\exp (-F{}_1\frac{\omega L}{vb})$

由粒子在静电除尘器内的运动方程得:

$F{}_1=\frac{\omega b}{4{\rm K}{}_y}[1+(\frac{2\text{π}{\rm K}{}_y}{\omega b}){}^2]$

式中:F1为常数;η为粉尘收集效率;ω为粉尘驱进速度;L为收尘极板长度;v为气体平均流速;b为线板间距;Ky为y方向紊流扩散系数。

驱进速度可以表示为

$\omega =(1+2\frac{\epsilon -1}{\epsilon +2})\frac{E{}_{\text{r}}E{}_{\text{p}}a}{6\text{π}\mu }$

式中:ε为粉尘介电常数;a为粉尘半径;Er为荷电电场强度;EP为收尘电场强度;μ为工况混合气体粘度系数。

一般情况下Er≈EP≈E,从而驱进速度正比于粉尘半径和供电电场强度的平方。

可以发现,提高操作电压则粉尘趋近速度增大,收尘效率提高。但是当操作电压增加到某一值后,随着操作电压的提高,火花放电次数迅速增加,火花放电现象将导致平均电压降低,收尘效率下降,所以过分增加操作电压是不经济的。

3 电除尘节能优化技术

目前电除尘装置只顾及除尘器出口粉尘浓度的排放指标,通过提高电除尘器的供电电压使除尘效率最大化,没有涉及到电除尘器装置整个工艺过程的电能消耗,对节能优化控制考虑甚少。本文以智能优化控制为基础,实现电除尘器的节能控制[4]。

3.1 除尘器出口粉尘浓度RBF神经网络模型

RBF神经网络[5]是一种性能良好的前向神经网络,相对于BP网络[6]更符合人类大脑对信息的处理方式,且具有更快的学习速率,不存在局部极小值的问题。若样本充足,均可找到恰当的映射。RBF神经网络具有3层结构,输入层即电场的2次电压、隐含层(用Nr表示)和输出层,输出层即电除尘器出口粉尘浓度。

本文用RBF神经网络建模,作用于1台一室3电场电除尘设备。3个电场的2次电压作为神经网络的输入X,因此网络输入是3维向量。将电除尘器出口粉尘浓度作为神经网络的输出Y,因而网络输出是1维向量。目前对于如何选择隐含层节点的数目还没有一种完善的方法,经过试验凑试,发现Nr选为8时网络均方误差最低,响应速度较快;网络输入样本160个,其中测试样本47个。

RBF神经网络建模过程分为如下几步。

3.1.1 数据归一化处理

由于需要处理的数据值很大且数据之间的差值也很大,需对数据进行归一化处理。当特征值为0时,网络训练容易出错,因此将数据归一化到[0.1,0.9]上,具体映射关系如下:

xk→f(xk)=(xk-xmin)/(xmax-xmin)×(0.9-0.1)+0.1

输出量的反归一化处理映射关系如下:

yk→f(yk)=(yk-xmin)×(xmax-xmin)/(0.9-0.1)+1

3.1.2 K-均值法确定网络中心参数和方差

从数据集中选取K=Nr=8个点作为初始聚类中心。用下式计算各个样本到聚类中心的距离,把样本归类。

dj=‖X(k)-Cj‖2 (1)

调整完后用下式计算新的聚类中心。每次迭代都要考察各个样本分类是否正确,所有样本调整完后,再修改中心进入下次迭代。

$C{}_j=\frac{1}{{\rm M}{}_j}\underset{X(k)\in \text{c}\text{l}\text{a}\text{s}\text{s}}{{\displaystyle \Sigma }}X(k)(2)$

聚类算法完成后得到第j类子集方差δj即

$\delta {}_j^2=\frac{1}{{\rm M}{}_j}\underset{X(k)\in \text{c}\text{l}\text{a}\text{s}\text{s}(j)}{{\displaystyle \Sigma }}\parallel X(k)-C{}_j\parallel {}^2$

3.1.3 输出层权值的计算

隐含层的输出

Rj=e-‖X-Cj‖2/(2δ2j)

网络输出为

Y=ΣωjRj

其中j=1,2,…,Nr,平均误差函数E的表达式为

$E=\frac{1}{2{\rm N}}\underset{k=1}{\overset{{\rm N}}{{\displaystyle \Sigma }}}[Y(X{}_k)-{\rm T}(X{}_k)]{}^2$

式中:T为现场采集数据;Y为网络期望输出值;N为样本总数。

权值Q的每步调整量为

$\text{Δ}Q{}_i=-\frac{a}{{\rm N}}\underset{k=1}{\overset{{\rm N}}{{\displaystyle \Sigma }}}[Y(X{}_k)-{\rm T}(X{}_k)]\times R{}_i(X{}_k)$

Qi=Qi+ΔQii=1,2,…,m(输出个数)

3.1.4 全监督法对网络中心和方差的修正

中心ΔCi和方差ΔDi的每步调整量为

$\begin{array}{l}\text{Δ}C{}_i=-\frac{a}{{\rm N}}\underset{k=1}{\overset{{\rm N}}{{\displaystyle \Sigma }}}[Y(X{}_k)-{\rm T}(X{}_k)]\omega {}_{i}R{}_k\frac{X(k)-C{}_i}{\delta {}_i^2}\\ \text{Δ}D{}_i=-\frac{a}{{\rm N}}\underset{k=1}{\overset{{\rm N}}{{\displaystyle \Sigma }}}[Y(X{}_k)-{\rm T}(X{}_k)]\omega {}_{i}R{}_k\frac{\parallel X(k)-C{}_i\parallel {}^2}{\delta {}_i^2}\\ C\leftarrow C+\text{Δ}C‚D\leftarrow D+\text{Δ}D‚i=1‚2‚\cdots ‚{\rm N}{}_{\text{r}}\end{array}$

RBF全监督算法流程图如图1所示。

REF,BP的网络拟合曲线如图2、图3所示。比较图2、图3可知,RBF网络比BP网络能较好地反映工作2次电压与出口粉尘浓度之间的关系。

3.2 电除尘器电场供电能量的预测

电除尘器的2次电压与2次电流,2次电压与1次电压,2次电流与1次电流的关系会随着工况的变化而趋于复杂化。目前国内外研究成果还没有推导出适用于控制系统的高压供电系统的动力学模型。本文引用最小二乘法确定2次电压与整个电除尘器1次侧功率的函数关系,达到对电场供电能量的预测并实现优化算法的目的。具体实施步骤如下。

1)对于给定的数据样本堆(xi,yi),先确定拟合多项式${\rm P}{}_n=\underset{k=0}{\overset{n}{{\displaystyle \Sigma }}}a{}_{k}x{}_k\in \phi ‚\phi$为次数不超过n,其中i=0,1,…,m,n=3,m=24。使下式最小即:

${\rm I}=\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}[{\rm P}(x{}_i)-y{}_i]{}^2=\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}(\underset{k=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}a{}_{k}x{}_i^k-y{}_i){}^2=\min (3)$

问题转化为求I=I(a0,a1,…,an)的极值问题。由多元函数求极值的必要条件得出

$\frac{\partial {\rm I}}{\partial a{}_j}=2\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}(\underset{k=0}{\overset{n}{{\displaystyle \Sigma }}}a{}_{k}x{}_i^k-y{}_i)x{}_i^j=0$

即$\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}(\underset{i=0}{\overset{n}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{j+k})a{}_k=\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{j}y{}_{i}j=0‚1,\cdots ,n$

2)由数据样本计算出$\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^j‚\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{j}y{}_i$的值代入下面的矩阵计算出系数矩阵ak:

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i& \cdots & \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^2& \cdots & \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{n+1}\\ ⋮& ⋮& \cdots & ⋮\\ \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^n& \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{n+1}& \cdots & \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a{}_0\\ a{}_1\\ ⋮\\ a{}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}y{}_i\\ \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_{i}y{}_i\\ ⋮\\ \underset{i=0}{\overset{m}{{\displaystyle \Sigma }}}x{}_i^{n}y{}_i\end{array}\right](4)$

3)分别拟合出2次电压、电流,1次电压、电流之间的多项式关系,确定它们的函数关系。从而将电除尘器的1次侧功率转化为2次电压的函数。图4为某电场2次电压与1次电压的拟合曲线。

3.3 基于遗传算法的供电电压节能优化

为使电除尘器1次侧功率值达到最小,得到最优的2次电压设定值,实现节能减排的目的。采用遗传算法,与传统的优化方法(梯度法、枚举等)相比较,具有很好的收敛性;在计算精度要求时,计算时间少,鲁棒性高,而且是全局寻优。下面讲述利用遗传算法实现节能优化的整个过程。

3.3.1 初始化参数设定

确定种群数量Size为80,染色体单体编码长度CodeL为14,进化迭代次数G为200。确定个体的最大最小值限制,最小值为30 kV,最大值为70 kV。将电场的2次电压值看作一个染色体,利用随机函数产生初始群体E。

遗传算法使用二进制符号串表示群体中的个体,其等位基因由符号集{0,1}组成。编码与解码公式为

式中:x为实际值;[μminμmax]为实际值的取值范围;λ为二进制符号串的长度;δ为二进制编码精度;bi为第i个基因值(0,1)。

3.3.2 目标函数的确定

遗传算法的目标函数包含2部分内容,第1部分为电除尘器的1次侧功率P为

${\rm P}=\underset{i=1}{\overset{n}{{\displaystyle \Sigma }}}U{}_{1i}(U{}_{2i})\times {\rm I}{}_{1i}[{\rm I}{}_{2i}(U{}_{2i})](5)$

第2部分为约束条件见下式:

CO≤M 30≤U2i≤70 (6)

式中:n为电场数;P为电除尘器1次侧电晕功率;U1i,U2i为第i个电场的1次,2次电压;I1i,I2i为第i个电场的1次,2次电流;CO为电除尘器出口粉尘浓度;M为根据环保要求而定的排放浓度限定值。

3.3.3 个体适应度评价

目标函数f(x)转化为适应度函数F(x),其中Cmax为一个适当较大的数。

$F(x)=\{\begin{array}{cc}C{}_{\max }-f(x)& f(x)\le C{}_{\max }\\ 0& f(x)＞C{}_{\max }\end{array}$

3.3.4 比例选择运算

设群体大小为M,适应度为Fi,则个体被选中的概率${\rm P}{}_{is}=F{}_i/\underset{i=1}{\overset{{\rm M}}{{\displaystyle \Sigma }}}F{}_i$,由此可见适应度越高的个体越容易被选中。

3.3.5 交叉复制运算

对群体的个体进行两两随机配对,此处群体总数为M=80,则共有40对配对个体组。对每一对相互配对的个体,依据设定的交叉概率Pc(交叉概率Pc一般取为0.4～0.9,这取0.65),在其交叉点处交换2个个体的部分染色体,从而产生出2个新的个体。

3.3.6 变异进化运算

遗传算法中的基本位变异,即二进制数基因座上的数值由0变为1;反之则由1变为0。这里以变异概率随机对个体的染色体基因值进行变异,以获得新的个体。变异概率p取0.001。

3.3.7 遗传算法运算过程

遗传算法实现流程如图5所示。

如果火花放电过于频繁,除尘器会因运行电压的迅速下降失去除尘作用。如何快速找到工况变化时新的电压值显得尤为重要,可按如下的步骤来设计优化方法:1)在一定范围内给定3电场2次电压值的随机数,文中根据实际情况,取30～70 kV之间的随机数;2)文中用最小二乘法得到1次电压电流值;3)由1次侧电压和电流值得到1次侧总功率。4)3个电场的2次电压输入RBF网络中,得到此时刻的出口粉尘浓度;5)运用遗传算法得到一定工况下的最优2次电压,从而可以控制晶闸管的导通角,达到自动优化的目的。

4 结论

本文依据电除尘器的控制原理,即由除尘器的出口粉尘浓度判定除尘效率,以除尘器的1次侧输入功率判定除尘器能耗;用全监督RBF神经网络建立电除尘器出口浓度-供电电压模型,采用遗传算法GA寻找最佳工作2次电压的设定值,控制系统将实际电压信号与优化得到的最佳工作电压信号比较后,随之采用电除尘控制器的控制算法改变主回路调节晶闸管的导通角,通过高压硅整流变压器调节电场2次电压,使其输出出口粉尘浓度不超过环保要求的限定值以及降低电除尘器的电能消耗。实验表明优化后的功耗比未优化实际现场功耗要小得多,优化出的最优工作电压具有一定的现实意义,能对现场实际操作起到一定的参考作用,达到经济运行、节能减排的目的。

参考文献

[1]White H J.Industrial Elcetro Static Precipitation[M].Ad-dison-Wesley,Reading,Mass,1963.

[2]Gene Cooperman.A New Current Volgate Relation for DuctPrecipitators Valid for Low and High Current Densities[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1981,IA-17(2):236-239.

[3]赵志斌,王曦,张国权,等.静电收集效率公式的研究[J].电力环境保护,1992(4):63-65.

[4]丁然,赵珊.电除尘器的节能控制策略[J].辽宁科技大学学报,2008,31(1):46.

[5]鲍鸿.T-S型模糊RBF神经网络的结构研究[J].华中理工大学学报,1999,27(1):10-13.

《高压直流输电系统》开题报告 篇2

一、毕业设计(论文)课题来源、类型 本毕业设计的课题来源为导师给定，课题类型为研究类。

二、选题的目的及意义 本毕业设计的主要任务是高压直流输电系统谐波电流的分析与研究。我国能源和负荷的地理分布极不均衡，决定了我国要解决21世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时，建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送”和“北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用。目前，我国已经建成了多条直流输电线路，包括早期建成的舟山试验工程和葛卜直流输电工程，以及近年新建的天广、三常、三广和贵广直流输电工程等。我国正在建设和规划建设中的还有灵宝背靠背、三峡一上海、云南水电送广东、四川水电送华中、华东以及西南水电送江西、福建，广东一海南联网等直流输电工程。我国的直流输电技术必将在此过程中有长足的发展。直流输电因其输电容量大，控制响应速度快，自身没有同步运行的稳定性问题，远距离、大容量送电优势明显，已成为我国重要的远距离、大容量送电和区域联网方式。高压直流输电中的谐波问题也日益突出，谐波的存在使

得系统电能质量下降。其不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而且还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1993年对电网中的谐波制定了相应的国家标准。谐波对电力系统和其他用电设备可能带来非常严重的影响和危害。如果交、直流系统的谐波分量过大，会使系统电压波形发生畸变，降低电能的质量。谐波电压和谐波电流对电力系统的影响一般有以下几点：

1．会在电网中引起局部的并联或串联谐振，加大了谐波分量；

2．由谐振导致的局部过电压，加速电力设备绝缘老化，缩短使用寿命，增加建设投资；

3．增加电网中发电机和电容器的附加损耗；

4．影响换流器控制的稳定性；

5．干扰邻近的通信设备，使电话线路产生杂音，降低通信质量。

6.干扰仪表和电能计量，造成较大误差;

7.对继电保护或自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动

8．谐波的存在对电网的经济运行也有一定程度的影响。即使是在谐波分量没有超标的情况下，谐波也会造成大量有功功率和无功功率的损耗。虽然它的相对值并不大，但是绝对数量也是非常可观的。高压直流输电的换流器是一个高度非线性的谐波源，高

压直流输电系统运行时会在交、直流系统中产生丰富的谐波，包括特征谐波及非特征谐波，因而进行谐波治理之前需要了解高压直流输电系统中谐波的次数及含量。这也正是本课题的研究意义所在。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势 由于电力系统日益复杂化以及电能质量要求日益提高，高压直流输电系统谐波检测研究也在向纵深发展，主要发展趋势有：

(1)谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐披(波动谐波、快速变化谐波)检测。目前，对稳态谐波检测的研究已经比较深入，其中的FFT检测方法及其实现技术已经比较成熟。

(2)谐波检测方法研究将以改善FFT为主转向探索新的有效方法。由于DFT、FFT受使用条件的限制，对小波变换、瞬时无功功率理论、d-q旋转坐标变换、NN遗传算法等开展深入研究是一种必然选择，这些新的谐波检测方法被广泛应用是一种发展趋势。

(3)谐波检测实现技术研究将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术”。

(4)谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变

功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。

四、本课题主要研究内容 本课题主要研究内容为：

了解国内外高压直流输电系统及其谐波问题的研究状况及研究方法。

学习快速傅里叶变换理论，深入研究分析FFT理论用于分析高压直流输电系统谐波的可行性和可能遇到的问题。

利用Matlab编写基于FFT谐波检测算法，验证该算法程序的正确性和有效性。

利用Matlab搭建 Simulink 仿真模型产生比较符合实际的高压直流输电系统电流波形并进行抽样采集。

士兵系统寻求高效能电源 篇3

正像美国“陆地勇士系统（LW）”和英国“未来士兵技术(FIST)”所描绘的那样，未来步兵的个人作战能力将得到大幅度提高，但是我们也会发现，士兵在获得各种“神通”的同时，也要为此付出代价——他们不得不携带繁重的能源装备为各种传感器、通信系统、导航定位系统、显示系统等功能模块提供能量来源。虽然各国军方投入了大量人力物力开发新型能源产品，但当前军用能源技术仍大部分依赖成熟的民用技术。

一次性锂电池

早先的锂电池被刺穿时易发生爆炸，锂燃烧时产生浓烟，容易造成环境污染和人员伤害。但锂电池成本较低、易于生产，长期储存后仍能够保持良好的性能。研究人员在锂电池基础上开发出一些混合类电池，比如锂锰(Li-MnO2)电池。不同于传统的锂电，锂锰电池由固态的锂金属阳极、二氧化锰阴极以及电解液组成。阳极和阴极之间有一个可熔性安全隔离区，当电池过热时，阳极和阴极之间会自动切断，以防止出现电解液外漏的现象。

美国的Ultralife公司是第一家参与到军用锂电池行业中的私人企业，该公司的锂锰系列电池现在的应用范围也已经从最初的电台、夜视镜扩展到遥感勘测系统、化学试剂的监控设备上。采用锂锰技术的BA-5390/U电池，其容电量超过了同等价格的锂硫（Li-SO2）电池，而供电量和供电时间则超过BA-550/U锂硫电池50%～60%。为了满足电池的实际工作温度，BA-5390/U电池设计了密封的塑料外壳，可以保证电池在-30℃～72℃范围内正常工作。虽然BA-5390/U电池质量偏大，但因其所具有的优点，美军SINC-GARS背负式PRC-119电台仍广泛采用。

充电锂电池

与一次性电池相比，充电电池显然可以为军方节约大量的经费，这一点在训练使用时尤为突出。可充电的镍-氢电池、镍-镉电池以其低成本的优势被广泛应用在军事领域。近期，锂离子电池技术在降低电池重量和提高电池能源密度等方面取得了巨大进步，体现了很好的发展势头。

英国ABSL公司现走在军民两用锂离子电池发展的最前沿。该公司提供的可充电电池组件在英国陆军“弓箭手”（Bowman）通信系统中起到了至关重要的作用。“弓箭手”系统的电池组件包括高频（HF）电台BB2590电池及超高频（VHF）电台电池。这些可充电的电池为“弓箭手”系统的电台提供了可靠的能源保障。

ABSL公司通过通用动力公司，将“弓箭手”系统的电池技术提供给荷兰，双方在2005年签订了一份价值140万英镑、为期两年的合约，为荷兰海军的新舰载综合通信情报系统提供电池、电池充电器以及相关辅助设备。

ABSL公司还负责英国“未来士兵技术”的能源管理项目。该公司设计了一套由两个可交替使用的锂离子电池组，可整体装入SA80步枪的枪弹袋中，具有热插拔能力，作为“FIST V2”系统的一部分已经通过了试验检测。

法国Saft公司也是一家实力不俗的电池厂商，他们以MP系列锂离子电池为基础,设计出的新型锂电池外形为扁平柱状，从而使各电池单元紧凑地结合在一起，一组棱柱形电池的能量储存可超出一组同体积圆筒形电池的20%。其由石墨做阴极，钴氧化物做阳极的设计方式可以保证充满电的电池在存储一个月后仍保留95%的电量。2006年1月，Saft公司赢得为法国FELIN士兵系统研制可充电锂电池的合同，要求在极端的温度和湿度条件下确保安全和可靠操作，要绝对坚固耐用，还必须能够经受住核生化（NBC）的检验，具有电磁兼容性，并使用Sagem公司的充电器充电。 FELIN计划的32000套综合士兵系统涉及Sagem公司提供的包括传输语音和数据的电子电台、GPS定位导航系统等产品，在需要强大能源支撑的情况下，要求电池有足够的能量支持。

经过技术攻关，2006年11月中旬, Saft公司推出了MP176065电池。该电池将电极装载和电解液合成物进行了最佳化组合，且采用铝壳代替不锈钢的外壳，其容电量增加到7.0Ah,使用次数增加了20%，可重复充电使用600次（增长了100次），质量则减轻了10g。该电池同MP174865电池和MP144350电池一起，被认为是最匹配于FELIN士兵系统的电池，2007年已投入生产。

锌-空气电池技术

另外一家活跃在电池行业中的企业是美国的Arotech公司。该公司成为美军高能锌-空气电池的惟一供应商。2006年6月，Arotech公司得到美国通信电子部(CECOM)70万美元的资金支持，用于为FFW系统研制下一代(第四代)锌-空气电池。据Arotech公司主席和首席执行官罗伯特·埃利希介绍，锌-空气电池的带状设计可以有效提高电池的使用寿命，公司认为此类电池具有很高的能量密度，很好的环境适应性、操作安全性，而且在质量上要比锂电池轻很多，可减轻士兵的负荷，满足战术使用的需求。

燃料电池

随着对军用电池的需求日益攀高，为满足军方对军用电源，特别是未来士兵系统电源的需求，以燃料电池为代表的新能源技术正试图填补这个缺口。军用燃料电池的研究和发展已有50多年，美国陆军能源部陆地勇士系统燃料电池技术组就非常钟情于燃料电池，已经制定了便携式电池和车载式电池的订购计划，而英国最新的FIST系统和英国陆军FRES(快速反应系统)也将采用燃料电池作为能源。

燃料电池具有较高的燃料利用率，不会产生较强的热源信号，因此选择一种质量轻、技术成熟、利用率高的液体燃料作为能源燃料是非常必要的。如氢电池，原理是将氢的化学能转换成电能，氢和来自空气中的氧通过化学反应之后产生水，同时也产生电能。因为反应过程的惟一副产物是水，不会产生有毒物质，因此对环境没有任何污染，是一种既安全又环保的能源。

Voller能源公司致力于研制便携式燃料电池和移动发电机，该公司引进了燃料电池技术，开发了相关系统软件，用来对能源输入和电源输出数据进行监控，力求研制出高效能的燃料电池系统。其为军方设计的VE10M燃料电池功率为10W，已经处于演示验证阶段。

美国陆军已将甲醇作为一种具有潜力的能源进行研究，MTI公司有可能被指定为美军甲醇燃料电池的直接供应商。该公司称，甲醇电池有望在满足72小时供电任务的情况下，质量控制在普通电池的一半，1块甲醇电池就能完成9块BA5590电池才能完成的作战任务。

德国的SFC（Smart Fuel Cell）公司已经设计出一种高能量密度并能直接供电的甲醇燃料电池。其充电燃料筒可以很方便地进行更换，质量只有0.47kg，长宽为18cm×8cm，体积非常小。该燃料电池在14.4V额定电压下，最大功率为40W，质量仅为1kg，在完成72小时供电任务的同时，可将士兵在电源上的负重减少到原来的80%，该燃料电池系统现正处在测试阶段。

该甲醇燃料电池系统的升级产品也正在研制过程中，系统可通过甲醇燃料提供25W的功率输出，而且能与任何标准的军用锂电池配套使用。如将高能量密度和连续供电的优点集于一身的“詹妮”甲醇燃料电池质量仅为原来同等能量电池的80%，配有一个350ml容量的燃料筒，可以提供350KWh的电量，质量只有0.36kg，可以代替2块质量达2kg的传统电池。“詹妮”甲醇燃料电池可以配装于独立的士兵系统，也可以配装在无人值守设备上。目前已经有包括德国、英国、挪威和荷兰在内的8个国家对 “詹妮”甲醇燃料电池提出了订货。

挑战新技术，

满足不断增长的军事需求

近10多年来，军用电池技术的发展一直不能满足迅速增长的军事需求，在未来士兵系统电源技术发展方面的表现尤为明显。许多电池系统都在改进原有的工艺设计来降低成本，且改进电池的性能，从而提高市场竞争力。

位于美国亚拉巴马州的奥本大学论证了用斯特灵(Stirling)交流发电机解决电池的再充电技术问题。自由活塞式斯特灵交流发电机已经有超过40年的历史，可以利用柴油发动机将热能转换成电能。奥本大学介绍说，因为外部的热能来源多种多样，其因此比较符合军用能源的条件。

ABSL公司研制出一种新型智能电池系统“Smart”。该电池配有一个独立的小型充电指示器，并设计有小型电池寿命指示器，可以显示电池容电量的衰减量，植入的ILS软件可以优化电池与士兵系统的连接，从而提高电池的功效。尽管要增加一些成本，但是这些设计可以降低电池使用和储存过程中的耗费，减少能源浪费，并且有助于士兵操作使用。

许多公司也在努力尝试着其他的能源方案，比如微型发电机电池，即只有硬币大小的钮扣电池，由一个微型发电机产生电能，具有比传统电池更持久的使用寿命，而且质量特别小。

随着研制工作的开展，许多技术瓶颈相继出现，要把众多技术巧妙融合到一个系统之内，并满足军事应用的高性能要求，还有一段较长的路要走。

SFC公司的“詹妮”电池

“FIST”系统对能源不断增长的需求是未来士兵系统对能源需求的典型体现

Ultralife公司BA-5390/U电池系统

ABSL公司为“弓箭手”系统设计的电源系统

Saft公司Batterles系列BB2590电池

科华240V高压直流电源系统 篇4

以下简述系统各部分的组成、功能、基本配置、扩容等。为了满足不同客户需求,减少非标产品的制作难度,整个系统的设计采用模块化方式,即整流模块、配电监控模块、系统监控模块、电池管理模块四大功能模块,能够灵活组合各种不同配置、不同容量的系统。高压直流电源系统应用框图如图1所示。

机柜采用标准的800×800×2000机柜,系统包括监控模块(触摸屏)、配电监控模块、整流模块(5+1模式)、绝缘监察模块、模拟量监测模块(选件)、开关量监测模块(选件)、电池巡检模块以及电池组,各个模块的主要功能如下:

(1)监控模块:主要功能为完成系统运行参数显示、系统参数设置、历史记录存储、与上位机监控平台信息交互;RS485信息交互接口。

(2)配电监控模块:主要功能为交流配电、直流配电监控,配电模块开关量监测,配电模块绝缘监察,与整流模块信息交互实现整流模块的数字化均流,系统智能调度;CAN、RS485信息交互接口,CAN接口实现与整流模块的信息交互,RS485实现与显示模块、配件或选件模块的信息交互。

(3)整流模块:整流模块是系统的核心部分,它将交流变换成直流(AC/DC),给负载供电,同时对电池充电,实现模块数字化三电平三相APFC输入功率因数校正,数字化三电平DC/DC变换,可由配电模块DSP进行智能调度,额定输出240VDC/40A,最大功率12kW;C AN以及RS485信息交互接口。

(4)绝缘监察模块:实现直流配电柜各支路绝缘监察,RS485信息交互接口。

(5)模拟量监测模块:实现直流配电柜各支路模拟量(支路电流)监测,RS485信息交互接口。

(6)开关量监测模块:实现各支路开关量监测以及远程辅助控制,RS485信息交互接口。

(7)电池巡检模块:实现对电池端电压检测、电池内阻检测(预留)、电池电压均衡性监测、电池温度监测等,对于电池内阻监测功能本次设计先不考虑,后续进行完善。

(8)电池组:电池组是保证不间断供电的关键,在交流停电时,由蓄电池给负载供电。

[产品特点]

本产品为新一代的数字化模块化产品,将具有以下特点:

(1)系统监控功能完善,高智能化。

(2)智能化系统具有高效节能模式(由配电监控模块智能调度)、电池温度补偿等功能。

(3)整流模块数字化均流,不均流度将优于3%。

(4)模块化设计,系统N+1冗余模式,易于扩容,具有高可靠、高效节能等优点。

(5)由于模块采用了全数字化设计,大大提高了系统的智能化控制程度,可方便实现模块智能调度、输出电压智能调节、输出电流智能调节、模块功率限制等。

(6)模块的热插拔设计,方便维护。

(7)显示触摸屏设计,人机交互界面友好。

(8)整流模块与配电模块采用CAN总线设计,其余模块采用RS485总线扩展设计方案,系统可根据实际需求灵活配置。

[应用范围]

本产品为一种新型的不间断电源产品,主要为通信用的IDC机房等应用场所而设计。240V高压直流系统输出的是240V的直流电,用直流电为交流负载供电必须确保所接负载是开关整流型负载(如普通PC机、网络交换机、光纤收发器、服务器、磁盘阵列等IT设备),非开关整流型的交流负载(如照明、空调、消防以及所有感性负载等)不能用此系统供电,否则会损坏负载。此外,还有以下几点要注意:

(1)服务器若是含有频率检测功能,则直流系统不能使用,需要经过上电后测试确认。

(2)小型机由于是早些年购买的,上电前要检测输入电阻,若为几十至几百欧姆则不可使用直流系统。

通信电源系统节能问题研究 篇5

【摘 要】当前，节能降耗己不仅仅是哪一个企业、哪一个国家的问题，而是全世界的、全球性的、关系到人类生存质量的问题，“节能降耗”己经上升到我国国家发展的战略高度，成为整个“十二五”规划中的重要内容。本文就通信电源系统节能降耗的一些经验和体会进行总结，以期进行共同探讨和研究。

【关键词】通信电源；节能降耗；移动通信

1.开关电源和UPS节能技术

高频开关电源技术经过多年的经验积累，高能源效率的产品不断创新，新一代通信用高效整流模块具有高效率、高可靠性及绿色节能等显著特性。高效开关电源系统的功率因数校正采用无整流桥技术，交流输入电流谐波失真小于5%；DC/DC转换电路采用先进的拓扑电路，宽负载范围内实现软开关技术，转换效率高；直流输出整流采用同步整流技术，降低损耗的同时提高了效率；负载率在20%-80%时模块效率高达%%。

IGBT整流型UPS融入了“节能环保”的绿色设计理念，其主要特点有：实现整流技术与滤波技术的无缝结合，系统效率达到95%；可采用节能模式运行，应用于并机系统，效率提升到99%；在UPS并联系统或双总线系统中，当UPS负载率较低时，UPS系统可以采用休眠技术提高负载率，使UPS运行在高效率区间。UPS技术无需额外滤波装置便能使输入电流谐波失真在5%以下，完全消除UPS对电网的回馈谐波污染，在提高电网效率的同时，减少电缆发热，降低系统的运行成本。

开关电源整流模块休眠技术是指根据负载电流大小，与系统的实配模块数量和容量相比较，通过智能软开关技术，自动调整工作整流模块的数量，使部分模块处于休眠状态，把整流模块调整到最佳负载率下工作，从而降低系统的带载损耗和空载损耗，实现节能目的。现网运行的大部分开关电源设备可通过软件升级、更换控制芯片或更换监控模块的方式完成节能改造。

2.电源系统谐波治理技术

谐波治理技术降低了电源系统的电流与电压畸变，提升了系统功率因素，降低了系统功率损耗达2.4%；提升了变压器、电缆及主要开关的可用容量，杜绝了柴油发电机组可能出现的震荡现象，降低了电源系统设备投资，消除了电源系统的隐患。

分析谐波对配电系统内各设备的影响，建议对谐波危害严重的局房进行谐波治理。通过定量计算分析，对局房系统内部分较大谐波源进行谐波治理后，变压器出线处及油机出线处电压总谐波畸变率小于3%，电流总谐波畸变率小于5%。由于滤波器本身为耗能设备，考虑节省投资及电能损耗，当系统谐波含量达到上述目标后，剩下的部分谐波源则无需进行治理。建议采用并联有源滤波器的方法分散治理各个较大谐波源（如UPS谐波源、开关电源谐波源），从而有效减小谐波对通信电源系统的污染。对于部分局房也可采用并联无源滤波器或集中治理的方法。

开关电源休眠技术。

3.端子蓄电池节能技术

前置端子蓄电池的基本原理和结构与2V蓄电池相似，不同之处是前置端子蓄电池把6个相同容量的2V蓄电池单体串接后安放在具有6个电池槽的电池外壳内。由12V/200A·h组成的48V系统，不管是生产用料，还是包装、安装用料等方面都比由2V/200A·h组成的48 V系统大大降低，同时电池的回收成本也会相应降低。

蓄电池分区温控系统是将蓄电池安装在独立的空间内，并进行单独的温度控制，可提高机房主设备和电源设备的工作温度，从而降低站点能耗。系统建成后可为蓄电池提供15℃-25℃的工作环境，基站设备的工作温度从25℃提高至40℃。目前，蓄电池局部温度调节的措施主要有地埋保温箱、压缩机恒温箱和半导体恒温箱。

防止负极不可逆硫酸盐化最简单的方法是及时充电和不要过放电。蓄电池一旦发生了不可逆硫酸盐化，如能及时处理尚能挽救。一般的处理方法是将电解液的浓度调低，用比正常充电电流小一半或更低的电流进行充电，然后放电再充电，如此反复数次达到应有的容量以后，重新调整电解液浓度及液面高度。

脉冲修复也可恢复电磁容量，主要有在线式修复和离线式修复两种方式。在线式修复所需要的能源很少，修复周期较长（产生修复效果一般要一两个月以上），但是由于除硫器常年并联在电池极柱两端，可以渐进地达到除硫的效果。对于没有硫化的电池，除硫器可以抑制电池的硫化。离线式修复可以产生快速的脉冲，脉冲电流相对比较大，产生脉冲的频率比较高，脉冲占空比比较大。这种修复仪主要是用来修复硫化比较严重的蓄电池。

4.高压直流供电技术

经过多次交直流转化，UPS的电源转换效率很低。如果考虑到UPS可靠性较低，需要采用冗余并机系统备份，系统本身的复杂性致使能源效率不断降低。UPS供电系统工作在低负载状态（低于40%）下时，其转换效率在UPS单系统效率的80%以下。如果改为高压直流系统供电，开关电源系统侧减少一次DC/AC变换，IT设备侧减少一次AC/DC变换，可以大大提高系统的可靠性。

单系统高压直流供电的电源转换效率可提高到76%，而且由于高压直流供电系统的可靠性大大提高，不需要采用冗余并机系统，因此，比起冗余并机的UPS系统，高压直流供电系统的实际转换效率要提高18%以上。

5.风扇智能调速技术

智能调速主要是系统监控模块利用温度传感，收集工作中的环境、板卡和主要电路的实时温度，并根据既定的策略，调整风扇模块的供电电压，使之运行在合理的转速。

统计表明，现网设备80%以上的时间工作在风扇低速运行的状态，通过风扇智能调速能够节省50%-70%散热功耗。现网不支持风扇智能调速的设备可通过升级软件并同时更换新风扇盒来实现此功能。

6.冷热电三联供技术

燃气冷热电三联供系统是指以天然气为主要燃料带动燃气发电设备（燃气轮机、燃气内燃机等）运行，产生的电力满足用户的电力需求，同时系统排出的废热通过余热回收利用设备（余热锅炉、吸收式制冷机组等）向用户供热、供冷。

通常大型发电厂的发电效率为35%-55%，如果扣除厂用电和线损率，终端的利用效率最高能达到47%。作为一种分布式能源形式，燃气冷热电三联供系统可以避免上述损失，其终端用户的能源利用效率最高可达到90%。发展该系统以及其他分布式能源系统可以大幅度提高社会能源利用效率，大量节省了一次能源（市电）。通过发电机配套余热嗅化锉吸收式制冷机产生7℃的冷水供机房专用空调，减少机房空调电耗，这也是三联供给系统与其他发电机组最大的不同。

移动机房楼全年具有比较稳定的发热量和耗电量，且用电负荷相对稳定，适宜采用冷热电三联供系统。

7.基站太阳能利用技术

太阳能光伏发电是通过太阳能电池吸收光能后变成电能输出。一个完整的光伏发电系统由太阳能电池方阵（也称光伏方阵）、充放电控制器、蓄电池组、支架、功能电路单元等组成，其中不同电压等级、电流大小、功率输出的太阳能电池方阵由若干块光伏组件经串并联后组成。

信息系统的电源系统改造 篇6

1 信息系统原电源系统的薄弱点分析

信息系统的电源系统如果因设计不完善, 则因短时停电会造成信息系统停运或硬件的损害。电源系统主要存在的薄弱点有:①系统内存在单点故障;②容量冗余不足;③负载不均衡或挂接不合理;④缺乏定期的维护和保养及相应的管理制度。

我局原来采用三台容量均为40 kVA的UPS主机, 以并联方式为信息机房内设备供电。有两路市电接入UPS系统, 市电1直接连接在三组UPS上, 市电2连接在UPS输出总配电屏上。机房内所有的电源插座均采用地插的方式, 各种设备的电源线散落在过道上, 容易被进出人员绊掉, 存在事故隐患。同时, 由于地插未标明由哪路UPS供电, 导致3台UPS主机的负载不均衡。具体薄弱点如下。

1) UPS的输入存在单点故障时, 因只有市电1连接在3组UPS上, 且UPS的旁路配电柜和输入配电柜都接在上面, 如果市电1故障或接入的总开关断开, 则所有信息设备的供电无法保证。

2) UPS输出和楼层配电都存在单点故障时, 如果输出开关或配电屏故障, 则无法可靠供电。

3) A、B、C三相负载难以均衡调配。

4) 在UPS输出总配电屏处接入市电2, 实际上起不到电源备用的作用。因为一旦市电1故障后不能自动切换, 须人工切换到市电2, 切换时间较长, 信息系统实际仍然会停役。

5) 没有相应的远程报警信号, 不能及时发现故障隐患, 容易发生UPS放电完毕后系统全部停役。

原电源系统已发生过几起故障, 其中比较严重的一次是:UPS2短路后, 短路冲击电流很大, 甚至超过总开关的额定电流;另两台UPS由于并联回路的原因形成环流造成保护性停机, 所有的信息系统因此全部停止运行, 造成很大影响。

随着信息系统的不断扩大, 实际的设备负载已经超过80 kVA, 原先设计120 kVA的容量已经难以满足冗余的要求, 任一台UPS停运检修前, 都必须减小信息负载。还有, 原蓄电池在满负荷下可放电2 h的能力, 已不能满足现有信息系统应急保障的需要。为此, 必须对原电源系统进行改造, 以满足信息系统安全可靠运行的要求。

2 改造原电源系统的原则

对原有电源系统的改造必须遵循以下几项原则。

1) 利用原有资源。三台UPS及电源系统虽建于2002年的信息系统发展初期, 但仍处于健康状态、未满使用期, 仍可有效使用。电源系统的改造要考虑充分利用原有设备资源。

2) 信息系统的所有关键点都要考虑双电源的冗余设计, 以保证单点故障时的正常运行。电源系统容量既要满足目前信息系统运行的要求, 也要考虑未来5年的信息系统发展需要。新增的UPS系统与原有UPS系统要匹配, 改造后容量或蓄电池的扩容争取一步到位。

3) 原UPS系统与新增UPS系统之间采用静态转换开关STS以保障信息系统的高可靠性。STS静态转换开关采用快速转换晶闸管技术, 应用于双电源服务器及关键负载后可有99.999 9%的高可靠性。两个电源可同步为STS馈电, 显著减少电源转换时间。

4) 要考虑电源系统设备检修的便利, 在关键节点处要有便于断开的连接点。考虑到任何设备都有需要检修或发生故障的可能, 这些计划检修或故障检修必须不影响信息系统的运行, 不需要信息系统停役。

5) 由于信息电源系统的改造涉及所有的信息业务系统的停役, 必须进行周密的考虑并尽量科学地安排好工作计划, 尽可能减少停电时间。

3 对原电源系统的改造方案及其实施

改造后电源系统的设计示意图见图1。

1) 新增1套容量为120 kVA的UPS电源系统, 与原有3套UPS的总容量相当, 新、老两套UPS系统以双母线方式相连。所有的双电源设备都与新、老UPS的输出端连接。重要单电源设备通过静态转换开关STS连在两路UPS输出配电屏上, 经信息设备厂商确认, STS双电源切换只要在10 ms以内, 对信息系统没有影响。次要单电源设备就连接在一路UPS输出端。两路UPS的输入配电柜和旁路配电柜分别接在不同的市电输入上, 当一路市电失电时可以及时切换到另一路市电上。所有的输入输出环节全部避免单点故障, 每路系统有分路开关, 便于单独检修和维护。

2) 在输入电源的总配电屏和主要分配电屏A、B、C三相上配置输出电流表, 以便实时监测各相电流的数值, 一旦发现三相不平衡就可以及时调配各相负荷。对所有UPS实行远程实时监控, 将报警信号接至中央控室进行24 h监控, 一旦发现异常就可以及时处理。

3) 对新增的UPS配备一组2 V的蓄电池, 容量满足120 kVA的UPS满负荷下可放电4 h。对原三组UPS增加4组6 V蓄电池, 每组容量满足40 kVA的UPS满负荷下可放电2 h。加上原有蓄电池的容量后, 可以满足满负荷下放电达到近8 h, 完全能满足信息系统的安全运行要求。

4) 电源线路和网络线路的铺设要实现分离, 防止干扰、便于检修。所设分路开关的个数要考虑系统扩展的需要而留有备用, 避免今后机房再次施工时干扰系统的运行。所有的机柜、开关、电源条、线路都要设置标签, 为实际运行做好准备。

5) 考虑到电源系统的改造施工需要原信息系统停役, 影响到生产业务和营销工作, 所以确定利用国庆节营销系统停止对外业务的时间, 两天进行施工, 一天备用。为保障优质话务服务的畅通, 还为95598系统提供了临时电源。由于准备工作十分充分, 整个电源系统的改造和信息系统的恢复非常顺利。

4 改造方案中静态转换开关STS技术应用

在本次改造设计中, 应用了静态转换开关STS (下称STS) , 实现单电源负载的不间断的无损切换。STS是一种固态、三极、双位的转换开关, 当一路输入电源发生故障或需要检修、测试时, STS可实现不间断 (<5 ms) 地切换到另一路电源。

STS可以通过控制面板设定其中任意一路输入电源为主电源, 则另一路输入电源为备用电源。只有在主电源故障或手动复位的情况下, STS才会自动在5 ms内从主电源切换到备用电源。如此短的时间不会导致信息系统设备停役。

静态转换开关STS具有以下特点。

1) 安全防护。

STS的切换都是快速的先断后合, 主电源及备用电源之间不会产生冲击电流, 所有的切换都在5 ms时间内完成。主电源发生故障时, 负载自动切换到备用电源;主电源恢复正常后, 负载又自动切换到主电源。STS感应的负载电流超过预先设定的过流值时, STS转入过电流抑制模式, 抑制切换。在负载电流恢复到正常值时, 过电流抑制模式自动复位, STS恢复到正常的工作模式, 又可实施切换。

2) 自动切换和手动切换相结合。

STS内还装有手动旁路开关, 进行手动切换时可保证输出不间断。

3) 故障报警。

为了确保正常运行, STS持续监视晶闸管 (SCR) 的状态。当SCR发生短路时, STS自动报警, 并迅速打开另一路电源的隔离开关;当SCR开路时, STS自动报警, 切换先前打开的隔离开关。所有的开路和短路报警都将被锁定, 经复位才能回到原先的正常工作状态。

4) 便于维修。

STS装有互锁的维修旁路开关, STS可以通过旁路开关不间断地切换到任一路输入电源, 便于维修。在维修时, STS的输入、输出和旁路的电源接线端子都应被隔离, 以便在系统处于旁路时, 安全维护STS内的任何组件。

5 结语

在电力系统中, 一般对信息系统的电源系统没有引起足够的重视, 因此往往相应的管理分界和设计方案缺乏统筹考虑, 直到出现问题后再逐步修正。信息系统的电源系统的改造和设计, 必须着眼长期、统筹考虑、争取一步到位。

要重视对电源系统的巡视和 24 h的监控, 提高维护和检修水平, 做到防患于未然。

目前所有的信息系统、通信系统、自动化系统的重要性日益显现, 其电源系统的重要性不可忽视, 因此, 应逐步建立起一支专业的弱电电源管理和专业队伍。

摘要：信息系统原有的电源系统往往满足不了信息系统的快速发展, 必须进行相应的改造。以杭州市电力局信息系统为例, 分析了其原有电源系统的薄弱点, 提出了改造时的一些原则、方案及具体实施, 分析了改造时静态转换开关技术的应用。

电源组件试验系统 篇7

1.1 测试需求

电源组件试验系统由三部分组成:

①弹上电源模拟装置;

②机载电源模拟装置;

③电源综合控制装置。

弹上电源模拟装置能够模拟弹上直流电源;机载电源模拟装置能够模拟载机电源,满足GJB181A《飞机电源供电特性》;电源综合控制装置用于多路DC/DC,DC/AC的自动化测试。

1.2 系统设计

系统主要由计算机主机、数据采集和控制卡、程控交流电源、程控直流电源、电子负载、测试电路组成(见图1)。可以测试电源模块的输出电压、源效应(电压调整率)、负载效应(电流调整率)、效率等;可以创建电源模块数据库,并可以对测试数据进行分析、处理和显示。

2 系统的方案设计

电源组件试验系统以计算机系统为中心,整个系统可以作为整体使用,又可以各自独立地为各弹上部件和机载产品供电。整套系统集成于标准机柜内,程控直流电源和程控交流电源选用标准上架式结构,计算机系统采用PXI便携式机箱,结构紧凑、坚固耐用、便于搬运。

2.1 硬件设计

2.1.1 PXI便携式机箱

PXI具有适用于测量、工业自动化与数据采集的开放式工业规范,具备机械、电气与软件等多方面的专业性。PXI总线的传输速率可达132MBs,且采用模块化仪器结构,具有模拟I/O、数字I/O、定时计数器、示波器、图像采集和信号调理等广泛应用的仪器模块产品和“即插即用”的仪器驱动程序等特点可实现准确而快速的测量,是一种坚固的模块化仪器平台。PXI计算机通过RS485/RS422接口控制程控直流电源和程控交流电源,使其工作在不同的状态,模拟不同的工况。同时根据需要,对系统内的电源和电池参数进行监控。

2.1.2 程控交流电源

程控交流电源的功能是根据输入电源的要求来输出交流电源。系统采用自耦变压器的方式来产生需要的各路电源。变压器输入为∽220V,输出部分的各组输出采用继电器切换的方式来获得需要的各路电源。

2.1.3 程控直流电源

程控直流电源的功能是根据输入电源的要求来输出直流电源。采用变压器降压,然后整流、滤波的形式得到直流电源,最后根据系统的要求,由计算机的D/A输出口根据调整功率管的工作范围得到所需的调整后电源。

2.1.4 信号调理箱

信号调理箱主要完成信号处理等功能。信号调理箱通过专用电缆连接被测电源系统和PXI机箱。测试系统的基本思想是用PXI模块和信号调理控制箱,产生电源系统正常工作的信号,并采集电源系统各类信号,包括各种脉冲信号、过载过流保护信号等。采集得到的信号经过信号调理、控制模块、PXI总线进入计算机,由计算机对这些信号进行分析处理,进而判断其工作状况和性能状态,并通过数据报表给出被测电源系统的性能参数和检测结果。

2.1.5 电子负载

本系统采用功率调整管作为电子负载,在功率管的输出端采样电压和电流信号,采样到的电压信号和电流信号经处理后送计算机进行处理,并与需要的参数值进行比较。

2.2 软件设计

2.2.1 软件开发平台

系统软件选用Windows XP操作系统和Labview/CVI、VC++环境,数据库的建立工具选用Mircrosoft Access 2000环境。Access是一种简单实用的数据库管理系统,它的主要功能是为用户提供大量的数据管理,主要包括表、查询、窗体、报表、宏和模块6大部分。

2.2.2 软件设计框图

界面的分支表述如下:首先进入主界面,在此界面上首先选择“系统自检”,在系统自检界面中选择“上电”则自动显示自检进程和自检结果;自检完成后选择“退出”返回“主界面”,选择“手动检测”或“自动检测”,检测完成后,进入“数据管理状态”查看测试结果并生成数据报表。

“手动测试”功能:在主界面中按“手动检测”按钮即可进入手动测试模式。

“自动测试”功能:在主界面中按“自动检测”按钮即可进入自动测试模式。

“数据管理”功能:在主界面中按“数据管理”按钮即可进入数据管理模式。

3 结束语

随着现代航空武器和精确制导技术的飞速发展,对电源品质的要求也越来越高,然而目前电源系统故障种类繁多,检测手段落后,并且测试可靠性差。

基于虚拟仪器技术和PXI平台设计的新型电源组件试验系统,能够准确模拟电源系统的各种输入信号,并实时采集电源工作时的输出信号,对其性能参数进行自动测试,同时具有测试数据管理、分析和自动生成测试报表等功能,较好地取代了原来的模拟测量方法,实现了测试自动化。

摘要：文中基于虚拟仪器技术和PXI平台设计了新型的电源组件试验系统,它使用以数字调整和计算机分析为主的虚拟测量方法,以替代原来的模拟测量方式,准确、快速地测量电源产品的各项性能指标,实现了测试自动化。

关键词：虚拟仪器技术,电源组件,PXI平台

参考文献

[1]刘思久,张礼勇.自动测试系统与虚拟仪器原理.开发.应用[J].北京:电子工业出版社,2010.

[2]华永平.直流稳压电源的测试设计[J].北京:机械工业出版社,2010.

小容腔高压超高压控压系统设计 篇8

随着科学技术快速发展和高新技术产品的不断涌现, 对超高压液压元件性能要求也越来越高, 液压容腔由大型化向小型化发展, 促进了对小容腔高压超高压技术的应用研究。一般压力大于10 MPa为高压力, 压力大于100 MPa的就是超高压, 考虑到装置的整体空间结构尽可能满足功率的要求, 高压超高压技术被广泛应用于在液压容腔的各种装置, 其中液压容腔的体积与液压介质体积收缩的精确控制是现在需要解决的主要难题[1,2,3]。对小型轻型武器的弹膛受压检测过程中, 弹膛就是比较小的腔体, 其爆破压力的模拟就涉及了高压超高压技术的应用。在海上油气井开发中, 随着钻井深度加深, 井深达到5 000 m以上时, 井底压力将超过80 MPa[4]。此种高压情况下要求井下工具具有较好的耐压性能和密封性能。高压超高压技术就是对其研究的主要方法。井下安全阀在油井和天然气井的安全喷雾上被广泛使用, 其主要用来防止井喷的发生并起到了非常积极的作用。其中井下安全阀控制打开/关闭的工作液压腔就是小容腔, 因此液压压力室的压力精确控制对保证主要控制线路和阀门正常工作是非常重要的保证。小容腔高压和超高压技术也被广泛应用于汽车、生物制药、热轧、冶金、玻璃行业、化工生产、电力工业、煤炭开采等行业。对小容腔高压超高压系统研究, 解决压力控制原理和对压力精确控制的关键问题对实际生产具有积极意义。

1 小容腔增压系统设计

1.1 增压系统设计

如图1所示, 可知整个压力增压系统主要由低压液泵、高压液泵、过滤减压阀、电气比例阀、电磁阀、压力传感器、消音器、小容腔等组成。增压系统采用气驱液体泵, 核心设备为气动液体增压泵。考虑节能环保的因素, 采用清水作为试压的工作介质。利用压缩空气驱动一台低压大流量泵小容腔进行注水, 另一台高压小流量泵对工作介质进行增压。采用两个高压气动泵, 构成试验两级升压结构, 前一个泵实现小压力、大流量灌注, 可提高灌注效率, 后一个泵实现大压力、小流量精确控压, 保证升压精度。

1.2 小容腔增压过程

试验系统采用气动液体增压泵作为升压设备, 其通过控制腔截面积的不同实现压力增大, 以一个相对巨大的气动活塞在较小的压力驱动下直接推动较小的液压柱塞产生高压液压流体, 对于一个气动增压泵而言, 驱动气源压力与输出液压力成正比, 并且比例是一定的。通过对驱动气源压力进行调整, 可以对输出液压压力进行无级调节。当气压力与液压力平衡时, 气动增压泵自动停止动作, 输出压力也稳定在设定的压力上。如果有泄漏将会导致系统压力下降, 气动液体增压泵自动启动工作, 进行压力补偿。通过控制气源的进气量, 可以控制泵的动作频率, 从而控制系统的输出流量。到达小容腔的预设压力值。

1.3 设备布局

由于系统将产生100 MPa以上的超高压力, 存在一定危险性, 为了保证操作人员的安全, 防止因为高压油泄漏而发生伤人事故, 应将控制台与增压系统分开布置。操作控制台放在专门的控制室内, 增压系统放在测试现场。在测试现场装有摄像头, 可以通过控制室的监视屏实时观察现场情况。

2 小容腔数学模型建立

由于液压系统所研究对象的物理特性包含诸多非线性的影响因素, 这使得对其进行数学建模和仿真分析存在较大的困难。本文通过分析小容腔内的液体体积和压力之间的变化, 建立了一种小容腔高压超高压数学模型。小容腔是指体积小于100 m L的腔体, 为了节能环保采用水作为试压介质。液体压缩性在低压作用时很小, 通常在液压工程设计中可以忽略不记。但是在高压作用时, 特别是超高压作用下, 液体的压缩性就会显著增大, 在液压工程设计中就必须较准确地考虑从其压缩性。

根据液体可压缩性公式为

式中:△p为压力变化量;K为液压油体积弹性模量;△V代表灌入的液体体积, 即实时流量;V代表总容器体积。从方程可以得知, 压力的改变是依赖于体积的变化和液体的体积模量的。

单位试验压力增大对应注水量增加的理论计算公式为[5]

式中:dv为增加水的量, m3;V为试压管道的容积, m3;dp为增加的压力, k Pa;D为管道外径, mm;E为弹性模量, 2×108Pa;t为管壁厚度, mm;ω为泊松比, 0.3;k为水性模数, 2 343 961 k Pa。

则有

从式 (3) 可以看出压力的增加量与对应注水量成正比例关系。由式 (1) 和式 (3) 可以得到的小容腔中的压力控制的理论数学模型:

3 压力控制系统设计

控制系统采用工业控制计算机和PLC共同完成, 能够达到任意设定压力值, 并能够自动保持压力。压力调节过程如图2所示, 通过压力传感器将实时压力值反馈到工控机与设计压力值进行比较, 并通过PLC进行控制, 实现了压力全自动控制。

控制方法采用模糊PID控制, 模糊控制鲁棒性强, 能够达到很高的控制精度。在增压和卸压阶段采用模糊控制, 可取得很高的动态性能;保压阶段采用PID控制, 能够减小动态误差。

4 系统测试

小容腔压力的目标为150 MPa。产生的压力-时间曲线如图3所示, 由初始增压, 直到压力升至150.46 MPa, 然后压力保持阶段历40 min, 压降0.72 MPa。系统注水体积越来越大的最大可达150 MPa, 压力控制精度可达0.31%, 而保压压力精度可达0.48%。

5 结论

本控压系统可以实现高压超高压液体的增压控压, 最大压力可达150 MPa, 控制系统采用工业控制计算机和PLC共同完成, 能够达到任意设定压力值, 并能够自动保持压力, 压力控制精度为≤±0.5%FS。

摘要：基于高压超高压压力控制技术在小容腔上的应用, 利用高压超高压控制分析方法建立了小容腔的高压超高压增压系统。通过推导小容腔压力容积变化关系建立了数学模型。根据小容腔的数学模型设计了压力控制系统。系统采用两级气驱液体泵对小容腔进行增压, 容腔压力可达到150 M P a。控制系统采用工业控制计算机和P LC共同完成, 能够达到任意设定的压力值, 并能够自动保持压力, 压力控制精度可达0.5%FS。

关键词：高压超高压,小容腔,控压系统

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高压电源系统 篇9

高压共轨系统是提高柴油机动力性和经济性,实现低排放和低噪声的主要研究方向之一[1,2,3]。高压共轨系统主要由高压油泵、共轨管和电控喷油器等部件组成[4,5]。高压油泵作为共轨系统低压油路与高压油路的接口,是共轨系统轨压建立和维持稳定的关键[6]。高压油泵的供油特性直接影响着共轨系统的快速启动、变工况条件下的快速动态响应及共轨管内轨压的稳定控制[7]。以威特公司研发的轴向直列双柱塞高压油泵为研究对象,对其关键部件参数对高压油泵供油特性的影响进行研究,以期指导高压油泵参数匹配及优化设计,提高油泵容积效率,改善共轨系统的动态响应。由于高压油泵在工作过程中存在复杂的相互关系,各参数间的相互作用都会影响供油特性,单纯的试验研究无法灵活改变系统参数配置,难以直接获取系统各参数对供油特性的影响规律及机理,因此本文采用仿真分析与试验相结合的方法,研究高压油泵各参数对供油特性的影响。

1 高压油泵结构及原理

研究用高压油泵为威特公司研发的轴向直列双柱塞高压油泵,其供油柱塞直径为6mm,升程为9mm,采用双作用凸轮。高压油泵油路如图1所示。其主要结构如图2和图3所示。高压油泵主要由凸轮驱动组件、柱塞加压组件、VCV阀组件和进/出油阀组件构成。

当供油柱塞下行时柱塞腔压力降低,低压油路燃油在压力差的作用下经过VCV阀进入柱塞腔,此时进油阀开启,出油阀关闭,柱塞吸油。当供油柱塞上行时,柱塞腔压力升高,柱塞腔内燃油供入高压油管,此时进油阀关闭,出油阀开启,柱塞供油。在轨压控制中,高压油泵的供油量通过调节图3中的VCV阀量油孔开度来控制[8]。

2 系统仿真模型建立及验证

根据高压油泵结构及原理,利用AMESim仿真平台建立了高压油泵仿真模型,如图4所示。模型主要包括低压油路、VCV阀、溢流阀、凸轮柱塞组成和进/出油阀[9]。为保证仿真模型的准确性,使其能准确预测系统的供油特性,选择与试验环境相同的普通柴油进行仿真,并利用在高压油泵试验台上测得的试验数据对其进行了标定和验证,高压油泵试验装置如图5所示。

图6为典型工况下高压油泵容积效率(高压油泵每循环实际供油量与理论供油量的比值)的试验测量值与仿真计算值的对比。在油泵转速低于400r/min时发动机并不需要160MPa的高压,因此在160MPa轨压下仅对油泵转速高于400r/min工况点的供油效率进行了测量和计算。由图6可见,高压油泵仿真模型能够实现全工况范围内高压油泵供油效率的准确预测,仅在高转速和高压低转速工况区域仿真值略高于测量值。这是由于在高转速工况下:试验测量时,柱塞的循环供油会引起燃油温度升高且散热时间较短,从而使得燃油的黏度降低,增加了供油柱塞偶件配合间隙的燃油泄漏量;而在仿真模型中仅考虑了压力对燃油黏度的影响,在高转速下供油柱塞偶件配合间隙的燃油泄漏量相对较小,因此此时仿真计算的供油效率要高于试验测量值。在高压低转速工况下,由于输油泵在低速工况下的输油效率会因燃油泄流时间的增长而略有下降,从而导致试验测量的高压油泵供油效率降低;但在仿真模型中,因无法获取输油泵的效率曲线,采用线性输油泵模型对实际输油泵进行模拟,不同转速下输油泵的输油效率均采用实际输油泵标定工况下的输油效率,输油量仅由油泵转速决定,因此在低速工况下仿真模型中的输油泵的输油效率高于试验台输油泵,从而导致仿真计算得到的高压油泵供油效率略高于试验测量值。在全工况范围内,高压油泵容积效率的仿真计算值与试验测量值的最大相对误差出现在轨压120MPa及转速200r/min工况处,其误差为11.26%;此外,高压油泵容积效率的仿真计算值与试验测量值的最大相对误差小于6%,能够满足对高压共轨喷油系统进行仿真计算和分析的精度要求。

3 高压油泵速度与负载特性

利用控制单元输出至VCV阀的PWM脉宽调制模块的占空比信号(以下简称占空比)对VCV阀开度进行调节。图7为120MPa不同凸轮轴转速下高压油泵循环供油量随占空比的变化曲线。由图7可见:在不同转速下,该VCV阀占空比的死区相同,均为0~0.30;而占空比的饱和区随转速的升高而滞后,转速为200r/min时其饱和区为0.50~1.00,转速为2 000r/min时其饱和区为0.80~1.00。为了研究高压油泵在VCV阀不同占空比控制区域内的供油特性及其关键影响参数,本文选择处于占空比死区的0.25占空比、处于占空比调节范围内的0.50和0.75占空比及处于占空比饱和区的1.00占空比,研究这四个占空比下高压油泵的速度与负载特性及其主要结构参数对供油特性的影响。

共轨系统高压油泵是采用双作用凸轮驱动的轴向柱塞泵,凸轮轴转速直接影响高压油泵柱塞往复运动速度,从而影响油泵供油特性。高压油泵在供油过程中,以设定的轨压为供油负载,因此轨压也会影响高压油泵供油特性。图8为占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同轨压条件下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

由图8可见,占空比为0.25时油泵供油量随转速的升高而减小。这是因为,当占空比为0.25时,VCV阀尚未开启,此时柱塞只能通过阻尼孔吸油,由于阻尼孔的节流作用其流通能力小于柱塞吸油能力,油泵无法充分吸油,柱塞吸油受阻尼孔的限制。随着转速的升高,柱塞吸油时间缩短,所以油泵供油量随转速的升高而减小。

占空比为0.50时油泵供油量随转速的升高而减小。这是因为,当占空比为0.50时,虽然VCV阀已经开启,但是由于VCV阀位移较小,量油孔流通面积较小,VCV阀量油孔的流通能力小于柱塞吸油能力,此时柱塞无法充分吸油,柱塞吸油受VCV阀量油孔的限制。随着转速的升高,柱塞吸油时间缩短,所以油泵供油量随转速的升高而减小。

占空比为0.75时,当转速小于600r/min时,油泵供油量随转速的升高而增加;当转速在600~1 400r/min时,油泵供油量基本不随转速变化而变化;当转速高于1 400r/min时,油泵供油量随转速的升高而减小。这是因为:在转速低于600r/min时,VCV阀位移足够大,量油孔流通面积足够大,量油孔的流通能力大于柱塞吸油能力,此时柱塞可以充分吸油;但是,由于此时转速较低,柱塞压油时间较长,柱塞腔长时间处于高压状态,柱塞偶件泄漏量较大对柱塞的供油产生明显影响,随着转速的升高,柱塞压油时间缩短,柱塞偶件泄漏量减小,所以油泵供油量随转速的升高而增加。当转速在600~1 400r/min时,VCV阀位移仍较大,量油孔的流通能力仍可以满足柱塞充分吸油的要求,此时油泵充分吸油;同时,由于转速的升高,油泵供油时间缩短,柱塞腔维持高压的时间缩短,此时柱塞偶件泄漏量较小,不会对油泵的供油量产生明显的影响,所以油泵供油量随转速升高无明显变化。当转速大于1 400r/min时,VCV阀量油孔的流通能力不足以满足柱塞充分吸油的要求,此时柱塞吸油受量油孔的限制,随着转速的增加,柱塞吸油时间缩短,所以油泵供油量随转速的升高而减小。

从图8还可以得出,在相同占空比和转速下,高压油泵的供油量随着轨压的升高而减小,同时轨压对供油量的影响随转速的升高而减小。这是因为,在高压油泵供油过程中,轨压作为高压油泵供油的负载,随着轨压的升高,柱塞供油负载增大,柱塞压油行程增加有效供油行程减小,供油开始时间滞后,供油时间缩短,从而导致了油泵供油量随轨压的升高而减小。随着转速的升高,柱塞往复运动速度增加,柱塞腔中的燃油会更快达到设定轨压,压油行程缩短,所以随着转速的增加,轨压对油泵供油量的影响相对减小。当占空比分别为0.25、0.50、0.75、1.00,凸轮轴转速为200r/min,轨压从80MPa升高到160MPa时,油泵循环供油量分别下降了67.2、154.9、154.8、154.8mm3。当占空比分别为0.25、0.50、0.75、1.00,凸轮轴转速为2 000r/min,轨压从80MPa升高到160MPa时,油泵循环供油量分别下降了4.7、2.8、11.6、59.0mm3。

4 高压油泵结构参数对供油特性的影响

由于高压油泵包括溢流阀、VCV阀、进/出油阀、阻尼孔等部件,这些部件在柱塞工作时用以维持低压油路压力,控制柱塞吸油量,防止柱塞在吸/供油过程中出现燃油回流现象,并在零负荷时防止柱塞出现穴蚀。各个阀组件的弹簧刚度和预紧力影响阀的开启和关闭速度及其最大位移,对其流通能力影响明显,同时阻尼孔直径也是其流通能力的主要影响因素。就此本文在不同转速下分析了溢流阀、VCV阀、进油阀、出油阀、阻尼孔等高压油泵关键部件参数对高压油泵供油特性的影响。依据高压油泵各部件参数值的匹配范围,在选取参数的变化范围时,与弹簧相关的结构参数的变化范围取基准值的50%,而阻尼孔直径的变化范围取基准值的25%,具体参数选择如表1所示。

4.1 溢流阀参数

溢流阀作为低压油路重要部件,主要用于维持低压油路燃油压力以保证在VCV阀开启后燃油的稳定流动。在溢流阀工作过程中,其弹簧刚度影响溢流阀的振荡幅度和最大位移,而其弹簧预紧力影响溢流阀的开启压力;所以,本文主要研究了溢流阀弹簧刚度和预紧力对高压油泵供油量的影响。图9和图10分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同溢流阀弹簧刚度和预紧力下高压油泵供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

由图9和图10可见,在占空比为0.25时,高压油泵供油量不随溢流阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。这是因为,在此占空比下,VCV阀尚未开启,柱塞只从阻尼孔吸油,由于阻尼孔不与低压油路相连而是直接与油箱连通,溢流阀参数变化不会对阻尼孔流通能力产生影响,所以在此占空比下高压油泵供油量不随溢流阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。

在占空比为0.50时,高压油泵供油量随溢流阀弹簧刚度的增加而增加,而溢流阀弹簧预紧力则对高压油泵供油量没有明显影响。这是因为,在此占空比下,随着溢流阀弹簧刚度的增加,低压燃油压力增加,VCV阀量油孔两侧压差增加,量油孔流通能力提高,由于占空比为0.50时柱塞无法充分吸油,量油孔流通能力的提高会明显提高油泵的供油量,所以油泵供油量随溢流阀弹簧刚度的增加而增加。理论上溢流阀弹簧预紧力的增加也会使低压燃油压力升高,但是由于溢流阀升程约为4mm,随着弹簧刚度的变化,溢流阀的最大受力变化范围约为4N,而预紧力的变化范围则仅为1N,因此油泵循环供油量随溢流阀弹簧预紧力的增加变化不明显。即弹簧刚度是溢流阀动作响应的主要影响因素,对供油量的影响也更为显著。

在占空比为0.75时,当转速较低时溢流阀弹簧刚度和预紧力对供油量没有影响;当转速较高时随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加,油泵供油量增加。这是因为:在低转速下,高压油泵充分吸油,此时油泵的吸油量只受转速的影响,所以溢流阀弹簧刚度和预紧力对供油量没有影响;在高转速下,柱塞无法充分吸油,此时由于溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加使低压燃油压力升高,VCV阀量油孔体积流率增加,引起油泵供油量的增加。并且在0.75占空比处,随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加,低压燃油压力增加,VCV阀量油孔流通能力提高,油泵可以在更高的转速下实现充分吸油,所以曲线充分吸油的拐点会随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加而延后。

在占空比为1.00时,随着溢流阀弹簧刚度和预紧力的增加,高压油泵供油量没有明显变化。这是因为,在占空比为1.00时,VCV阀达到最大位移,量油孔流通面积最大可以使油泵在全工况内充分吸油,由溢流阀弹簧刚度和预紧力增加而引起的低压燃油压力的增加不会影响柱塞的吸油,所以油泵供油量不随溢流阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。

4.2 VCV阀参数

VCV阀的位移直接影响其量油孔流通面积,从而影响VCV阀流通能力并最终影响高压油泵供油量。在占空比不变的情况下VCV阀弹簧刚度和预紧力是其位移的主要影响因素。本文研究了VCV阀弹簧刚度和预紧力对高压油泵循环供油量的影响。

图11和图12分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同VCV阀弹簧刚度和预紧力条件下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。在占空比为0.25时,高压油泵供油量不随VCV阀弹簧刚度和预紧力的变化而变化。这是因为,在此占空比下,VCV阀不开启,柱塞只从阻尼孔吸油,VCV阀的结构参数对柱塞吸油量没有影响,因此也不会影响油泵的供油量。

在占空比为0.50时,高压油泵供油量随VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加而减小。这是因为,在此占空比下,VCV阀开度较小,柱塞吸油受到量油孔流通能力的限制,随着VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加,量油孔开启面积减小,流通能力下降,高压油泵供油量下降。

在占空比为0.75时,在低转速下VCV阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量无明显影响;在高转速下,随着VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加,油泵供油量减小。这是因为,在低转速下,柱塞充分吸油,VCV阀参数对循环供油量无明显影响。在高凸轮轴转速下,由于柱塞无法充分吸油,油泵吸油受VCV阀量油孔的限制。随着VCV阀弹簧刚度和预紧力的增加,VCV阀流通面积减小,所以油泵供油量随VCV阀弹簧刚度和预紧力的升高而减小。并且,随着VCV阀弹簧刚度的增加,柱塞充分吸油的拐点提前,这在VCV阀弹簧刚度变化时表现尤为明显。当弹簧刚度为2N/mm时,油泵在全工况内都可以充分吸油;当弹簧刚度为4N/mm时,转速高于1 400r/min时无法充分吸油;当弹簧刚度为6N/mm时,转速高于400r/min时就无法充分吸油。

在占空比为1.00时,油泵供油量只在转速为2 000r/min时随VCV阀弹簧刚度的增大而减小,在其他转速下VCV阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量无明显影响。这是因为,当占空比为1.00时,电磁阀电磁力足够大,即使VCV阀弹簧刚度和预紧力增加,但在绝大多数转速下量油孔流通能力仍可以满足柱塞充分吸油的要求,所以柱塞在充分吸油的情况下,VCV阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量无明显影响。而当转速为2 000r/min时,由于转速过快,柱塞吸油时间很短,当VCV阀弹簧刚度为6N/mm时,其量油孔流通能力无法满足柱塞充分吸油的要求,所以油泵供油量下降。

4.3 进油阀参数

进油阀为单向球阀。在柱塞吸油时,由于柱塞的抽吸作用,柱塞腔压力降低,进油阀在低压燃油压力的作用下开启,燃油由低压油路进入柱塞腔;在柱塞供油时,由于柱塞的压缩作用,柱塞腔压力升高,进油阀关闭隔绝了柱塞腔与低压油路防止柱塞内的高压燃油倒流。进油阀受力和位移均会影响柱塞的吸油量,所以对进油阀弹簧刚度和预紧力进行了研究。图13为转速1 000r/min、轨压120MPa、占空比为1.0时,进油阀的位移曲线。由图13可见,进油阀的最大位移值小于0.4mm,而进油阀弹簧刚度的变化范围为0.2N/mm,即因进油阀弹簧刚度变化而导致的进油阀最大受力变化仅为0.04N,因此图12中高压油泵的供油量几乎不受进油阀弹簧刚度变化的影响。图14和图15分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同进油阀弹簧刚度和预紧力下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线.

图14表明:在不同占空比和转速下,进油阀弹簧刚度对油泵供油量均无明显影响。这是因为,低压燃油压力较低,为了保证进油阀顺利开启且不会对进油产生节流效果,进油阀弹簧刚度和预紧力都很小,进油阀弹簧刚度为0.2N/mm,预紧力为1N。

图15表明:在占空比为0.25和0.50的全部转速和占空比为0.75的高转速时,随着进油阀弹簧预紧力的增加,油泵供油量下降。这是因为,在此占空比下,VCV阀尚未开启或开启位移较小,柱塞无法充分吸油,随着进油阀预紧力的增加,供油柱塞吸油时所需的进油阀两侧的压差增大,同时在相同的压差下进油阀位移随预紧力的增大而减小,增大了进油阀密封球与阀座间的节流作用,从而使经进油阀进入柱塞腔的燃油体积流率减小,进而造成供油量减少。在占空比为0.75的低转速和占空比为1.00的全部转速下,进油阀弹簧预紧力对油泵供油量没有明显影响。这是因为,此时VCV阀量油孔流通面积可以满足柱塞充分吸油的要求,此时柱塞充分吸油,进油阀弹簧预紧力不会对油泵供油量产生明显影响。

4.4 出油阀参数

出油阀为单向球阀,当柱塞吸油时柱塞腔压力降低,出油阀关闭,隔绝柱塞腔与高压油管,防止高压油管内的高压燃油回流入柱塞腔;当柱塞供油时,柱塞压缩燃油,柱塞腔压力升高,当柱塞腔压力超过高压油管压力和出油阀预紧力之和时出油阀打开,油泵供油。出油阀的受力与位移是影响供油量的主要因素,所以本文对出油阀弹簧刚度和预紧力进行了研究。图16和图17分别为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同出油阀弹簧刚度和预紧力条件下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

图16和图17表明:在所有转速和占空比下出油阀弹簧刚度和预紧力对油泵供油量均没有明显影响。这是因为,在柱塞压油的过程中,相对于高压油管内高压燃油的压力而言,出油阀弹簧刚度和预紧力都很小,所以其弹簧刚度和预紧力的变化不会对油泵供油量产生明显影响。

4.5 阻尼孔参数

阻尼孔位于油箱与进油阀之间,当VCV阀尚未开启或开度很小对燃油有节流作用时,柱塞从阻尼孔吸油以缓解从VCV阀吸油不足的现象,并稳定柱塞腔最低压力,防止柱塞腔压力过低,避免严重空化而造成柱塞腔穴蚀。当VCV阀通流面积足够大可以使柱塞充分吸油时,柱塞腔内过量的燃油通过阻尼孔回流到油箱。阻尼孔通流面积是影响油泵循环供油量的主要原因。图18为轨压120MPa,占空比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时,不同阻尼孔直径下高压油泵循环供油量随凸轮轴转速的变化曲线。

图18表明:在占空比为0.25和0.50的全部转速及占空比为0.75的高转速下,随着阻尼孔直径的增加,油泵供油量增加。这是因为,此时VCV阀未开启或开启位移较小,柱塞无法充分吸油需要从阻尼孔吸油。随着阻尼孔直径的增加,柱塞吸油能力增加,油泵供油量增加。在占空比为0.75的低转速和占空比为1.00的全部转速下,VCV阀位移较大,量油孔流通面积足以保证柱塞充分吸油,此时阻尼孔起回油作用,所以其直径对油泵供油量没有明显影响。

5 结论

(1)建立了包括VCV阀、溢流阀和进/出油阀在内的高压油泵AMESim数值模型,与在油泵试验台上得到的油泵效率曲线对比,表明该模型可准确预测高压油泵的供油特性。

(2)当VCV阀未开启时,循环供油量随凸轮轴转速的升高而减小,阻尼孔直径和进油阀弹簧预紧力对循环供油量影响明显。当VCV阀量油孔流通面积较小柱塞无法充分吸油时,溢流阀弹簧预紧力、VCV阀弹簧刚度和预紧力、进油阀弹簧预紧力和阻尼孔直径对循环供油量影响明显。

(3)在全负荷工况下,柱塞可以充分吸油,当凸轮轴转速较低时循环供油量随凸轮轴转速的升高而升高,当凸轮轴转速较高时,循环供油量无明显变化,油泵的各个阀组件及阻尼孔参数对循环供油量均无明显影响。全工况内高压油泵循环供油量随轨压的升高而减小。

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便携式电源系统的设计 篇10

关键词：便携电源设计

0 引言

现在，市场上可移动的电子设备越来越多，设备的电源容量和功耗却远远不能满足市场的要求，对日常生活，特别是户外活动造成诸多不便。为此，本文设计了一种高效、低功耗、安全的随身电源，以满足户外需求，将有很大的实用价值。该系统设计由五部分组成：锂芯容量指示电路、电芯保护电路、充电管理电路、DC-DC升压电路。锂芯容量指示电路由XC61CC系列的电压监控芯片组成。电芯保护电路由过充保护、过放保护、过温保护三部分组成，HAT2027、R5402、自恢复保险丝构建了三重保护，使锂芯安全性大大增强。充电管理电路采用了CN3066，将充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电四个部分，使移动随身电源能够最大程度地储备能量。DC-DC升压电路采用了MAX1771集成芯片，可将锂芯容量在安全范围内最大限度释放，达到对多种数码设备供电的目的。

1 电路工作原理

1.1 锂芯保护电路 如图1所示，电芯保护电路主要由R5402和HAT2027共同组成。除此之外，自恢复保险丝起到了最后一层保护的作用。

充电时，电池电压从低到高上升，当电池电压大于4.25V时，充电状态被锁存，引脚Cout就会从高电平跳为低电平，HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从1脚到3脚，充电电源无法继续给锂芯充电。如果充电电源继续加载在锂芯电池组两端，即使锂芯电压在4.25V以下，R5402具有的过充锁存状态也不会被释放。这样就保证了电池组在连续充电饱和之后，能锁存在过充状态，隔离充电电源对高能量电池组持续充电。只有当过充时，断开充电电源，过充锁存状态才会被释放，Cout重新变为高电平，HAT2027的1、3引脚此时双向导通，锂芯才能正常工作。放电时，电池电压下降，当小于2.3V时，放电状态被锁存，引脚Dout的输出从高电平跳为低电平，HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从3脚到1脚，锂芯电池组无法继续给负载放电。如果没有接上充电电源，即使锂芯电压高于过放电压的最大值，放电锁存状态也不会被释放，这就保证了电池组在经过长时间放电，电压下降到2.3V之后，能锁存在过放状态，隔离低能量电池组持续放电。只有当过放时，接上充电电源，锂芯电压开始高于过放电压时，过放锁存状态才会被释放，同时引脚Dout的电压重新变为高电平，HAT2027的1、3引脚双向导通，锂芯既能工作在放电状态，又能工作在充电状态。当锂芯短路时，Dout跳到低电平。此时，锂芯受HAT2027控制无法放电，起到保护锂芯作用。与此同时，自恢复保险丝由于短路的大电流，会受热膨胀，电路切断，起到最后一層保护的作用。当短路故障排除，白恢复保险丝恢复，R5402检电器释放，Dout重新恢复高电平。

1.2 DC-DC升压电路 本系统中，DC-DC升压电路主要由MAX1771构成，该控制器采用独特的控制方案，结合PFM(脉冲频率调制)及PWM(脉冲宽度调制)的优越性，提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。前者具有较小的静态电流，负载小的情况下效率较高，但纹波较大。后者在负载大的情况下具有较高的效率，噪声小。该控制器采用的是一种改进型的限流PFM控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较大负载的情况下，也具有很高的效率。而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，这样便于降低电路成本及尺寸。如图2所示，将4脚接地，可使其工作在闭环状态。芯片由引脚2上的电压供电，同时也是输出电压。输入电压可以进行从2V到输出电压的变化。外接MOS管栅极1脚上的电压，从输出电平到零电平跳变，这样可以提供更人的栅极驱动，从而减小外接MOS管的开启电阻。MAX1771外接MOS管平时是关闭的，此时电感储能。关闭期间，MAX1771会检测外部输入电压，一旦降低到了一定限度，MAX1771就会开启外部MOS管，电感释放能量，重新提供驱动电压。开关频率随负载电流和输入电压而定。5V电压通过两个反馈电阻分压得到。此外，续流二极管选用肖特基二极管SS34，该器件正向导通电压小，响应时间短。

1.3 锂芯容量指示电路 本系统电路设计采用了一种比较简单且实用的方法，即通过测试锂芯电池放电的时间电压特性曲线，选取整个放电过程的四个位点电压，用电压来估算电池的容量。当按下电压容量指示的功能按键，锂芯的电池电压会加到XC61系列芯片的VIN与VSS引脚上。当电压高丁4.1V，四个芯片同时工作，电池与限流电阻、LED发光管形成四个回路。此时四个发光管同时发亮，表示电池容量饱和。当电池电压在4.1V～3.8V之间，只有三个芯片工作，4102不工作，此时形成三个回路，三个发光管发亮，表示电池容量有所下降。同理可知其它的两种情况。

1.4 充电管理电路 充电管理电路由CN3066和继电器构成。当随身电源监测到有充电器对其充电时，继电器令CN3066开始工作，CN3066将整个充电管理过程分为四个部分，即预充电、恒流充电、恒压充电以及维护充电。

当CN3066开始工作时，CN3066会检测电池电压是否较低，如果是，则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电，直至电池电压上升到一个安全值。之后，充电电流保持较大值不变，通常是涓流充电电流的10倍或更大。1000mAh的电池采用700mA电流充电，这可以避免大电流充电对锂芯的损坏。在恒流充电和涓流充电状态下，充电管理芯片连续监控电池的电压，当单节锂电池的电压达到4.2V，恒流充电状态结束，转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压恒定在4.2V。当锂芯的电流下降为原来的1／10之后，恒压充电状态结束。在维护充电状态，电池充足电后，若移动电源仍插在充电器上，电池会由于自放电而损失电量。CN3066以非常小的电流对锂芯充电或监测电池电位，以备对锂芯再充电，这种状态称为维护充电状态。

在本电路中，CN3066会实时监测锂芯的电压、温度、充电电流和充电时间。一旦电池的温度达到60℃，或锂离子电池的电压达到4.2V，恒压充电状态自动终止。此外，还应设置最长恒压充电时间。在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电。当拔掉充电器，CN3066关闭，随身电源处于预放电状态。

实验结果证明，多功能随身电源能对市面上大多数手机连续充电5次以上，对MP3、MP4充电12次以上，表明随身电源在户外活动中有充足的能量储备。

2 结语