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直流电源基础知识解析

  直流电源,是维持电路中形成稳恒电压电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。

  直流电源有正、负两个电极,正极的电位高,负极的电位低,当两个电极与电路连通后,能够使电路两端之间维持恒定的电位差,从而在外电路中形成由正极到负极的电流。直流电源是一种能量转换装置,它把其他形式的能量转换为电能供给电路,以维持电流的稳恒流动。

  单靠水位高低之差不能维持稳恒的水流,而借助于水泵持续地把水由低处送往高处就能维持一定的水位差而形成稳恒的水流。与此类似,单靠电荷所产生的静电场不能维持稳恒的电流,而借助于直流电源,就可以利用非静电作用(简称为“非静电力”)使正电荷由电位较低的负极处经电源内部返回到电位较高的正极处,以维持两个电极之间的电位差,从而形成稳恒的电流。

  直流电源中的非静电力是由负极指向正极的。当直流电源与外电路接通后,在电源外部(外电路),由于电场力的推动,形成由正极到负极的电流。而在电源内部(内电路),非静电力的作用则使电流由负极流到正极,从而使电荷的流动形成闭合的循环。

  表现电源本身的一个重要特征量是电源的电动势,它等于单位正电荷从负极通过电源内部移到正极时非静电力所作的功。

  当电源的内电阻可以忽略不计时,可以认为电源的电动势在量值上近似地等于电源两极间的电位差或电压。

  为了取得较高的直流电压,常将直流电源串联使用,这时总电动势为各电源的电动势之和,总内阻也为各电源内电阻之和。由于内阻增大,一般只能用于所需电流强度较小的电路。为了取得较大的电流强度,可以将等电动势的直流电源并联使用,这时总电动势即为单个电源的电动势,总内阻为各电源内电阻的并联值。

  直流电源的类型很多,不同类型的直流电源中,非静电力的性质不同,能量转换的过程也不同。在化学电池(例如干电池、蓄电池等)中,非静电力是与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用,化学电池放电时,化学能转化为电能和焦耳热在温差电源(例如金属温差电偶、半导体温差电偶)中,非静电力是与温度差和电子的浓度差相联系的扩散作用,温差电源向外电路提供功率时,热能部分地转化为电能。在直流发电机中,非静电力是电磁感应作用,直流发电机供电时,机械能转化为电能与焦耳热。在光电池中,非静电力是光生伏打效应的作用,光电池供电时,光能转化为电能和焦耳热。

  直流电源的技术指标分为两种:一种是特性指标,包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等;另一种是质量指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、纹波电压(周围与随机漂移)。

  1) 稳压系数及电压调整率:稳压系数是指在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。 电压调整率是指输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量,稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可。

  2) 输出电阻及电流调整率:输出电阻与放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值。电流调整率:输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可。

  3)纹波电压:叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值,但因纹波不是正弦波,所以有一定的误差。

  航天事业担负着特殊的国家使命。航天通信系统具有专用性和保密性特点,特别是较高的时效性要求。通信电源的可靠性是航天通信部门首要考虑的问题,是通信系统安全运行的重要保证。当前,航天系统各通信局(站)普遍采用UPS系统作为IT设备的主用电源,它克服了因市电中断而导致的系统中断。但是,UPS自身、甚至并机冗余系统的故障导致网络通信事故也时有发生,已产生较大的社会影响和相当的经济损失。

  240V高压直流供电系统(HVDC)作为一项简单、可靠的技术,减少了电力转换环节,提高了供电可靠性和效率,受到了业界的广泛关注。航天通信部门应积极跟踪电源科技的发展变化,关注应用实践中的探索成果,将新技术转换为新应用,提升航天通信系统的可靠性水平。

  240V高压直流供电系统有着技术成熟、可靠性高、维护操作简易、转换效率高、在线扩容简单等优点,通信业界一直在探讨采用高压直流系统来代替UPS系统。

  240V高压直流供电系统具有明显技术优势和价格优势,且能在沿用现有的IT设备的前提下推广使用,因此得到了各级部门的广泛重视和支持。

  原理、架构与传统通信局(站)的?48V直流供电系统完全相同,而后者的可用性及可靠性均得到数十年运行的检验。因此,该系统易于维护,对厂商的依赖度降低;负载率高且易于扩容;运行效率高;直流母排是电池组、整流器、负载的共同汇结点,系统可靠性高。

  由图中可以看出,电池组经熔断器与整流模块输出端在总输出屏构成输出母排,系统两路输出(A路和B路),通过列头柜配电,来满足双电源服务器的需求,而单电源服务器仅使用A路或B路。

  系统采用2根电缆(正、负极)、以悬浮方式由电源端向设备端供电;全系统机架外壳与楼层等电位体进行电气连接。

  根据中国电信江苏盐城分公司统计数据,相对于新建UPS系统,采用240V高压直流供电系统可平均节省投资超过40%,整个生命周期内平均节省电力20%~30%

  随着电源技术的进步,IT设备的电源模块早已采用高频开关电源。这样,240V高压直流系统供电成为可能。

  由图中可以看出,在传统的工作环境下,AB间Ui为标称的220V交流电;全桥整流后CD间Uo将获得198~308V的直流电(视负载率大小和有无PFC—功率因数校正电路)。

  市电电压波动将引起整流电压的波动。根据GB/T 12325—2003《电能质量供电电压允许偏差》的规定,电压偏差为标称电压的?10%、+7%,即198~235.4V,对应的整流电压Uo为178.2~329.6V。可见,IT设备CD间工作电压的范围是较宽的。

  当IT设备直接采用直流供电,如A端+、B端-,Ui为DC270V(浮充电压)时,将使得二极管2、4长期导通,另两只1、3长期截止。二极管2、4等效为导体,CD间Uo约为270V的直流电。结论是:IT设备在AC220V或DC270V条件下完全等效工作。

  YD/T 2378—2011《通信用240V直流供电系统》要求,系统应采用铅酸蓄电池组、并且应具有电池管理能力。铅酸蓄电池的特性决定了电池组的电压范围,而是否在IT设备的承受范围内是可用性研究的关键因素。现以国内某品牌电池为例,分析各种状态下的输出电压。

  1)浮充状态。YD/T 2378—2011《通信用240V直流供电系统》要求,240V高压直流电源的输出电压范围是204~288V,全程允许最大压降为12V,即IT设备的电压承受范围是192~288V。常态下,该品牌240V蓄电池组的浮充电压为270V,满足IT设备的电压要求。

  2)放电状态。当遭遇长时间停电而又无后备手段时,蓄电池组放电的终止(保护)电压为222V,高于IT设备工作电压下限(204V)的要求。当然,现代通信局(站)应(都)具有后备电源和快速接续的能力。

  3)均充状态。该品牌240V蓄电池组的均充电压为282V,低于IT设备工作电压上限(288V)的要求。

  由以上的参数分析可以得出结论:240V高压直流供电系统各种状态下的输出电压均可满足IT设备的工作需要,且有一定的安全裕度。

  我国相继发布了YDB 037—2009《通信用240V直流供电系统技术要求》、YD/T 2378—2011《通信用240V直流供电系统》、YD/T 2555—2013《通信用240V直流供电系统配电设备》、YD/T 2556—2013《通信用240V直流供电系统应用维护技术要求》、YD 5210—2014《240V直流供电系统工程技术规范》等系统性标准,为推广240V高压直流供电系统应用、逐步替代UPS电源系统奠定了扎实的基础。


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