3  工業(yè)導軌式直流電源的基本調節原理

    除了機械結構的設計和各種電連接方式之外，工業(yè)直流電源對控制調節的方法也是至關(guān)重要的。

    一般工業(yè)直流電源分為非穩壓電源和穩壓電源。

圖1  工業(yè)直流電源分類(lèi)

     (1)  非穩壓直流電源

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

圖2  非穩壓電源的電路圖

    由于這種電源采用了較少的部件，相對簡(jiǎn)單的電路具有比較長(cháng)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(wú)穩壓功能，當輸入電壓波動(dòng)或者輸出負載發(fā)生波動(dòng)的情況下輸出電壓也會(huì )產(chǎn)生相應的波動(dòng)。同時(shí)，無(wú)輸出保持時(shí)間，即輸入電壓和輸出電壓無(wú)延遲時(shí)間。一般非穩壓電源用于不需要恒定電壓輸出的電動(dòng)機械負載，例如接觸器、電磁開(kāi)關(guān)等。

    (2)  直流穩壓電源

    穩壓裝置目前有2種解決的方法，一方面是已被廣泛使用的線(xiàn)性穩壓電源，另一方面開(kāi)關(guān)穩壓電源，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展使越來(lái)越多場(chǎng)合采用了開(kāi)關(guān)穩壓電源。

    (3)  線(xiàn)性穩壓電源

    線(xiàn)性穩壓電源中，交流輸入電壓通過(guò)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(guò)濾波電容進(jìn)行濾波，這部分與非穩壓電源是非常類(lèi)似的。

    經(jīng)過(guò)濾波后，穩壓回路由一個(gè)功率三極管構成的穩壓回路進(jìn)行調節，功率三極管相當于一個(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(guò)改變三極管的阻抗特征來(lái)保持輸出電壓保持不變。

圖3  線(xiàn)性調節直流電源的原理圖

    根據電路結構，這類(lèi)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，但是可以達到很小的紋波系數，對環(huán)境污染較小。對于線(xiàn)性穩壓電源來(lái)講，為了提供有用的功率和減少功率的損耗，變壓器必須被設計的足夠大。這意味著(zhù)變壓器尺寸至少要增大50%。線(xiàn)性穩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(chǎng)合。

    (4)  開(kāi)關(guān)穩壓電源

    在開(kāi)關(guān)穩壓電源中，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?，這些逆變操作是在頻率40kHz～180kHz的功率開(kāi)關(guān)晶體管進(jìn)行。這時(shí)產(chǎn)生的矩形波電壓通過(guò)一個(gè)高頻變壓器進(jìn)行變壓或降壓，開(kāi)關(guān)穩壓電源中于線(xiàn)性穩壓電壓的區別在于開(kāi)關(guān)電源是先整流后變壓，穩壓電源是先變壓后整流的。

圖4  開(kāi)關(guān)穩壓電源的原理圖

    在開(kāi)關(guān)電源中，最關(guān)鍵的技術(shù)是直流―直流的轉換。這里運用了一個(gè)開(kāi)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(xiàn)性穩壓電源頻率要高的多，在線(xiàn)性穩壓電源裝置中，晶體管被當作一個(gè)可變電阻進(jìn)行工作的，有一定的電阻量，而在開(kāi)關(guān)穩壓電源中，晶體管處于開(kāi)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(guò)濾波回路再次被平滑。輸出負載上得到一個(gè)直流電壓。 輸出直流電壓的穩壓調節由脈寬調制器來(lái)實(shí)現，即在開(kāi)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(cháng)短（脈沖的寬度），以保證當負載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓保持不變。在一個(gè)周期內傳輸的能量可隨占空比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(kāi)關(guān)晶體管接通時(shí)間，t_OFF 為開(kāi)關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)間，ρ表示開(kāi)關(guān)晶體管接通時(shí)間所占整個(gè)周期的比例，可見(jiàn)占空比越大的話(huà)，輸出電壓越高。這周期時(shí)間的倒數稱(chēng)為開(kāi)關(guān)頻率。

圖5  脈沖占空比圖

    開(kāi)關(guān)電源的效率一般達到80%～90%以上，最近推入市場(chǎng)的德國普世電源效率達到了95.6%，比線(xiàn)性穩壓電源的效率提高了50%以上。因此開(kāi)關(guān)電源中產(chǎn)生的熱損失更少，設備變得非常輕巧和緊湊。開(kāi)關(guān)電源采用高頻進(jìn)行變壓，可用高頻變壓器, 這樣一來(lái)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、緊湊的設計以及較寬的輸入電壓范圍使的開(kāi)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)域應用中廣泛的使用。

4  工業(yè)導軌式開(kāi)關(guān)電源的變換器類(lèi)型

    對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，可采用不同類(lèi)型的變換技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，必須對單端變換器和推挽式雙驅動(dòng)變換器做出區分。
單端變換器是最簡(jiǎn)單的開(kāi)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。雙驅動(dòng)變換主要為推挽式。

圖6  開(kāi)關(guān)電源變換器類(lèi)型