3  工業(yè)導(dǎo)軌式直流電源的基本調(diào)節(jié)原理

    除了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和各種電連接方式之外，工業(yè)直流電源對控制調(diào)節(jié)的方法也是至關(guān)重要的。

    一般工業(yè)直流電源分為非穩(wěn)壓電源和穩(wěn)壓電源。

圖1  工業(yè)直流電源分類

     (1)  非穩(wěn)壓直流電源

    對于一個(gè)非工業(yè)穩(wěn)壓直流電源來講，其電路非常簡單，交流輸入電壓經(jīng)過一個(gè)50Hz的變壓器降壓后，進(jìn)行橋式整流，再經(jīng)過濾波電容進(jìn)行濾波，然后產(chǎn)生輸出的直流電壓。

圖2  非穩(wěn)壓電源的電路圖

    由于這種電源采用了較少的部件，相對簡單的電路具有比較長的使用壽命及80%左右的效率優(yōu)勢。而且價(jià)格非常便宜， 但是由于電源無穩(wěn)壓功能，當(dāng)輸入電壓波動(dòng)或者輸出負(fù)載發(fā)生波動(dòng)的情況下輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)。同時(shí)，無輸出保持時(shí)間，即輸入電壓和輸出電壓無延遲時(shí)間。一般非穩(wěn)壓電源用于不需要恒定電壓輸出的電動(dòng)機(jī)械負(fù)載，例如接觸器、電磁開關(guān)等。

    (2)  直流穩(wěn)壓電源

    穩(wěn)壓裝置目前有2種解決的方法，一方面是已被廣泛使用的線性穩(wěn)壓電源，另一方面開關(guān)穩(wěn)壓電源，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展使越來越多場合采用了開關(guān)穩(wěn)壓電源。

    (3)  線性穩(wěn)壓電源

    線性穩(wěn)壓電源中，交流輸入電壓通過一個(gè)50Hz的變壓器進(jìn)行變壓，然后進(jìn)行橋式整流，并通過濾波電容進(jìn)行濾波，這部分與非穩(wěn)壓電源是非常類似的。

    經(jīng)過濾波后，穩(wěn)壓回路由一個(gè)功率三極管構(gòu)成的穩(wěn)壓回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，功率三極管相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，輸出電壓的高低與這個(gè)“可變電阻”的比值成反比，這樣通過改變?nèi)龢O管的阻抗特征來保持輸出電壓保持不變。

圖3  線性調(diào)節(jié)直流電源的原理圖

    根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，這類電路的效率大約在40%～60%之間。功率耗損主要發(fā)生在50Hz變壓器、濾波器、晶體管和閉環(huán)控制電路中。輸入電源的變化范圍很小，但是可以達(dá)到很小的紋波系數(shù)，對環(huán)境污染較小。對于線性穩(wěn)壓電源來講，為了提供有用的功率和減少功率的損耗，變壓器必須被設(shè)計(jì)的足夠大。這意味著變壓器尺寸至少要增大50%。線性穩(wěn)壓電源主要用于需要精確的恒定輸出電壓，并對諧波分量要求高的場合。

    (4)  開關(guān)穩(wěn)壓電源

    在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，交流輸入電壓直接進(jìn)行整流，進(jìn)行濾波，然后又逆變?yōu)榻涣鳎@些逆變操作是在頻率40kHz～180kHz的功率開關(guān)晶體管進(jìn)行。這時(shí)產(chǎn)生的矩形波電壓通過一個(gè)高頻變壓器進(jìn)行變壓或降壓，開關(guān)穩(wěn)壓電源中于線性穩(wěn)壓電壓的區(qū)別在于開關(guān)電源是先整流后變壓，穩(wěn)壓電源是先變壓后整流的。

圖4  開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖

    在開關(guān)電源中，最關(guān)鍵的技術(shù)是直流―直流的轉(zhuǎn)換。這里運(yùn)用了一個(gè)開關(guān)晶體管將直流電壓進(jìn)行斬波，然后再進(jìn)行變壓。變壓后的交流電壓的頻率比起線性穩(wěn)壓電源頻率要高的多，在線性穩(wěn)壓電源裝置中，晶體管被當(dāng)作一個(gè)可變電阻進(jìn)行工作的，有一定的電阻量，而在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，晶體管處于開關(guān)狀態(tài)，這時(shí)大大的減少了在晶體管上的功損耗，變壓器的體積和重量可以被大大減小。高頻的交流電壓經(jīng)過濾波回路再次被平滑。輸出負(fù)載上得到一個(gè)直流電壓。 輸出直流電壓的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)由脈寬調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)，即在開關(guān)晶體管工作在一個(gè)固定頻率下，但改變接通時(shí)間長短（脈沖的寬度），以保證當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓保持不變。在一個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)哪芰靠呻S占空比ρ變化而定。

    ρ = (t_ON) / (t_ON + t_OFF)

    這里周期時(shí)間為(t_ON + t_OFF)，t_ON為開關(guān)晶體管接通時(shí)間，t_OFF 為開關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)間，ρ表示開關(guān)晶體管接通時(shí)間所占整個(gè)周期的比例，可見占空比越大的話，輸出電壓越高。這周期時(shí)間的倒數(shù)稱為開關(guān)頻率。

圖5  脈沖占空比圖

    開關(guān)電源的效率一般達(dá)到80%～90%以上，最近推入市場的德國普世電源效率達(dá)到了95.6%，比線性穩(wěn)壓電源的效率提高了50%以上。因此開關(guān)電源中產(chǎn)生的熱損失更少，設(shè)備變得非常輕巧和緊湊。開關(guān)電源采用高頻進(jìn)行變壓，可用高頻變壓器, 這樣一來變壓器的體積大大減少。電源的功率密度大大提高。較低的熱損耗、緊湊的設(shè)計(jì)以及較寬的輸入電壓范圍使的開關(guān)最適合用于分布式的控制柜中。目前在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用中廣泛的使用。

4  工業(yè)導(dǎo)軌式開關(guān)電源的變換器類型

    對于開關(guān)電源來說，可采用不同類型的變換技術(shù)。一般來說，必須對單端變換器和推挽式雙驅(qū)動(dòng)變換器做出區(qū)分。
單端變換器是最簡單的開關(guān)電源變換方式，主要分為單/雙晶體管反激式和單/雙晶體管正激式。雙驅(qū)動(dòng)變換主要為推挽式。

圖6  開關(guān)電源變換器類型