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通信整流器的性能要求及技术规范

2/14/2005来源:通信电源人气:13744

通信整流器的性能要求及技术规范 摘要 本文叙述了通信用整流器的性能要求,包括稳压精度、温度一电压补偿、充电限流、并联 运行、电磁、兼容等内容。 关键词 通信电源 整流器 技术规范 1 概述 通信整流器是通信电源中的一个重要组成部分。对于其性能要求,则由其在通信电源中的位 置 来决定。通信电源指对通信设备(主机)供电的电源。为了叙述方面,对通信电源先作一简单介 绍。 根据通信设备输入端对供电的要求是交流还是直流的不同,通信电源系统也分为交流供电电 源 系统和直流供电电源系统,如图1所示。其中直流供电电源系统由变电站(市电)、备用发电机 组、 直流不间断电源设备组成,交流供电电源系统由变电站、备用发电机组、交流不间断电源设备组 成。 由图1可见,不论是交流不间断供电系统还是直流不间断供电系统都是以交流市电或备用发电 机 组作为电源,再变换为不间断的交流或直流电源去供给通信设备。而通信设备内部电路需要的多种 电压等级的直流电源,再通过DC/DC变换器或AC/DC整流器来获得。因此从功能及转换层次来看又 可 将整个电源系统划分为三级。国外将交流市电和备用发电机组部分你为第一级电源(PRimary Power SuPPly),这一级是保证提供能源,但不保证不间断。而上述交流不间断电源设备和直流不间断 电 源设备则称为第二级电源(Secondary Power Supply),它保证通信供电的不间断。此外,通信 设 备内部电路需要的多种直流电压通过DC/DC变换器或AC/DC整流器来获取,这一级电源称为第三级 电 源(Tertiary Power Supply),它常为插板电源或板上电源顺便说一下,板上电源(Power on Board) 我国习惯常称为模块电源。对第三级电源则称为机架电源,而第二级电源称为基础电源。但实际上 第一级电源又是第二级电源的基础。把第二级电源称为基础电源,则第一级电源只能称之为交流电 源系统,但这样一来又将和直流供电系统相对应的交流供电系统发生混淆。虽然说名词称谓是约定 俗成,但也应有它们的明确定义和讲究其科学性,且最好和国际上的称谓相一致。综上所述将通信 电源系统分为交流不间断电源系统和直流不间断电源系统两大部分,并根据能量转换层次分为三级 是比较合理的。欧洲通信标准委员会已根据上述三级电源的组成,在1995年制订了第二级电源和 含 第三级电源的主机设备的联接界面上的技术要求的标准。它分为A、B两部分:A部分是交流供电系 统 的,B部分是直流供电系统的。 虽然在直流供电系统和交流供电系统的第二级以及交流供电系统的第三级电源中都有整流 器, 但要求不尽相同,例如交流供电系统第二级电源中的整流器并不直接连接通信设备,敌对整流器的 输出杂音要求可较低。而第三级电源中的整流器因无电池并联,故动态要求相对较高。本文将主要 对第二级电源直流不间断电源设备中的整流器模块的性能要求和技术规范作一些阐述。至于由多个 整流模块(Rectifier Modules)组成的整流器列架电源(Rack Power)也会和模块要求有些不 同, 下面在相关指标阐述时会顺便提及。 首先第二级电源与第一级电源、第三级电源各形成一个界面,故整流器应满足二个界面的相 关 规范要求。再则要作为不间断电源,整流器必须与蓄电池相连,故整流器还应满足蓄电池性能及电 池管理的要求。此外,整流器还应满足自身运行的一些要求。 2 直流输出电压及其调节范围 整流器的作用是将交流转换成直流对电池充电并对并联在一起的通信负载进行供电,其直流 输 出电压主要应满足电池浮充、均充、初充和放电后再充电的需要。每只电池有关电压值如表1所 示。 防酸隔爆电池初充最高电压我国目前按低压恒压充电法推荐值为 2.4O V,但国外(如印度等 国)也有的采用 2.7O V。综合表1可知,整流器输出电压范围为 2.O~2.4O V,对标称值为48V 的 系统,电压范围为48.00~57.60 V。如考虑到为便于利用输出电压检验欠压,过压告警点,则范 围 宜再放宽到43~59V。 3 静态稳压精度 稳压精度是指在输入交流电压和负载电流这两个扰动因素变化时,在浮充和均充电压范围内 (非全部输出电压范围),输出电压偏差的百分数。整流器的稳压精度也是针对电池的要求来定 的,因为稳压精度低,无异于浮充电压设置值的不准确。如在2O℃时电池要求浮充电压2.25 V, 如整流器稳压精度为±1%,电压就要变化22 mV左右,即浮充电压将低至2.23 V,高至2.27 V; ±22 mV的变化,也意味着温度变化±7℃时补偿电压作用的抵消。浮充电压的设置不当或温度补 偿作用的削弱,都会对阀控电池的漏电流有影响,甚至在极端情况也可能造成电池的热失控。故 稳压精度宜优于1%。 4 浮充工作时的温度电压补偿 由于阀控电池漏电流对温度的敏感性,常用温度补偿的办法来抑制漏电流的恶性增长。即当 温度升高时采用降低浮充电压的办法来平衡漏电流的增加。温度补偿的电压值通常为温度每升高 /降低1℃,电压降低/升高3mV(每只电池),即在一定温度区间电压一温度关系是用一条斜线补 偿的,但也有采用阶梯形曲线的。 5 整流器输出限流和电池充电限流 整流器输出限流和电池充电限流是两个独立的限流功能。整流器的输出限流是对整流器的保 护,而电池充电限流是对电池的保护,过去整流器往往只有本身输出限流,但这样对充电自动管 理很不方便。如整流器具有接受外来信号作输出电压微调的功能,则充电限流及浮充电压的温度 补偿就是轻而易举的事了。充电限流的调整范围一般按电池要求为0.1℃到O.15℃之间。 6 输出端杂音电压 整流器的输出电压中除了直流成份外还存在着一定分量的交流成份,这是我们所不希望有 的, 故称之为杂音电压或噪声电压。它们对通话质量或电子电路的工作有一定影响。我们可以认为输 出端含有交流分量的复杂波形是由一系列不同频率、不同幅度和相位的交流正弦所组成。但衡量 这些杂音电压的影响,通常采用衡重杂音、峰峰杂音、宽频杂音、窄频杂音和离散杂音来表示。 表2是摘自S12蓝皮书(这是S124O交换机要求也是YD/T731的目前规范)及欧洲通信标准委员会 ETS30O132标准的有关杂音的要求。 说明三点,第一,加权杂音即衡重杂音,主要衡量对通话话音质量的影响,人耳对2OHz~5k Hz范围内的声音敏感性是不同的,如人耳对8OO Hz和 5O Hz的敏感差异为137O倍左右。衡重杂音 电压是通过衡重网络(Weighting Network)后测得的值。衡重网络目前大都采用CCITT推荐的P5 3网络,即现在的ITU-T Recom.P53网络,但美国采用的是C通道网络,它和ITU的略有不同,且 以dBrnc 表示(以1PW为OdB);第二,鉴于输出杂音波形是周期性的,用频域分析得到的频谱是 离散的,故在规定的频宽下,基本上就是窄频杂音电压;第三,系统界面杂音、整流器列架电源 输出杂音和整流器模块输出杂音应该是不同的,但相互间关系以及杂音分配尚待研究。 7 功率限制/恒功率输出特性 整流器的负载电流有电池电流,通信负载中的线性负载电流和恒功率负载电流,一般在电池 放电后再充电时,电压较低,电流总和最大,而平常浮充或均充末期,虽然电压较高,电流均较 小,因此整流器具有功率限制/恒功率输出特性,有利于以较小设计功率满足实际使用需要。对 48 V系统,以最大限流值作为额定电流,以 57 V作为额定电压,以二者的乘积作为额定功率值 比较经济合理。 8 动态响应 整流器输出电压受外界扰动因素干扰后再回到其稳定值,会有一个超调量和调整恢复时间, 考虑到所述整流器带有大容量后备蓄电池,它不同于第三级电源中的整流器要直接供给负载,超 调量和恢复时间对实际使用不会产生大的影响。但对整流器增加这个特性要求,主要是通过对这 项性能的测试间接了解其系统稳定性,是否容易产生振荡等。对其指标要求不宜过于苛求,但对 其调整过程波形,因着眼于稳定性要求,还是以单调调整方式为宜。动态指标的确定与允差带、 电流上升率和电流跃变量三者密切相关。动态响应中的超调量一般为小于±5%,而恢复时间以 5~10ms为宜。但在多台并联运行中,恢复时间要长得多。 9 电磁兼容性(EMC)要求 EMC要求是对当前电子、电气设备的强制性要求,其目的是要在复杂的电磁环境中,各电子 电气设备保持相互兼容,正常工作。EMC的内容分为骚扰(disterbance)——电子设备对外界产 生干扰的影响,抗扰(immunity)——电子设备对外来骚扰的耐受力两个方面。骚扰又分为传导 发射(Conducted Emission)一通过导线产生电磁骚扰和辐射(Radiated Emission)—一通过 空间发射产生电磁骚扰。对于整流器,以前在德国,凡重复频率在10KHz以下的,划归家用电器 标准。10kHz以上的按工、科、医设备标准分类。对于通信用整流器现在已逐步明确,鉴于它是 和信息设备配套使用的,虽不属信息设备,但应按信息设备要求执行。1995年ITU已明确要求按 CISPR22(信息技术设备无线电干扰限值标准)执行。CISPR 22是属IEC的国际标准,除国际标准 外比较有影响的地区标准还有德国的VDEO878和美国的FCC标准。CISPR22在欧洲已等同转化为EN 55O22。对传导骚扰而言,三者主要差异在频率起始点,VDE是10kHZ,EN是15OkHz,FCC是 450kHz。 当然电子要求也不同。对于传导骚扰在整流器的输入端和输出端都应有这项要求,上面输出杂音 要求中,离散杂音要求实际上就是EMC的传导骚扰要求。在骚扰要求中值得一提的是,上述各项标 准要求都有A、B两个等级,作为通信整流器技A级还是B级?从严格要求来讲应执行曲,因为像移 动通信基站有时与民用电子设备相距很近,故直按B级要求。当然也可按不同使用场合来确定等 级。 至于抗扰要求是从对整流器自身安全可靠上着眼的。现IEC和ITU规定了静电、雷电浪涌、脉 冲群、电源电压瞬变跌落等抗扰项目。其中雷击和电压瞬变跌落对整流器的工作影响较大。对于 抗扰性要求,不论从整流器本身,还是从通信电源系统来看都应特别注意严格执行相关标准。 10 输出电压和输入电流的软启动 整流器的输出电压如果没有软启动性能,则开机后陡增的电压对低内阻的电池就要产生大的 冲击电流,这既对电池不利,也影响到输入电流出现冲击。对备用发电机组也是不利的。为减少 多台整流器并联运行时的影响,有时还采取了各台整流器不同延时开通的办法进一步减小对小容 量机组的冲击。一般软启动时间要求3~8s或更长。 11 并联运行 当系统容量大于整流器模块容量时,需采用多模块稳压并联运行方式,这是必要的也是经济 的。如前期容量小时,可安装少量模块,扩容时可方便并联增容。但并联运行必须解决两个问题: ①均流(Load Sharing),这是指各并联运行模块应平均分担负载电流,并且偏差应在±5%以 内; ②选择性过电压( Selec -tive High-Voltage bhutdown),这是指并联工作的模块,如其 中 有一个因故障产生过电压,它必须及时单独退出系统,而其它模块仍能在系统中正常运行。 12 效率 无论是功率器件、电路拓扑和吸收电路的改进以及软开关技术的采用,目的都是为了减少损 耗,提高效率。因为效率的提高不仅意味着节省能源,同时也意味着损耗的减少—一即发热量的 降低,从而促使整流器可靠性或功率密度的提高,目前48V/100A整流器的效率已可达93%~ 94%。 效率的提高始终是整流器设计者的追求目标。 13 功率因数 功率因数或全功率因数应包括位移因数和畸变因数两部分,即全功率因数r=pcos&1。其中位 移因数cos&1是电压与基波电流的相位差余弦u为畸变因数,指电流波形有畸变时基波电流入与基 波及谐波的总有效电流I。之比u和cos& 1均小于1,故r也小于1。对于高频开关整流器而言,功 率因数主要受制于畸变因数。功率因数低意味着无功功率和无功电流的增大,有时常使人误认为 是整流器的效率低。此外,功率因数低,特别是畸变因数低的时候还因谐波电流的增大而影响电 网的质量。为提高功率因数目前采用无源功率因数校正和有源功率因数校正的办法,可分别使功 率因数提高到0.94和0.99以上。 14 电流谐波 当输入电流中含有3次、5次、7次等高次谐波,且其幅度较大时,就将影响电网质量,即会 造成电网电压的畸变,从而影响网上电机及其他电气设备的正常运用。因此对整流器的输入电 流中的谐波必须有所限制。目前IEC1000-3-2及IEC1000-3-4分别对线电流为16A及16A以上的设 备提出了谐波限值的要求,如表3、表4所示。 对于16A以下设备的限值标准IEC100-3-2有两个特点: (1)以各次谐波电流的最大允许值来对设备进行限制。 (2)当多台设备(例如多个模块)装于一个列架时仍视为各台设备分别接入电网考虑。 对于16A以上设备的限值标准IEC1000-3-4与IEC1000-3-2不同之处在于: (1)用谐波系数人In/I1作限值标准。 (2)当多台设备(例如多个模块)装在一个列架中时作为一个整体按限值标准考虑。 15 可靠性 可靠性是任何电子设备都要求的,作为通信整流器更不例外。目前,国内外生产厂家对整流 器可靠性预计的MTBF均在10~1.5*1Oh。值得注意的是以下三个问题:元件失效率的选用,应力 系数的选用,失效判据。此外作为可靠性的基本指标有:平均故障间隔时间(无故障工作时间) MTBF,平均维修时间MTTR,可用度A,不可用度U。由于可用度A与不可用度U之和为1,因此常用 独立参数是MTBF、MTTR、U或见如果可靠性指标只提MTBF一项,对系统可靠性是不便于计算的, 故在三个参数中必须提供2个。另外一个问题是,目前常采用多个模块并联冗余运行,但对于N+ 1冗余要有一个正确认识,N的数字不同,多模块并联冗余运行时的可靠性是不同的,表5示出了 不同冗余情况下的整流器模块MTBF。与多模块并联系统的MTBFs的关系。从表5可见N增大时,系 统MTBFs下降很快。举例来看,假设100A整流模块和50A的整流模块的MTBF。是相等的话,对于一 个 400 A系统可采用 5个100 A模块(4+1)冗余或 9个50A模块(8+1)冗余。其系统MTBFs分 别为O.45MTBF。和0.24MTBF。即使50A采用8+2冗余方式也仅为0.34MTBFR。 限于篇幅,其它要求和保护等从略,偏颇之处,敬请指教。