原创铁路设备用DC-DC模块电源

 2007-2-12 22:27  4929 7 6 分类: 电源/新能源

关于铁路车站电源系统
的解决方案

一、概述：
   电源系统在电信、信号、网络中是非常重要的一部分。电源的故障可导致全局性的瘫痪。而功能性电路的发生故障只是局部受到影响。因此电源系统的可靠性是重要部门、重要行业十分重视的。电源系统的可靠性决定于二个方面：一是电源系统的硬件要可靠、二是容量配置要设计合理。
高可靠的电源系统一般采取 N+1 模块化组合形式，一个系统由N个电源模块组合而成，再加上冗余模块作热备份（或冷备份），单元模块发生故障自动退出，并作声、光报警，热备份模块加入电源系统工作。增加备份模块的数量，系统可靠性还会进一步提高。
电源系统具有电池管理单元：1、可设定均充时间，电池放电后系统自动进入均充。2、电池设有欠压保护，电池放电到一定的电压时自动切断输出。3、定时（90天）自动均充。4、电池充电电流可设定（厂家调整），出厂整定值为0.15C，采用定压恒流方式充电。
电池是高可靠电源系统的重要部分，是电源系统的最后保障。重视电池管理可以减缓电池的衰退，延长电池的使用寿命。
二、方案说明：
方案A

方案B

通过对方案A、B的比较，B方案要简捷，假设每个单元可靠性指标相同，可以明显的看出A方案比B方案多出二个单元，只单从可靠性计算公式可以证明A方案可靠性比B要低50%。
                  1
MTBF= ———————————
       λp1+λp2+λp3+λp4
从配置上来看A方案电池后面的二个DC/AC和AC/DC如任一个单元出故障。该电源系统就会没有输出。因为没有电池，不存在任何“最后的保障”。因为该配置电池不在用电设备的输入端，因此起不到一个缓冲和保障的作用。
B方案电池位于用电设备的输入端，即使整个电源系统出现故障，电池还可以作为缓冲，在缓冲的时间内，进行紧急措施进行补救，如电信行业常用的发电车、电池车等等。
在B方案中的电源系统采用N+1模块式冗余电源系统，如模块发生，故障模块自动退出，热备份模块自动接入。系统供电正常，监控模块会发出声光报警信号，由维修人员将故障模块换下，换上正常模块系统一切正常。
B方案中有一监控单元，可对电池充、放电进行管理，减缓电池的衰退，延长使用寿命。A方案UPS中电池充电方式较为简单，无电池管理因而对电池的寿命不利。
三、电源系统介绍
1、方框图。

2、系统的容量配置。
系统的总容量应为：设备负载电流+充电电流+冗余。
a、设备功耗2000W，以标称48V供电约合40A。
b、系统充电电流（出厂前设定），电流设定一般为0.1C。如经常停电的地区每天停电2-3次，充电电流的设置应在0.15-0.2C。本系统出厂时整定为0.15C.以用量100AH电池计算，充电电流为15A。
c、冗余：25A。总计电源系统的容量80A。
即：40A（负载电流）+15A（充电电流）+25A（冗余）=80A如系统的可靠性还要进一步提高，那么可以再提高冗余度，如扩容到100A系统或更大，这样可以在有二个模块故障的情况下系统仍可正常工作。
3、电池容量的选择。
电池的标称容量是指在0.05C放电情况下的电池容量。超过0.05C放电时电池的AH数会比标称AH数要低。
见图

由曲线可以看出在0.4C放电时，其电池的容量只有其标称容量的70%-80%，如采用100AH的电池。在40A放电的情况下其AH数也就只能达到70-80AH。电池的欠压保护一般定为43.2V。即标称电压48V的-10%，查各厂家电池技术手册的标示，43.2V时电池仍有10-20%的容量。
考虑电池在使用时还要逐年退化，因此选择标称100AH电池，可利用容量也就只有其标称容量的50-60%，如以2000W（40A）使用可以放电1小时以上。如在电池供电时再关掉一些非重要的设备。电池的放电时间还可以延长很长时间（电信系统称为二次下电）。
电池的充放电控制。
电池的充放电控制是电源系统中很重要的一环，在整个系统中电池是最后的保障。当电源系统出现故障时，只要电池是好的，就不会对全局有任何影响，或是将影响降低到最低程度。因此一些重要行业、重要部门均对电池极为重视。因此对电池怎样来管理是电源系统中的一个重要内容。
电池一般在出厂时，均是带荷的，并且均经过三充二放，我们可以认为真是100%容量，但经过放电后就需要进行充电，用什么电压充、充多长时间、充满以后怎样维持，对于电池来讲是至关重要的。普通UPS的充电器是一个非常简易的，对电池寿命是有影响的。本电源系统的充电电压如下：
电池的技术手册上一般有如下几种电压。
1、均充电压：即经过放电再次进充电的电压，一般电池厂家提供的均充电压为2.35/节。48V电池组为24节56.4V，在电源系统出厂前均充电压配置为56.4V。
2、浮充电压：即电池充满以后用来维持其正常消耗的电压，一般电池浮充电压为2.23—2.25V/节，折合48V电池组即53.5—54V。在出厂时电源系统将浮充电压配置为54V。
在电源系统出厂时也就将二个电压固定在均充56.4V、浮充54V。所以如确实需要调整由厂家来完成。
放电后系统自动进行均充，均充电时间1-9小时可任意设定。
电池每半年要进行一次维护，方法是将电池放电至43.2V或更低，再用均充电压充满。这样可以长期保持电池容量。在放电过程中测量一下电池的端电压。每一节不应相差太大，如有端电压过低及时更换，更换电池一般要整组更换。避免新旧电池混用因内阻不同影响放电时间。

四：电源系统的电路特点及结构
1、电路特点。
a 、本系统采用的是N+1模块组合式电源系统。单元模块输出电流20A，由四个模块组合成80A电源系统。
单元模块主变换电路采用移相全桥软开关ZVS工作方式。
电路的基本工作方式为：

b 输入采用PFC控制将输入电流输入电压。功率因数0.99以上。

C 采用无主均流，负载电流由所有模块均分。
为了保证系统中每一个模块都能承担相同的负载电流，在电源系统采用了“无主均流”，即所有模块跟随电流领先模块，随负载变化“领先”模块的角色是随机产生的，因为此种均流形式叫做“无主均流”。

所有模块均有均流端子，将均流端子连起来，即可实现无主均流，
d 模块为进一步提高可靠性，设计上采用冗余风机，散热片达到予置温度后启动风机。由于是冗余风机, 风机只是在环境温度高时运转，风机的寿命不会影响系统的可靠性。
结构上采用19英寸标准插箱， 4U高度。见下图：

         1——4 整流模块
5．监控模块

电池柜示意图：
    电池可由用户指定，厂家配置。也可由用户自行配置。

五：关于可靠性
   可靠性MTBF全称为“平均无故障间隔时间”有二种计算方法。
1、大量长时间试验，做失效统计后求得。
2、据MIL-HDBK-217F（美军标）标准,国军标GJB-299等效采用中规定的计算方法。经过大量的计算后求出MTBF的数值。
生产厂家均采用后一种方法来求得MTBF的值。
      MTBF值与下面几项条件有关:
①、工作环境。
②、环境温度。
③、元器件数量。
④、元器件等级。
⑤、元器件冗余度。
其中①、②项与用户使用有关。我们在计算时工作环境取“一般地面环境” ，环境温度取25℃。
③-⑤项由厂家来掌握，电路尽量简捷，采用高等级元器件，设计上依据国军标GJB/T35，采用冗余，降额计算方法。生产上加强质量控制，出厂前进行48H高温老化将元器件的早期失效排除。
元器件的失效曲线

元器件的早期失效在工厂里通过老化就可以排除。偶然失效是一个非常漫长的过程。尤其是半导体器件几乎是半永久性的。元器件的偶然失效的客观存在，要厂家必保若干年不能出故障是不现实的。
根据现代质量管理的理论一个产品的品质由以下几部分来决定：
1、产品设计    70%
2、生产过程    20%
3、客户使用    10%
     在产品设计上精益求精，这是产品质量的关键保证。生产过程严格控制，加上完善的现场维护系统的可靠性应是非常高的。

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