高頻開關直流電源

★系統(tǒng)總體方案設計一、概述：開關電源特別是大功率開關電源在可靠性、穩(wěn)定性、效率等方面的缺點成為制約大功率開關電源應用和發(fā)展的“瓶頸” ,按照傳統(tǒng)電源的設計思路和解決辦法 ,不能從根本上解決其所面臨的諸多問題。但是新型高頻功率半導體器的不斷更新，如功率IGBT已完全可取代功率晶閘管和中小電流的晶閘管，使開關電源工作頻率達到400KHz，實現(xiàn)開關電源高頻化；開關電源功率單元模塊化，然后容易實現(xiàn)大功率N+1 冗余，提高了系統(tǒng)可靠性；易于擴增負載容量；依靠先進的件軟開關技術以及先進的統(tǒng)調和均流控制技術 ,解決開關電源模塊化的諸多問題。二、系統(tǒng)設計思路：根據(jù)遠大可建科技有限公司公司釬焊爐電熱柜項目所需12000A/72V、八臺直流電源裝置的技術要求,我公司工程技術人員設計整流所的方案?？驁D如附圖1所示。整個電源系統(tǒng)由八臺柜子組成，柜內由 15個 900A/72V 獨立單元電源盒并聯(lián)組成GGHS-12000A/72V，視輸出功率大小，每個電源電源盒進線端單獨裝有空氣開關，每個單元電源盒可單獨開啟或并聯(lián)開啟，實現(xiàn)大功率N+1 冗余。 ?IGBT的調節(jié)控制觸發(fā)系統(tǒng)采用我公司最新研制的XTDZ-KZ-2控制板，并配備XTDZ-TT統(tǒng)調板實現(xiàn)機組高可靠穩(wěn)流控制。注：以下參數(shù)和技術指標以GGHS-12000A/72V作具體闡述。? ? ? ★基本設計電氣條件一、裝置正常使用環(huán)境及氣象條件 1、海拔高度不超過2000米； 2、環(huán)境溫度：不高于40℃，不低于-25℃，室內使用且通風良好； 3、地震烈度：7度；垂直傾斜度為5%； 4、空氣最大相對濕度不超過90%； 5、設備運行地點無導電塵埃,沒有腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體及導電介質； 6、交流電網(wǎng)電壓波形為正弦波,電網(wǎng)電壓波動范圍不超過額定值的±5%,頻率50Hz±0.5Hz,波動不超過±8%； 7、冷卻水的水質要求: 送入整流柜的冷卻水為軟水,其水質要求如下: 硬度不超過德國度6度；電阻率不小于150*103Ω.cm；PH值6~9；不溶解的沉淀物不超過0.02mg/L；進水口水溫<30℃；進水口壓力≥0.2Mpa；? ? 二、命名規(guī)則 ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三、裝置的設計依標準及規(guī)范 1、說明：以下標準適用于整流裝置及其附屬設備的設計、制造、裝配、運行、實驗。我公司保證提供的產(chǎn)品是符合技術協(xié)議和工業(yè)標準的優(yōu)質產(chǎn)品。 GB/T18494.1-2001《工業(yè)用變流變壓器》 GB3859.3-93《半導體變流器、變壓器和電抗器》 GB3859.1-93《半導體電力變流器基本要求的規(guī)定》 GB/T 3859.2-93《半導體變流器應用導則》 GB/T 3859.2-93 《半導體電力變壓器應用導則》其他適用相關的國家標準和行業(yè)標準，如標準有沖突時按高等級標準執(zhí)行。 2、質量保證措施：提供質量保證體系文件或質量手冊供發(fā)包單位審查。 3、制造工藝：按行業(yè)最新工藝標準進行設備制造，提供完成檢查的記錄報告。所有部件均有互換性和便于維修。 4、銘牌:每個主要設備和輔助設備裝有永久銘牌，銘牌上的數(shù)據(jù)和符號易讀并長久保存。 5、安裝地點：本設備安裝運行于：遠大可建科技有限公司。 6、用途：釬焊爐電加熱。 ?? ?★本裝置的參數(shù)及技術指標（以10000A為例）一、高頻開關電源技術性能指標 ? ? 二、單元盒的的結構布局 1、單元盒為抽屜式結構；根據(jù)總功率由N+1個尺寸完全相同的單元盒組成。 2、抽屜結構：單元盒柜體為框架式結構，分為前后部分，前部分為全封閉式，盒體后部分為敞開式框架式。 3、前部分主要安裝控制板和驅動板和IGBT和整流橋，設有前門可開啟，便于設備維護，框架采用異型材焊接而成，零部件安裝位置合理，并充分考慮元器件設備運行時檢測及維護、更換的方便。控制部分的所有接線部分采用插頭器件，且控制板安裝于前盒底部的絕緣接頭上，盒體前門面板設置有電流儀表和工作和各種故障燈。? 3、單元盒中間隔板由環(huán)氧玻璃布板型材和水冷母排散熱器組成，水冷母排散熱器前面安裝三相全橋整流模塊和IGBT模塊，后面安裝肖特基整流模塊。所有元器件模塊合理安裝在水冷母排散熱器的水道上，以便于元器件產(chǎn)生的溫度由冷卻水帶走。 4、水冷母排散熱器采用平板四孔母鋁板，四孔經(jīng)過處理變?yōu)橐粭l循環(huán)的水路，提高了冷卻效率。水冷母排散熱器接觸面均經(jīng)銑削加工。并進行表面陽極導電氧化處理，以增加導電及防腐能力。安裝在盒體的前后隔板上，由環(huán)氧玻璃布板型材作絕緣件隔開。 5、盒體后部分為敞開式框架式，便于安裝高頻變壓器、電抗器和水路水管。后部采用敞開式框架式主要是便于高頻變壓器、電抗器和水路水管的更換和散熱。 6、盒體內部冷卻水路接頭全部采用304材質不銹鋼套件接頭，保證了接頭處不會發(fā)生腐蝕、滲漏、脫落等情況的發(fā)生；水管采用國內品牌鋁塑管，保證了管子不會受溫度的影響彎曲、變形、膨脹。 ? 三、單元盒的電氣性能 1、每個單元盒功率設計為45-50KW，輸入端AC-DC部分整流橋、逆變部分IGBT、輸出端AC-DC的肖特基管的選型根據(jù)電流裕度>2倍，電壓裕度>3原則選用。 2、控制電路由我公司最新研發(fā)的XTDZ-KZ-2主板和三菱的IGBT控制芯片組成的驅動電路組成，具有缺相、過電壓、低電壓、過流等保護。 3、水冷母排散熱器兩端設有兩個溫控開關，一旦在缺水和元件溫度過高的情況下，控制電路馬上關斷，并發(fā)出聲光報警信號；當溫度自然降到溫控溫度以下，控制電路又自動恢復運行。 4、一次進線端設有電容、電抗器峰值電壓吸收裝置；逆變輸出端設抑制電抗器；直流輸出端也設有平波電抗器。以保證設備運行時的動態(tài)穩(wěn)定性，提高了設備的穩(wěn)定可靠性。 5、高頻變壓器是我公司采用最新納米非晶材料，具有冷卻性佳、阻抗低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點的新型高頻大功率變壓器。四、遠程通訊 1、提供RS485接口，并提供標準的Modbus-RTU通訊協(xié)議。開機后自動與PLC通訊，中途無須關電源復位或手工復位。 2、遠程啟動、停止電熱柜。遠程恒流/恒壓切換、電流/電壓連續(xù)調節(jié)、延時軟啟停功能（時間可設定，最大設定時間30min）、可接收遠程通訊數(shù)據(jù)自動調節(jié)輸出功率大小。 3、可通過4-20mA模擬輸入接口連續(xù)調節(jié)電流/電壓。 4、可通過外部開關量輸入控制：整機啟停、恒流/恒壓切換。 5、遠程通訊采集的數(shù)據(jù)包括：運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、過熱狀態(tài)、控制狀態(tài)、三相輸入電流、三相輸入電壓、輸入功率、功率因素、輸出電流、輸出電壓、輸出功率、柜內溫度、缺水故障、水壓故障、模塊故障、輸入故障狀態(tài)（過壓、欠壓、缺相、過流、過載）、輸出故障狀態(tài)（過壓過流、過熱、短路、過載）等。 6、整機的本地顯示控制采用觸摸顯示屏。 7、顯示功能包括：運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、過熱狀態(tài)、控制狀態(tài)、三相輸入電流、三相輸入電壓、總輸入功率、功率因素、輸出電流、輸出電壓、輸出功率、柜內溫度、缺水故障、水壓故障、模塊故障、諧波裝置補償電流、諧波裝置運行狀態(tài)、諧波裝置故障狀態(tài)、諧波裝置控制狀態(tài)、諧波裝置在供電或斷電情況下至少保存30條故障記錄。五、保護方式 1、電源輸入過壓保護、欠壓保護、缺相保護、過流保護。 ? ?2、直流輸出過壓保護、過流保護、過熱保護、短路保護、過載保護 3、水故障保護、模塊故障保護、過熱保護、主控板故障保護。 4、可承受負載短路沖擊，在短路消除后可重新啟動。六、主要元器件的選擇 IGBT選用德國原裝英飛凌品牌的，快速肖特基整流管采用臺灣AN的，流量繼電器采用許繼的，水冷304不銹鋼接頭為本公司開模專用定制的；七、開關電源柜整體結構設計特點 1、高效節(jié)能：電源效率可達92%以上；功率因數(shù)高。電能轉換及工藝過程節(jié)能效果比傳統(tǒng)可控硅設備節(jié)能約10-15%； 2、提高工藝：高頻開關電源和傳統(tǒng)可控硅電源相比工藝可提高20-30%； 3、特大功率：通過高頻逆變技術、并聯(lián)均流技術的研究和集成創(chuàng)新，功率可達兆瓦級；能滿足（電能質量，共用電網(wǎng)諧波， GB/T14549-93）等國家標準和規(guī)定。 4、N+1冗余設計，某一個電壓模塊的故障不會影響電源的整體輸出，其余模塊仍能正常輸出工藝所需電壓、電流，可靠性高。 5、模塊電源之間的均流特性好，均流誤差≤1%，控制同時具有電壓和電流閉環(huán)。 6、核心元器件采用優(yōu)質進口器件（在下有注明），主變壓器采用納米晶合金材料為鐵芯，采用全新的機構形式，生產(chǎn)制作一致性高，電效高。 7、采用水冷卻方式，大大降低了機器發(fā)熱功率器件的工作穩(wěn)定，提高了器件的工作安全性和壽命。 8、柜體內每塊線路控制板都經(jīng)過清漆烘干處理，起到防塵、防潮作用。 9、柜體內所有標準件都采用304材料不銹鋼標準件；水冷卻部分也全部采用304材質不銹鋼制作，保證了柜子的使用壽命。 ? ★成套設備特點：節(jié)能、綠色環(huán)保；可靠性高、技術先進；體積小、噪音低；操作簡單、維護方便

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案例描述

★系統(tǒng)總體方案設計

一、概述：

開關電源特別是大功率開關電源在可靠性、穩(wěn)定性、效率等方面的缺點成為制約大功率開關電源應用和發(fā)展的“瓶頸” ,按照傳統(tǒng)電源的設計思路和解決辦法 ,不能從根本上解決其所面臨的諸多問題。但是新型高頻功率半導體器的不斷更新，如功率IGBT已完全可取代功率晶閘管和中小電流的晶閘管，使開關電源工作頻率達到400KHz，實現(xiàn)開關電源高頻化；開關電源功率單元模塊化，然后容易實現(xiàn)大功率N+1 冗余，提高了系統(tǒng)可靠性；易于擴增負載容量；依靠先進的件軟開關技術以及先進的統(tǒng)調和均流控制技術 ,解決開關電源模塊化的諸多問題。

二、系統(tǒng)設計思路：

根據(jù)遠大可建科技有限公司公司釬焊爐電熱柜項目所需12000A/72V、八臺直流電源裝置的技術要求,我公司工程技術人員設計整流所的方案。框圖如附圖1所示。整個電源系統(tǒng)由八臺柜子組成，柜內由 15個 900A/72V 獨立單元電源盒并聯(lián)組成GGHS-12000A/72V，視輸出功率大小，每個電源電源盒進線端單獨裝有空氣開關，每個單元電源盒可單獨開啟或并聯(lián)開啟，實現(xiàn)大功率N+1 冗余。 IGBT的調節(jié)控制觸發(fā)系統(tǒng)采用我公司最新研制的XTDZ-KZ-2控制板，并配備XTDZ-TT統(tǒng)調板實現(xiàn)機組高可靠穩(wěn)流控制。注：以下參數(shù)和技術指標以GGHS-12000A/72V作具體闡述。

★基本設計電氣條件

一、裝置正常使用環(huán)境及氣象條件

1、海拔高度不超過2000米；

2、環(huán)境溫度：不高于40℃，不低于-25℃，室內使用且通風良好；

3、地震烈度：7度；垂直傾斜度為5%；

4、空氣最大相對濕度不超過90%；

5、設備運行地點無導電塵埃,沒有腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體及導電介質；

6、交流電網(wǎng)電壓波形為正弦波,電網(wǎng)電壓波動范圍不超過額定值的±5%,頻率50Hz±0.5Hz,波動不超過±8%；

7、冷卻水的水質要求: 送入整流柜的冷卻水為軟水,其水質要求如下:

硬度不超過德國度6度；電阻率不小于150*10³Ω.cm；PH值6~9；不溶解的沉淀物不超過0.02mg/L；進水口水溫<30℃；進水口壓力≥0.2Mpa；

二、命名規(guī)則

三、裝置的設計依標準及規(guī)范

1、說明：以下標準適用于整流裝置及其附屬設備的設計、制造、裝配、運行、實驗。我公司保證提供的產(chǎn)品是符合技術協(xié)議和工業(yè)標準的優(yōu)質產(chǎn)品。

GB/T18494.1-2001《工業(yè)用變流變壓器》

GB3859.3-93《半導體變流器、變壓器和電抗器》

GB3859.1-93《半導體電力變流器基本要求的規(guī)定》

GB/T 3859.2-93《半導體變流器應用導則》

GB/T 3859.2-93 《半導體電力變壓器應用導則》

其他適用相關的國家標準和行業(yè)標準，如標準有沖突時按高等級標準執(zhí)行。

2、質量保證措施：提供質量保證體系文件或質量手冊供發(fā)包單位審查。

3、制造工藝：按行業(yè)最新工藝標準進行設備制造，提供完成檢查的記錄報告。所有部件均有互換性和便于維修。

4、銘牌:每個主要設備和輔助設備裝有永久銘牌，銘牌上的數(shù)據(jù)和符號易讀并長久保存。

5、安裝地點：本設備安裝運行于：遠大可建科技有限公司。

6、用途：釬焊爐電加熱。

★本裝置的參數(shù)及技術指標（以10000A為例）

一、高頻開關電源技術性能指標

二、單元盒的的結構布局

1、單元盒為抽屜式結構；根據(jù)總功率由N+1個尺寸完全相同的單元盒組成。

2、抽屜結構：單元盒柜體為框架式結構，分為前后部分，前部分為全封閉式，盒體后部分為敞開式框架式。

3、前部分主要安裝控制板和驅動板和IGBT和整流橋，設有前門可開啟，便于設備維護，框架采用異型材焊接而成，零部件安裝位置合理，并充分考慮元器件設備運行時檢測及維護、更換的方便?？刂撇糠值乃薪泳€部分采用插頭器件，且控制板安裝于前盒底部的絕緣接頭上，盒體前門面板設置有電流儀表和工作和各種故障燈。

3、單元盒中間隔板由環(huán)氧玻璃布板型材和水冷母排散熱器組成，水冷母排散熱器前面安裝三相全橋整流模塊和IGBT模塊，后面安裝肖特基整流模塊。所有元器件模塊合理安裝在水冷母排散熱器的水道上，以便于元器件產(chǎn)生的溫度由冷卻水帶走。

4、水冷母排散熱器采用平板四孔母鋁板，四孔經(jīng)過處理變?yōu)橐粭l循環(huán)的水路，提高了冷卻效率。水冷母排散熱器接觸面均經(jīng)銑削加工。并進行表面陽極導電氧化處理，以增加導電及防腐能力。安裝在盒體的前后隔板上，由環(huán)氧玻璃布板型材作絕緣件隔開。

5、盒體后部分為敞開式框架式，便于安裝高頻變壓器、電抗器和水路水管。后部采用敞開式框架式主要是便于高頻變壓器、電抗器和水路水管的更換和散熱。

6、盒體內部冷卻水路接頭全部采用304材質不銹鋼套件接頭，保證了接頭處不會發(fā)生腐蝕、滲漏、脫落等情況的發(fā)生；水管采用國內品牌鋁塑管，保證了管子不會受溫度的影響彎曲、變形、膨脹。

三、單元盒的電氣性能

1、每個單元盒功率設計為45-50KW，輸入端AC-DC部分整流橋、逆變部分IGBT、輸出端AC-DC的肖特基管的選型根據(jù)電流裕度>2倍，電壓裕度>3原則選用。

2、控制電路由我公司最新研發(fā)的XTDZ-KZ-2主板和三菱的IGBT控制芯片組成的驅動電路組成，具有缺相、過電壓、低電壓、過流等保護。

3、水冷母排散熱器兩端設有兩個溫控開關，一旦在缺水和元件溫度過高的情況下，控制電路馬上關斷，并發(fā)出聲光報警信號；當溫度自然降到溫控溫度以下，控制電路又自動恢復運行。

4、一次進線端設有電容、電抗器峰值電壓吸收裝置；逆變輸出端設抑制電抗器；直流輸出端也設有平波電抗器。以保證設備運行時的動態(tài)穩(wěn)定性，提高了設備的穩(wěn)定可靠性。

5、高頻變壓器是我公司采用最新納米非晶材料，具有冷卻性佳、阻抗低，適宜工業(yè)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點的新型高頻大功率變壓器。

四、遠程通訊

1、提供RS485接口，并提供標準的Modbus-RTU通訊協(xié)議。開機后自動與PLC通訊，中途無須關電源復位或手工復位。

2、遠程啟動、停止電熱柜。遠程恒流/恒壓切換、電流/電壓連續(xù)調節(jié)、延時軟啟停功能（時間可設定，最大設定時間30min）、可接收遠程通訊數(shù)據(jù)自動調節(jié)輸出功率大小。

3、可通過4-20mA模擬輸入接口連續(xù)調節(jié)電流/電壓。

4、可通過外部開關量輸入控制：整機啟停、恒流/恒壓切換。

5、遠程通訊采集的數(shù)據(jù)包括：運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、過熱狀態(tài)、控制狀態(tài)、三相輸入電流、三相輸入電壓、輸入功率、功率因素、輸出電流、輸出電壓、輸出功率、柜內溫度、缺水故障、水壓故障、模塊故障、輸入故障狀態(tài)（過壓、欠壓、缺相、過流、過載）、輸出故障狀態(tài)（過壓過流、過熱、短路、過載）等。

6、整機的本地顯示控制采用觸摸顯示屏。

7、顯示功能包括：運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、過熱狀態(tài)、控制狀態(tài)、三相輸入電流、三相輸入電壓、總輸入功率、功率因素、輸出電流、輸出電壓、輸出功率、柜內溫度、缺水故障、水壓故障、模塊故障、諧波裝置補償電流、諧波裝置運行狀態(tài)、諧波裝置故障狀態(tài)、諧波裝置控制狀態(tài)、諧波裝置在供電或斷電情況下至少保存30條故障記錄。

五、保護方式

1、電源輸入過壓保護、欠壓保護、缺相保護、過流保護。

2、直流輸出過壓保護、過流保護、過熱保護、短路保護、過載保護

3、水故障保護、模塊故障保護、過熱保護、主控板故障保護。

4、可承受負載短路沖擊，在短路消除后可重新啟動。

六、主要元器件的選擇

IGBT選用德國原裝英飛凌品牌的，

快速肖特基整流管采用臺灣AN的，

流量繼電器采用許繼的，

水冷304不銹鋼接頭為本公司開模專用定制的；

七、開關電源柜整體結構設計特點

1、高效節(jié)能：電源效率可達92%以上；功率因數(shù)高。電能轉換及工藝過程節(jié)能效果比傳統(tǒng)可控硅設備節(jié)能約10-15%；