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浪涌保護器的跟蹤濾波與供電污染的治理
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http://shiquanmuye.com 發(fā)稿日期:2008-3-10
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及時了解電源質(zhì)量出現(xiàn)的問題和迅速消除電污染就成為了問題的關(guān)鍵所在。日常用的交流電的波形是正弦波,正弦波原本是光滑的,但有瞬流和浪涌出現(xiàn)時,正弦上就會產(chǎn)生毛刺,這些毛刺在經(jīng)過整流器是不會消除,因此會直接影響電子設(shè)備的直流電源和信號波形的變形。這些變形對于敏感的電子設(shè)備,都可能造成運行錯誤和故障。
這就是供電系統(tǒng)的電污染。電力電子瞬態(tài)高壓浪涌實踐證明,瞬態(tài)高壓浪涌會以下述三種形式串入用戶供電系統(tǒng)中:
第一種是產(chǎn)生于配電線路上的雷擊浪涌,主要有打在電網(wǎng)上的直擊雷、感應雷透過感應方式耦合到電力電子設(shè)備的電源線、控制訊號線或通訊線上的雷擊浪涌,其沖擊電流可高達200-300KA以上。
第二種是在用戶的供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的工作浪涌,它是由高壓變壓器的投入或切除、大型電動機及水泵的啟停、電焊機和重載可控硅負載的的運行、補償調(diào)整電容系統(tǒng)的調(diào)節(jié)所形成的浪涌;其電流可高達100KA數(shù)量級,峰值電壓最高達6000V。
第三種是產(chǎn)生于用電系統(tǒng)內(nèi)部末端負載間的瞬態(tài)浪涌,如復印機的運行、激光打印機開啟、繼電器、開關(guān)、電磁閥、變頻調(diào)速器的運行、末端負載過流短路故障用靜電放電等,其峰值電壓可達5000V,沖擊電流幾百安培數(shù)量級。
供電系統(tǒng)的供電污染所造成的危害有:它會對用戶的設(shè)備立即造成災害性不可恢復的直接經(jīng)濟損失,整個系統(tǒng)停頓,如銀行電腦服務(wù)停頓,移動電話通訊中止等間接經(jīng)濟損失;造成用戶設(shè)備中的某些部件被損壞或致使其性能提前老化;電子設(shè)備的線路板及元件燒毀。浪涌電壓達到700-800V數(shù)量級的浪涌過多過頻出現(xiàn),傳輸或存儲的訊號或數(shù)量錯亂或丟失,服務(wù)器或電腦死機。
二、供電系統(tǒng)的污染的治理
針對瞬態(tài)高壓浪涌以上述三種形式串入用戶供電系統(tǒng),采用浪涌保護器治理供電系統(tǒng)的污染是有效方法之一。目前使用的限壓型浪涌保護器有兩種,即包絡(luò)線(或門限)浪涌保護器和帶正弦波跟蹤濾波的浪涌保護器。
現(xiàn)在市場上可以購買的大多數(shù)電源浪涌保護器(常見并聯(lián)型電源浪涌保護器),是僅使用固態(tài)保護器件(如壓敏電阻(MOV)或硅雪崩二極管等)的包絡(luò)線型鉗制裝置。這些雙端口裝置,在遭遇瞬態(tài)浪涌沖擊時,通過鉗制跨接在浪涌保護器兩端之間的瞬態(tài)電壓工作。限制電壓的幅值取決于瞬態(tài)電流大小及波形,并且保護器的動作電壓一定要達到一定的幅值,避免干擾被保護供電線路的正常運行。
在應用于保護交流電源時,單一模式的浪涌保護器有一個主要的缺點,即:浪涌保護器的動作電壓與交流電源瞬時正弦波位置無關(guān)。也就是說,它的鉗位電壓范圍(ClampingBarrier)相對于交流電源的中性點(或大地)是固定的。大多數(shù)應用于AC220/380V低壓供電系統(tǒng)的單一模式電源浪涌保護器把動作電壓確定在大約480V左右。示意圖如下。
由于單一模式電源浪涌保護器建立的是一個均勻鉗制電壓包絡(luò)線,其鉗制電壓點會因瞬時工頻交流電正弦波位置的差異而有不同的效果,這取決于隨正弦波波形發(fā)生的相位。例如,鉗制在峰值480V的包絡(luò)線型保護裝置,可能允許一個發(fā)生在+90°相位的169V正瞬態(tài)脈沖通過。同樣的裝置可能允許發(fā)生在+180°相位下的一個480V的正瞬態(tài)脈沖通過。如果相同的瞬態(tài)脈沖發(fā)生在+270°相位,則可能讓一個960伏特的正瞬態(tài)脈沖通過。
包絡(luò)線型鉗位抑制裝置對于防止結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備(比如電動機負載等)受瞬態(tài)損壞是有效的。但它們在保護敏感電子電路或微處理器的濾波精度方面卻達不到要求的效果。如圖:頻繁的小幅度瞬態(tài)浪涌,不再傳統(tǒng)的濾波方式的作用范圍之內(nèi)。
交流電源可以經(jīng)過整流、濾波和逆變,向用電設(shè)備提供電源,高頻瞬態(tài)能量可以通過電源線路進行傳播(如通過電力變壓器的旁路電容等),所傳遞的瞬態(tài)浪涌能量大小取決于工頻交流電正弦波上疊加的瞬時過電壓幅值。
在實驗室所進行的測量表明,在交流電源輸入端的瞬態(tài)過電壓,有0.1%至2%會出現(xiàn)在敏感電子電路的直流電源母線上。開關(guān)電源比線性電源更嚴重,一般有1%以上的瞬態(tài)過電壓進入電路內(nèi)部。對于電源濾波電容器,由于它的自感存在,并不能對瞬態(tài)過電壓脈沖進行完全的衰減。因此,在交流電源輸入端使用包絡(luò)線型鉗位浪涌抑制裝置,如果電源保護器僅能限制正弦波以上570V的瞬態(tài)過電壓,將有5.7V的浪涌峰值會出現(xiàn)在直流母線上,該值足以擾亂邏輯信號,甚至損壞芯片。
通過采用改進的電源浪涌保護器-正弦波跟蹤濾波浪涌保護器可以克服上述缺點。這類保護器的鉗制電壓不是固定的包絡(luò)線,而是跟蹤正弦波波形變化。正弦波跟蹤抑制裝置采用復合混合濾波器/抑制器電路,無論瞬態(tài)浪涌在什么相位下,都可有效地衰減吸收高頻瞬態(tài)能量。因此,與固定門限鉗位裝置相比,無論任何時刻,均可達到最佳的、一致的電源保護水平。其示意圖如下。
美國JOSLYN公司生產(chǎn)的跟蹤濾波浪涌保護器是最好的正弦波跟蹤濾波浪涌保護器,在浪涌保護器的內(nèi)部有增強型跟蹤濾波器,從而大大提高濾波的精度。美國JOSLYN公司生產(chǎn)的跟蹤濾波浪涌保護器可將浪涌衰減到正弦波的幾十伏特以內(nèi)。它保證通過微小的殘余瞬態(tài)浪涌小到不足以引起電路損壞或電路板邏輯錯誤。美國JOSLYN公司生產(chǎn)的跟蹤濾波浪涌保護器濾波效果示意圖如下。
因此,在對電子設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性要求較高的場所,如金融、航空、軍事、交通、安防、精密生產(chǎn)等領(lǐng)域,推薦采用帶跟蹤濾波器的瞬態(tài)浪涌保護器,確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行,免除因浪涌造成的錯誤、故障及維護、維修損失。
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