通信整流器的性能要求及技術規范

2019-11-03 09:52:38

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通信整流器的性能要求及技術規范摘要本文敘述了通信用整流器的性能要求，包括穩壓精度、溫度一電壓補償、充電限流、并聯運行、電磁、兼容等內容。關鍵詞通信電源整流器技術規范1 概述通信整流器是通信電源中的一個重要組成部分。對于其性能要求，則由其在通信電源中的位置來決定。通信電源指對通信設備（主機）供電的電源。為了敘述方面，對通信電源先作一簡單介紹。根據通信設備輸入端對供電的要求是交流還是直流的不同，通信電源系統也分為交流供電電源系統和直流供電電源系統，如圖1所示。其中直流供電電源系統由變電站（市電）、備用發電機組、直流不間斷電源設備組成，交流供電電源系統由變電站、備用發電機組、交流不間斷電源設備組成。由圖1可見，不論是交流不間斷供電系統還是直流不間斷供電系統都是以交流市電或備用發電機組作為電源，再變換為不間斷的交流或直流電源去供給通信設備。而通信設備內部電路需要的多種電壓等級的直流電源，再通過DC/DC變換器或AC/DC整流器來獲得。因此從功能及轉換層次來看又可將整個電源系統劃分為三級。國外將交流市電和備用發電機組部分你為第一級電源（PRimary Power SuPPly），這一級是保證提供能源，但不保證不間斷。而上述交流不間斷電源設備和直流不間斷電源設備則稱為第二級電源（Secondary Power Supply），它保證通信供電的不間斷。此外，通信設備內部電路需要的多種直流電壓通過DC/DC變換器或AC/DC整流器來獲取，這一級電源稱為第三級電源（Tertiary Power Supply），它常為插板電源或板上電源順便說一下，板上電源（Power on Board）我國習慣常稱為模塊電源。對第三級電源則稱為機架電源，而第二級電源稱為基礎電源。但實際上第一級電源又是第二級電源的基礎。把第二級電源稱為基礎電源，則第一級電源只能稱之為交流電源系統，但這樣一來又將和直流供電系統相對應的交流供電系統發生混淆。雖然說名詞稱謂是約定俗成，但也應有它們的明確定義和講究其科學性，且最好和國際上的稱謂相一致。綜上所述將通信電源系統分為交流不間斷電源系統和直流不間斷電源系統兩大部分，并根據能量轉換層次分為三級是比較合理的。歐洲通信標準委員會已根據上述三級電源的組成，在1995年制訂了第二級電源和含第三級電源的主機設備的聯接界面上的技術要求的標準。它分為A、B兩部分：A部分是交流供電系統的，B部分是直流供電系統的。雖然在直流供電系統和交流供電系統的第二級以及交流供電系統的第三級電源中都有整流器，但要求不盡相同，例如交流供電系統第二級電源中的整流器并不直接連接通信設備，敵對整流器的輸出雜音要求可較低。而第三級電源中的整流器因無電池并聯，故動態要求相對較高。本文將主要對第二級電源直流不間斷電源設備中的整流器模塊的性能要求和技術規范作一些闡述。至于由多個整流模塊（Rectifier Modules）組成的整流器列架電源（Rack Power）也會和模塊要求有些不同，下面在相關指標闡述時會順便提及。首先第二級電源與第一級電源、第三級電源各形成一個界面，故整流器應滿足二個界面的相關規范要求。再則要作為不間斷電源，整流器必須與蓄電池相連，故整流器還應滿足蓄電池性能及電池管理的要求。此外，整流器還應滿足自身運行的一些要求。2 直流輸出電壓及其調節范圍整流器的作用是將交流轉換成直流對電池充電并對并聯在一起的通信負載進行供電，其直流輸出電壓主要應滿足電池浮充、均充、初充和放電后再充電的需要。每只電池有關電壓值如表1所示。防酸隔爆電池初充最高電壓我國目前按低壓恒壓充電法推薦值為 2.4O V，但國外（如印度等國）也有的采用 2.7O V。綜合表1可知，整流器輸出電壓范圍為 2.O～2.4O V，對標稱值為48V的系統，電壓范圍為48.00～57.60 V。如考慮到為便于利用輸出電壓檢驗欠壓，過壓告警點，則范圍宜再放寬到43～59V。3 靜態穩壓精度穩壓精度是指在輸入交流電壓和負載電流這兩個擾動因素變化時，在浮充和均充電壓范圍內（非全部輸出電壓范圍），輸出電壓偏差的百分數。整流器的穩壓精度也是針對電池的要求來定的，因為穩壓精度低，無異于浮充電壓設置值的不準確。如在2O℃時電池要求浮充電壓2.25 V，如整流器穩壓精度為±1％，電壓就要變化22 mV左右，即浮充電壓將低至2．23 V，高至2.27 V；±22 mV的變化，也意味著溫度變化±7℃時補償電壓作用的抵消。浮充電壓的設置不當或溫度補償作用的削弱，都會對閥控電池的漏電流有影響，甚至在極端情況也可能造成電池的熱失控。故穩壓精度宜優于1％。4 浮充工作時的溫度電壓補償由于閥控電池漏電流對溫度的敏感性，常用溫度補償的辦法來抑制漏電流的惡性增長。即當溫度升高時采用降低浮充電壓的辦法來平衡漏電流的增加。溫度補償的電壓值通常為溫度每升高/降低1℃，電壓降低/升高3mV（每只電池），即在一定溫度區間電壓一溫度關系是用一條斜線補償的，但也有采用階梯形曲線的。5 整流器輸出限流和電池充電限流整流器輸出限流和電池充電限流是兩個獨立的限流功能。整流器的輸出限流是對整流器的保護，而電池充電限流是對電池的保護，過去整流器往往只有本身輸出限流，但這樣對充電自動管理很不方便。如整流器具有接受外來信號作輸出電壓微調的功能，則充電限流及浮充電壓的溫度補償就是輕而易舉的事了。充電限流的調整范圍一般按電池要求為0.1℃到O.15℃之間。6 輸出端雜音電壓整流器的輸出電壓中除了直流成份外還存在著一定分量的交流成份，這是我們所不希望有的，故稱之為雜音電壓或噪聲電壓。它們對通話質量或電子電路的工作有一定影響。我們可以認為輸出端含有交流分量的復雜波形是由一系列不同頻率、不同幅度和相位的交流正弦所組成。但衡量這些雜音電壓的影響，通常采用衡重雜音、峰峰雜音、寬頻雜音、窄頻雜音和離散雜音來表示。表2是摘自S12藍皮書（這是S124O交換機要求也是YD/T731的目前規范）及歐洲通信標準委員會ETS30O132標準的有關雜音的要求。說明三點，第一，加權雜音即衡重雜音，主要衡量對通話話音質量的影響，人耳對2OHz～5kHz范圍內的聲音敏感性是不同的，如人耳對8OO Hz和 5O Hz的敏感差異為137O倍左右。衡重雜音電壓是通過衡重網絡（Weighting Network）后測得的值。衡重網絡目前大都采用CCITT推薦的P53網絡，即現在的ITU－T Recom．P53網絡，但美國采用的是C通道網絡，它和ITU的略有不同，且以dBrnc 表示（以1PW為OdB）；第二，鑒于輸出雜音波形是周期性的，用頻域分析得到的頻譜是離散的，故在規定的頻寬下，基本上就是窄頻雜音電壓；第三，系統界面雜音、整流器列架電源輸出雜音和整流器模塊輸出雜音應該是不同的，但相互間關系以及雜音分配尚待研究。7 功率限制/恒功率輸出特性整流器的負載電流有電池電流，通信負載中的線性負載電流和恒功率負載電流，一般在電池放電后再充電時，電壓較低，電流總和最大，而平常浮充或均充末期，雖然電壓較高，電流均較小，因此整流器具有功率限制/恒功率輸出特性，有利于以較小設計功率滿足實際使用需要。對48 V系統，以最大限流值作為額定電流，以 57 V作為額定電壓，以二者的乘積作為額定功率值比較經濟合理。8 動態響應整流器輸出電壓受外界擾動因素干擾后再回到其穩定值，會有一個超調量和調整恢復時間，考慮到所述整流器帶有大容量后備蓄電池，它不同于第三級電源中的整流器要直接供給負載，超調量和恢復時間對實際使用不會產生大的影響。但對整流器增加這個特性要求，主要是通過對這項性能的測試間接了解其系統穩定性，是否容易產生振蕩等。對其指標要求不宜過于苛求，但對其調整過程波形，因著眼于穩定性要求，還是以單調調整方式為宜。動態指標的確定與允差帶、電流上升率和電流躍變量三者密切相關。動態響應中的超調量一般為小于±5％，而恢復時間以5～10ms為宜。但在多臺并聯運行中，恢復時間要長得多。9 電磁兼容性（EMC）要求 EMC要求是對當前電子、電氣設備的強制性要求，其目的是要在復雜的電磁環境中，各電子電氣設備保持相互兼容，正常工作。EMC的內容分為騷擾（disterbance）——電子設備對外界產生干擾的影響，抗擾（immunity）——電子設備對外來騷擾的耐受力兩個方面。騷擾又分為傳導發射（Conducted Emission）一通過導線產生電磁騷擾和輻射（Radiated Emission）—一通過空間發射產生電磁騷擾。對于整流器，以前在德國，凡重復頻率在10KHz以下的，劃歸家用電器標準。10kHz以上的按工、科、醫設備標準分類。對于通信用整流器現在已逐步明確，鑒于它是和信息設備配套使用的，雖不屬信息設備，但應按信息設備要求執行。1995年ITU已明確要求按CISPR22（信息技術設備無線電干擾限值標準）執行。CISPR 22是屬IEC的國際標準，除國際標準外比較有影響的地區標準還有德國的VDEO878和美國的FCC標準。CISPR22在歐洲已等同轉化為EN55O22。對傳導騷擾而言，三者主要差異在頻率起始點，VDE是10kHZ，EN是15OkHz，FCC是450kHz。當然電子要求也不同。對于傳導騷擾在整流器的輸入端和輸出端都應有這項要求，上面輸出雜音要求中，離散雜音要求實際上就是EMC的傳導騷擾要求。在騷擾要求中值得一提的是，上述各項標準要求都有A、B兩個等級，作為通信整流器技A級還是B級？從嚴格要求來講應執行曲，因為像移動通信基站有時與民用電子設備相距很近，故直按B級要求。當然也可按不同使用場合來確定等級。至于抗擾要求是從對整流器自身安全可靠上著眼的。現IEC和ITU規定了靜電、雷電浪涌、脈沖群、電源電壓瞬變跌落等抗擾項目。其中雷擊和電壓瞬變跌落對整流器的工作影響較大。對于抗擾性要求，不論從整流器本身，還是從通信電源系統來看都應特別注意嚴格執行相關標準。10 輸出電壓和輸入電流的軟啟動整流器的輸出電壓如果沒有軟啟動性能，則開機后陡增的電壓對低內阻的電池就要產生大的沖擊電流，這既對電池不利，也影響到輸入電流出現沖擊。對備用發電機組也是不利的。為減少多臺整流器并聯運行時的影響，有時還采取了各臺整流器不同延時開通的辦法進一步減小對小容量機組的沖擊。一般軟啟動時間要求3～8s或更長。11 并聯運行當系統容量大于整流器模塊容量時，需采用多模塊穩壓并聯運行方式，這是必要的也是經濟的。如前期容量小時，可安裝少量模塊，擴容時可方便并聯增容。但并聯運行必須解決兩個問題：①均流（Load Sharing），這是指各并聯運行模塊應平均分擔負載電流，并且偏差應在±5％以內；②選擇性過電壓（ Selec －tive High－Voltage bhutdown），這是指并聯工作的模塊，如其中有一個因故障產生過電壓，它必須及時單獨退出系統，而其它模塊仍能在系統中正常運行。12 效率無論是功率器件、電路拓撲和吸收電路的改進以及軟開關技術的采用，目的都是為了減少損耗，提高效率。因為效率的提高不僅意味著節省能源，同時也意味著損耗的減少—一即發熱量的降低，從而促使整流器可靠性或功率密度的提高，目前48V/100A整流器的效率已可達93％～94％。效率的提高始終是整流器設計者的追求目標。13 功率因數功率因數或全功率因數應包括位移因數和畸變因數兩部分，即全功率因數r=pcos&1。其中位移因數cos&1是電壓與基波電流的相位差余弦u為畸變因數，指電流波形有畸變時基波電流入與基波及諧波的總有效電流I。之比u和cos& 1均小于1，故r也小于1。對于高頻開關整流器而言，功率因數主要受制于畸變因數。功率因數低意味著無功功率和無功電流的增大，有時常使人誤認為是整流器的效率低。此外，功率因數低，特別是畸變因數低的時候還因諧波電流的增大而影響電網的質量。為提高功率因數目前采用無源功率因數校正和有源功率因數校正的辦法，可分別使功率因數提高到0.94和0.99以上。14 電流諧波當輸入電流中含有3次、5次、7次等高次諧波，且其幅度較大時，就將影響電網質量，即會造成電網電壓的畸變，從而影響網上電機及其他電氣設備的正常運用。因此對整流器的輸入電流中的諧波必須有所限制。目前IEC1000-3－2及IEC1000-3-4分別對線電流為16A及16A以上的設備提出了諧波限值的要求，如表3、表4所示。對于16A以下設備的限值標準IEC100-3－2有兩個特點：（1）以各次諧波電流的最大允許值來對設備進行限制。（2）當多臺設備（例如多個模塊）裝于一個列架時仍視為各臺設備分別接入電網考慮。對于16A以上設備的限值標準IEC1000－3－4與IEC1000－3－2不同之處在于：（1）用諧波系數人In/I1作限值標準。（2）當多臺設備（例如多個模塊）裝在一個列架中時作為一個整體按限值標準考慮。15 可靠性可靠性是任何電子設備都要求的，作為通信整流器更不例外。目前，國內外生產廠家對整流器可靠性預計的MTBF均在10～1.5*1Oh。值得注意的是以下三個問題：元件失效率的選用，應力系數的選用，失效判據。此外作為可靠性的基本指標有：平均故障間隔時間（無故障工作時間）MTBF，平均維修時間MTTR，可用度A，不可用度U。由于可用度A與不可用度U之和為1，因此常用獨立參數是MTBF、MTTR、U或見如果可靠性指標只提MTBF一項，對系統可靠性是不便于計算的，故在三個參數中必須提供2個。另外一個問題是，目前常采用多個模塊并聯冗余運行，但對于N＋1冗余要有一個正確認識，N的數字不同，多模塊并聯冗余運行時的可靠性是不同的，表5示出了不同冗余情況下的整流器模塊MTBF。與多模塊并聯系統的MTBFs的關系。從表5可見N增大時，系統MTBFs下降很快。舉例來看，假設100A整流模塊和50A的整流模塊的MTBF。是相等的話，對于一個 400 A系統可采用 5個100 A模塊（4＋1）冗余或 9個50A模塊（8＋1）冗余。其系統MTBFs分別為O.45MTBF。和0.24MTBF。即使50A采用8＋2冗余方式也僅為0.34MTBFR。限于篇幅，其它要求和保護等從略，偏頗之處，敬請指教。

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