电梯产品应用开关电源替代工频变压器的技术研究

康宇翔

(泸州市特种设备监督检验所,四川 泸州 646000)

电梯产品应用开关电源替代工频变压器的技术研究

康宇翔

(泸州市特种设备监督检验所,四川 泸州 646000)

电梯作为一种需要长期供电的设备,对于电源的要求非常高,这也就出现了运用开关电源还是工频变压器的问题.这两种供电设备各不相同且各有优势,文章主要针对电梯产品中,开关电源替代工频变压器的有关技术进行了分析,并提出了几点建议.

电梯产品;开关电源;工频变压器;技术

开关电源本身是一种现代化的电力电子技术,主要对开关管开通以及关断时间比率进行控制,并确保输出电压稳定性的电源.一般情况下开关电源是由脉冲宽度调制控制IC以及MOSFET几部分组成.在电力电子技术不断创新发展的影响下,开关电源技术也随之创新.但是在实际应用方面,开关电源也得到了广泛的运用,是现如今电子信息行业必不可少的电源形式.而工频变压器同样作为电源形式,和开关电源所用高频变压器之间有大差别,以往工频变压器的运用较为频繁,所运用主体的电源稳定形式是线性调节,因此,一些传统形式的电源也被称为线性电源.文章主要针对电梯产品中,开关电源替代工频变压器相关技术进行了分析.

1 开关电源与工频变压器可行性

线性电源内主要包含了电源变压器,这种电源形式的体积较大,且成本高,另外一个十分关键的特点便是效率低,工作效率只有40%左右.但是开关电源恰好与其相反,一方面,开关电源具有很高的运行效率,现如今市场中一些质量比较好的电源,其运行效率可达到90%,并且开关频率高,在其内部使用电压器或是电感中体积较小,由此开关电源体积也比较小.在电梯这种对运行效率比较高的产品中进行使用,主要是以开关电源为主,因为线性电源较为简洁,并且在单片开关集成电源广泛运用之后已经被淘汰.另外,只有运用效率较高的开关电源,才能维持电梯的长久运行.

对于工频变压器而言,其本身也存在相应的缺点,如体积重量大、效率低,稳压损耗比较大,在运行的过程中会产生工频噪声,加之对铜的使用比较多,所以成本的消耗会较高.虽然工频变压器的结构简单,并具有很高的可靠性,但是如果在电梯产品中进行运用,因为工频变压器效率低,无法维持电梯的持久运行,所以在这一方面看来,以开关电源替代工频变压器具有可行性.

2 开关电源替代工频变压器

2.1 电源开关选择

电梯中使用的开关电源主要是HH系列的负荷开关,即常说的铁壳开关.因为HH系列负荷的开关断流容量比较小,只有几千安,且没有固定的生产厂家,通过电气设备相关规定可以了解到,一部分生产厂家已经停产了该系列设备,所以设备的质量无法得到保证.基于此,建议使用HR11系列的熔断器式开关,或者是DZ20型的低压断路器,以此为电梯电源开关.

HR11系列熔断器式开关主要适用于交流50～60Hz,与BS5419、JB4olZ、IEC4os标准相符,且该开关的额定极限短路分断能力是50kA.将其运用在电梯的电源开关中,该系列熔断器开关熔体电流为电梯计算电流的2.5倍.

DZ20系列的低压断路器,设备的额定极限短路分断能力最低也可以达到18kA,例如DZ20Y系列.在电梯中使用断路器时,除了应该与原则相符的原则之外,也需要满足以下条件要求.(1) 断路器延时脱扣器整定电流要超过电梯计算电流.(2) 断路器瞬时脱扣器整定电流要超过电梯起动电流.

2.2 整体设计

在设计时,需要满足以下几个指标要求.(1) 输入电压在170～700VDC.(2) 开关频率为50kHz.(3)输出电压为5V±0.4%,1A;24V±7%,2A;±15V±5%,200mA; 三 路 15V±5%,150mA;15V±5%,300mA.(4) 额定功率:PON=70W.(5)效率为η=80%.

系统中主要有输入电路、DC/DC变换电路、输出电路、控制电路这四个部分.其中输入部分分别包括保护电路、滤波电路这两个部分,DC/DC变换电路中也包含了单端反激式功率开关电路、高频变压器电路这两个电路,且负责斩波,输出电路中则包括整流、滤波,控制电路包括控制芯片STM32F030F4、电压、电流采样电路、功率管驱动电路等部分构成,其作用是进行控制系统采样已经PWM波输出.

2.3 硬件设计

针对开关电源在电梯产品中的运用,需要从硬件与软件两个方面进行设计.在硬件电路设计方面,需要考虑到输入部分、DC/DC交换部分、输出部分、控制部分四个环节.(1) 输入部分.该部分主要涵盖了电路保护与滤波电路,通过这两个部分可以对电路运行过程中形成的串模干扰与共模干扰进行有效抑制.输入端保护电路包括保险丝和压敏电阻.保险丝能够在电路出现故障或者是异常时,一旦电流升高到限定范围值,其自身会熔断并且切断电流通路,对电路安全进行保证;而压敏电阻则是在电网中窜进的浪涌电压,起到过压保护电路的作用.滤波电路主要是滤波电容和共模扼流圈,其本身是控制电路运行期间产生的串模干扰与共模干扰.(2) DC/DC交换部分.该部分主要包括了功率开关电路与高频变压器,这也是开关电源中最为重要的部分,在电梯产品中进行使用,一般是将已经完成滤波的直流电压转化为高频率脉冲电压,再通过变压器将其转换成为与电梯设计要求相符的隔离输出交流电压.其一,双管有源箝位单端反激式DC/DC交换电路.输入电压范围最高可达700VDC,要降低MOSFET管所承受的电压,降低可能产生的损耗,功率开关电路运用了有源箝位双管单端反激式DC/DC交换电路.该电路有两个不同的主开关管以及辅助开关管,由其构成单端反激式电路,且这两个主开关管可以代替任意一个开关管,输入电压最高可达700V,电压过高,而反激式开关管可以承受两倍的反向电压输入电压,开关管所承受电压过高,所以一般使用两个开关管,由这两个同时分担过高的电压.此外,有源箝位也能够支持开关管ZVS,降低开关管的损耗.其二,高频变压器.高频变压器参数可以通过AP法公式获得,并且通过查表的方式选择磁芯型号、磁路长度、磁芯有效截面积、磁芯无气隙时的等效电感等参数.最大占空比、开关频率、最大输出功率、效率按照具体要求进行选择和确定,在此基础上通过计算得出初次测匝数,按照两侧电压比以及PWM波占空比,可以获得高频变压器两侧匝数比,进而计算出次级绕组匝数.(3) 输出部分.该部分中的整流滤波可以获得具有稳定性的直流电压,再利用低压稳压芯片获得需要的电压,以此实现闭环电压电流双反馈控制.(4)控制部分.该部分一般是通过主控芯片、电流、电压数据搜集调理电路以及开关管驱动电路发挥作用.其一,电压电流调理电路.电压调理电路主要使用的HCNR200型的高线性度光耦对采样电压,以此实现反馈控制电路的隔离.该电路中主要包含发光二极管LED、反馈光电二极管PD1、输出光电二极管PD2这三个部分,一旦LED经过驱动电流,便会发出红外光.且该光会照射在PD1、PD2中,反馈光电二极管会负责吸收掉LED一部分的光通量,以此便会形成控制电流.此外,电流采样电路主要包含差分放大电路以及跟随电路这两个部分,按照额定电流具体的等级,选择不同的采样电阻以及放大增益,从而符合设计的具体要求;其二,开关管驱动.电路开关管驱动电路主要使用的是TPS2814型栅极驱动器,确定电源电压为15V,TPS2814的两个输入接口和输出接口,所输出的正反两路为 PWM 波.R9、R10、D1、D2、C7、C8负责对主开关管驱动信号以及钳位开关管驱动信号存在的死区进行调整.且τ1是主开关管关断后与钳位管导通前驱动死区的时间,τ2则是主开关管开通前与钳位管关断后驱动的死区时间,通过这两个部分对死区进行调整.

2.4 软件设计

在软件电路设计方面,主要有实时采样、PID算法控制以及PWM波输出这个环节,实时采样是通过ADC转换电路,以此对电压与电路进行实时采样,而PID算法控制则是运用增量式PID算法或是其他算法,根据相关公式得到控制器输出值以及离散PID算式.PWM波输出是指PWM在单端反激式DC/DC变换电路运用的MOSFET驱动.按照输出采样设置与调整定时器内周期寄存器数值以及对比寄存器数值,实现输出PWM波周期与脉冲宽度的更改.

3 结语

综上所述,在电梯产品使用开关电源替代工频变压器,是有效维持电梯持续、安全有效运行的手段之一.以上从硬件与软件两个方面对开关电源的运用进行了分析,介绍了开关电源和工频变压器各自的优势与缺点,以及其在电梯产品中得以运用的可行性.

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