安全第一
電源設(shè)備需要提供隔離功能,從而保證電源設(shè)備的安全性,免受來自高壓饋電線的危險,是最基本的也是常常容易被忽視的.電源設(shè)備的這種安全性是由電源變壓器實現(xiàn)的,于是,為了使變壓器能傳送足夠的電力就要求它必須具備相應(yīng)的規(guī)模.
圖:電源設(shè)備已變成工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性部件
一臺較大的變壓器通常裝備有散熱器,這樣可以獲得良好的產(chǎn)品壽命.此外,在變壓器的原邊和副邊線圈之間還要使用雙重隔離,從而保證最大的安全性.
可靠性
人們常常單純要求電源產(chǎn)品的壽命,其實,影響電源壽命的因素很多,如像平均負(fù)載率、振動和周圍的環(huán)境溫度等.其中,環(huán)境溫度很重要,所以排放出由電源內(nèi)部元件所產(chǎn)生的總熱量非常關(guān)鍵.
因為電源設(shè)備制造商并不了解最終用戶的使用條件,所以他們唯一能提供考的壽命性能是電源產(chǎn)品的平均故障間隔時間MIBF(MeanTimeBetweenFailure);電源的MTBF值,在任何情況下,都是由電源內(nèi)部的電解電容MTBF之值所決定的.當(dāng)電源設(shè)備里排除掉電容的影響因素時,其計算的MTBF可能為10萬小時或者更長一些.然而,電解電容的典型MTBF之值僅僅是3萬小時.
因為一些電源設(shè)備制備制造商已開發(fā)出他們自己的電源MTBF計算方法,而且計算出的MTBF值是比較高的,所以用戶最好使用在MIL-HDBK-217E方式中所定義的MTBF之值,同廠家給定的電源MTBF之值相比較,來正確判斷產(chǎn)品的性能.因為MIL-HDBK-217E定義的計算MTBF方法是已經(jīng)被證實的并且是廣泛可以接受的,計算的MTBF值也是可核實的.
當(dāng)評價電源產(chǎn)品的標(biāo)稱壽命時,電源是否運行在額定的滿負(fù)載狀況是評價電源的另一重要考慮因素.如果電源設(shè)備裝有合適的散熱器而且無熱循環(huán),在低于滿負(fù)載的情況下且連續(xù)工作,電源就能有更長的壽命.綜合考慮以上因素,建議選型工程師最好依靠MIL-HKBK-217E方法驗證電源產(chǎn)品的MTBF之值,確保電源在合適的條件下工作,只要做到這一點,也不必再考慮電解電容的短壽命問題.
功率因數(shù)校正
電源的另一個關(guān)鍵性的性能要素是它的功率因素.教科書里定義的功率因數(shù)是加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間的相角余弦(若電壓波形與電流波形的相角差為φ,則cosφ便是電源的功率因數(shù)).當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波形相位一致時(即相角差φ=0),則功率因數(shù)cosφ=1是理想的情況;當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波形相角差為90°時(即φ=90°),則功率因數(shù)等于零(處于最小值);通常,電源的功率因數(shù)處于0到1之間,即0≤cosφ≤1,可用百分?jǐn)?shù)表示.
加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間存在相位差導(dǎo)致的結(jié)果之一是供電效率降低,即產(chǎn)生所要求的電力需要輸入更大的電力;導(dǎo)致的另外一個結(jié)果而且是更嚴(yán)重的后果,那就是電壓和電流的波形差產(chǎn)生過多的高次諧波.大量的高次諧波反饋到主輸入線(電網(wǎng)),造成電網(wǎng)被高次諧波污染成為惡性事故的隱患;同時,這種高次諧波也會擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路.
現(xiàn)有兩種主要的功率因數(shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)方法:第一種方法是在輸入端使用簡單的線圈;第二種方法是使用特殊的電子功率因數(shù)校正電路.利用線圈叫作“無源”PFC,利用該方法通常可獲得到0.7~0.8的功率因數(shù).利用第二種方法(也叫作“有源”PFC)則可產(chǎn)生最少量的高次諧波從而更有效地利用電網(wǎng)提供的電能.有源PFC可產(chǎn)生高于95%的功率因數(shù),在大型電源里最為有用,因為產(chǎn)生的高次諧波是直接和負(fù)載電流成正比的.例如,在10A乃至更高負(fù)載電流的24Vdc電源里利用有源PFC方法是最適宜的.
工程師應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到,電源具備功率因數(shù)校正功能的重要意義不僅僅是保證電源不輻射或是不傳導(dǎo)所不希望的電噪聲.因此,作為規(guī)劃選型工程師必須尋找符合際規(guī)范的電源產(chǎn)品,這些規(guī)范包括電的發(fā)射規(guī)范EN55011-BtEN55022-B和有關(guān)高次諧波發(fā)射污染電網(wǎng)的規(guī)范EN61000.3.2.
浪涌保護(hù)
電源里內(nèi)置浪涌保護(hù)功能已是日益流行的性能.許多電源已使用單獨的浪涌保護(hù)器件,以防高電壓波峰沖擊,如雷電沖擊.
某些開關(guān)電源現(xiàn)已提供EN61000-4-4和EN61000-4-5所定義的浪涌保護(hù),這是內(nèi)置的浪涌保護(hù)功能(提供高達(dá)4kV的浪涌保護(hù)),由于不需要外加的抑制器從而縮小了珍貴的面板空間.這種新的國際標(biāo)準(zhǔn)使得工程師容易選擇電源,因為浪涌保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化級別早已建立.
過載和短路保護(hù)
任何電源都具備的重要特性是提供公布的連續(xù)滿負(fù)載能力.更重要的是電源具備某些內(nèi)置的誤差余量或是計算(考慮)過載情況的容錯.一臺好的電源是最低能提供5%的過載保護(hù),較理想的情況是提供出10%的過載保護(hù).
所謂過載情況是指由電源里取出過量的電流,規(guī)劃選型工程師具有兩種選擇.第一種選擇是,當(dāng)電源經(jīng)受到過載情況時,電源設(shè)備啟動暫停電路(hiccupcircuit).利用這種設(shè)計,電源設(shè)備可暫停工作,經(jīng)過暫停之后電源力圖再度重新啟動持續(xù)工作.當(dāng)過載情況消失,則電源重新啟動成功,并又開始正常工作.這種設(shè)計適用于低電流設(shè)備.
對于比較大的電源設(shè)備,一種叫作“恒流”供電的方法是過載保護(hù)的較好選擇.在這種情況下,當(dāng)電源一直被迫供應(yīng)出恒定電流時,則電源設(shè)備降低其輸出電壓.
短路保護(hù)功能是電源設(shè)備的另一安全性能,這一特性不容忽視.雖說主要目的是安全,但最大優(yōu)點是那時電源有自動復(fù)位特性.這個特性所提供的保護(hù)時間可持續(xù)到已經(jīng)查到短路故障.
電源的經(jīng)濟(jì)性和尺寸
電源的經(jīng)濟(jì)性和幾何尺寸是相關(guān)的.對于最終用戶有幸的是電源的經(jīng)濟(jì)性和幾何尺寸兩方面都有所改善.一些較新的電源產(chǎn)品提供出上述的十足性能,與以往相比,它能以較低的成本獲得比舊的低效率設(shè)計產(chǎn)品包封尺寸低50%.
在經(jīng)濟(jì)性和幾何尺寸兩種特性中,常常是更看中幾何尺寸特性.因為在以往積累了大量幾何尺寸的技巧,例如利用更小的元件和有效板尺寸.現(xiàn)在,有些最有效的設(shè)計把散熱器結(jié)合到電源外殼裝配空間里,因此有效地削減了外加散熱器和塑料外殼的空間和成本.
便于使用
對于電源設(shè)備還有一項附加的共同要求是容易裝配的端接.如今很多電源產(chǎn)品提供形形色色的設(shè)計特性,諸如最大的裝配靈活性和最低的最終安裝和連接成本.為滿足全球范圍的應(yīng)用,電源流行的性能包括:靈敏且安全的裝配雙列導(dǎo)軌托架(DIN-rail-mountingbracket)、微小外殼設(shè)計和通用寬度的輸入電壓范圍.電源設(shè)備的其他性能包括如下:前面板裝配輸入和輸出連接,可插入的觸摸可靠的端接部件,易于裝配/替換輸入熔絲和輸出電壓調(diào)整.
最近有一種新型的電源產(chǎn)品已經(jīng)上市,該產(chǎn)品直接與三相340~480Vac輸入電壓連接,消除了壓降變壓器所要求的成本和空間.最終的結(jié)果是這種新電源產(chǎn)品比用單相電源附加變壓器更有效且成本更低.
