开关电源的设计与原理精选(九篇)

第1篇：开关电源的设计与原理范文

摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。

关键词：变频器；开关电源；uc3842

引言

现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。

1 设计要求

本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。

具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。

2 原理图功能分析与设计过程

基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。

2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。

2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。

2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。

（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。

（2）功率计算。

p=24×6×1+5×2×1=154w （1）

（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）

sj=0.15■=2.01cm2 （2）

p1=■=■=181.18w （3）

再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。

（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。

（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。

（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。

（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。

原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。

则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。

对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。

（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。

相应的im=■=2a，ip1=■=1a。

ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙

lg=■=■=0.45mm

（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt

而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。

（1、烟台德尔自控技术有限公司，山东 烟台 264006 2、沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110178）

摘 要：以uc3842和fqp12n60c为基础设计了一款可编程序控制器专用电源。意在介绍通用开关电源的工作原理与设计过程，并且着重介绍高频变压器的设计以及整板调试过程，突出以理论为基础，工程设计为主导的设计方法。该电源经过实际测试，符合可编程序控制器专用电源的标准。

关键词：变频器；开关电源；uc3842

引言

现应用uc3842芯片设计了一款可编程序控制器用的开关电源，经过大量实验。在输入有很大波动的时候，该电源也能稳定工作。其中为cpu供电的+5v电源误差范围在0.1v，达到了设计目标。而且本开关电源也可作为其它电力电子控制设备的电源，可移植性能好。

1 设计要求

本电源利用pwm控制技术实现dc-dc转换，通过fqp12n60c的电流检测端口与控制电路要求精度最高的电源相连，当输入有干扰的情况下，通过调节占空比来稳定对多路电源的输出。

具体指标如下：输入：直流250v±40%，输出：直流+24v、6a；+5v、2a。输出全部采用共地方式，控制系统对电源输出的纹波电压小于5%。

2 原理图功能分析与设计过程

基于uc3842和fqp12n60c所组成的开关电源的电路原理图。包括整流、滤波、pwm控制器等结构。电源内部采用单端反激式拓扑结构，具有输入欠电压保护、过电压保护、外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。

2.1输入侧整流、滤波、保护电路设计。从ac（l）线路进线串联保险丝（f1），起到过流保护作用。从ac（n）线路进线串联热敏电阻（rt110d-9），对接通ac电源时产生的浪涌电流起限制作用。在熔断器与热敏电阻的出线端并联压敏电阻（vr1），对接通ac电源时产生的浪涌电压起限制作用。之后并联安规电容cx1，泄流电阻r5。防止大电容失效后漏电，危及用电人员安全。之后串联电感，出线端并联x2电容。然后经过整流桥d1整流，在直流侧并联电解电容c10滤除整流后的交流分量以及谐波成份。

2.2功率管参数调整与电路设计。电阻r1提供电压前馈信号，使电流可随电压而降低，从而限定在高输入电压时的最大过载功率。电阻r2实现线电压检测。由电阻r6，电容c30，开关管zd1，二极管d88组成简单的rcd箝位电路。达到保护开关管的目的。因而t1可以使用较高的初次级匝数比，以降低次级整流管d3上的峰值反向电压。电路采用简单的齐纳检测电路来降低成本。输出电压稳压由齐纳二极管（ic2）电压及光耦合器（ic1）决定。电阻r9提供进入齐纳二极管的偏置电流，产生对+5v输出电平、过压过载和元件变化时±5%的稳定度。

2.3高频变压器磁路设计。由于反激变换器对多组输出的应用特别有效。即单个输入电源使用同一磁路有效地提供多个稳定输出。因此本文设计的开关电源采用反激式变换结构。高频变压器的设计过程主要包括：磁芯大小的选择、最低直流输入电压的计算、工作时的磁通密度值的选择等。

（1）设计参数。设计使其工作在132khz模式下。输入：直流250v±40%，输出：+24v、6a；+5v、2a。

（2）功率计算。

p=24×6×1+5×2×1=154w （1）

（3）磁芯选择。由公式（2）、（3）

sj=0.15■=2.01cm2 （2）

p1=■=■=181.18w （3）

再由实际中输出引脚个数等因素，查磁芯曲线可得选择磁芯eer40。

（4）工作时的磁通密度计算。对于eer40的磁芯，振幅取其一半bac=0.195t。

（5）原边感应电压的选择。这个值是由自己来设定的，但是这个值决定了电源的占空比。其中d为占空比，vs为原边输入电压，vor为原边感应电压。d=■本文选定占空比d=0.5。

（6）计算变压器的原边匝数：np=■=42匝。

（7）计算变压器的副边匝数。对于+5v，考虑到整流管的压降0.7v以及绕组压降0.6v。则副边+5v电压值：v2=（5+0.7+0.6）v=6.3v。

原边绕组每匝伏数=■=■=3.57伏/匝。

则+5v副边绕组匝数为：n5=■=1.76匝。由于副边低压大电流，应避免应用半匝线圈，考虑到e型磁芯磁路可能产生饱和的情况，使变压器调节性能变差，因此取1.76的整数值2匝。计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数，因为+5v副边匝数取整数2匝，反激电压小于正向电压，新的每匝的反激电压为6.3伏/匝。占空比必须以同样的比率变化来维持v-s值相等。由此可得：+24v副边绕组匝数为：n24=■=7.08匝。取整数值为7匝。

对于反馈线圈的匝数，反馈电压是反激的，其匝数比要和幅边对应。ns=■=1.76匝。取整数值为2匝。

（8）确定磁芯气隙的大小。首先求出原边电感量（mh），根据lp=vs■则全周期ts的平均输入电流is=■=■=1a。

相应的im=■=2a，ip1=■=1a。

ip2=3ip1=3a在ton期间电流变化量i=ip2-ip1=2a，lp=vs■=150×■=0.56mh。所以电感系数al=■=■=0.00049×■。根据所选磁芯的al=f（lg）曲线，可求得气隙

lg=■=■=0.45mm

（9）变压器设计合理性检验。首先利用磁感应强度与直流磁密相关的关系计算直流成分bdc。根据公式计算可以得到：bdc=?滋h=185mt

而交流和直流磁感应强度相加之和得到的磁感应强度最大值bmax=?滋h=■+bdc=282.5mt，而从磁性材料曲线可知bs=390mt，故工作时留有余量，设计通过。

3 结论

24v输出电压波形

参考文献

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[m].第一版.北京：电子工业出版社，1999，7.

[2]赵书红，谢吉华，曹曦.一种基于top switch的变频器开关电源[j].电气传动，2007，26（9）：76-80.3 结论

24v输出电压波形

参考文献

第2篇：开关电源的设计与原理范文

【关键词】机电设备；开关电源；设计

1.机电设备中开关电源的工作原理

1.1 原理简介

在节电设备的开关电源中，开关元件主要是利用电子技术通过半导体等相关的元器件对开关的打开以及关闭进行控制，从而有效的保证电压能够稳定的输出。通过开关电源能够使得晶体管能够实现接通与关闭，晶体管导通的情况下，电压比较低，电流比较大；晶体管关闭时，电压比较高，电流比较小。半导体元件中电压与电流的成绩就是该元件的损耗量，所以说此类开关电源能够在损耗比较低的情况下能够提供多种直流电源。

在PWM工作的时候其首先是将输入电流的电压进行斩波，从而将其转换为与输入电压幅值相同的脉冲电压。对于机电设备开关电源的调节主要是通过脉冲的占空比进行控制的，通过PWM将其斩波为交流方波之后，就可以通过变压器等设备对幅值进行控制。想增加电压的组数，只需对变压器的绕组数目的增加就可以实现。通过整流滤波的作用，就能够获得我们所需要的直流电压。

在对机电设备开关电源的设计中，输入能够从母线出获取，这是对于变频器的特点进行分析得出的结论。在开关电源的设计中主要包括以下几个方面：输入电路、功率因数的校正以及转换、输出电路和频率振荡器等部分。

若想实现电能的转换主要是靠高频的电子开关实现的，根据数据分析可知若接通占空比的高地决定着负载电压的高地。

1.2 UC3842的反激式原理简介

对开关电源的分类通常有反激式变换器以及正激式变换器两种，在本文中笔者将对反激式变压器进行着重讨论。反激式变换器主要指的是变压器的初级性与次级性时不同的，而正激式变换器则与之相反。

对于反激式变换器的工作原理介绍：在打开的时候，Q1为导通的状态，在LP的两侧对其加以电压U0，此时的电流就会呈线性增加的方式进行升高，反激式变换器则进行储能作用；反激式变换器的此时的电压为N0/N2与Vm以及D的乘积，在这个时候位于L5两侧的电压上方的为负电压，下方的为正电压，但是D0由于反偏的作用就会停止。在其关闭的时候，Q1处于关闭状态，此时其中的电流为0，但是在原边中的电压的极性则呈反向，相应的副边电压也会发生调换，这时候之前所储存在变压器中的磁能就会转变为电能进行释放。

对于单端的反激式变换器来说，在其开关导通的时候能够进行电能的储存，在将开关关闭的时候能够将之前所储存的电能进行释放，所以说高频变压器不仅具有变压、隔离的作用，同时还是一种能够进行能力储存的元件。

2.关于开关电源的设计细节

2.1 所选用的器件介绍

通过UC3842能够产生PWM波形，能够对电流方式进行很好的控制。在这种电路中不但具有振荡器，而且具有能够为温度补偿提供参考等作用，若想有效的驱动MOSFET，就必须选用大电流图腾柱输出。

在UC3842中，首先要在其引脚的电路的1脚要求与定时电阻和电容之间进行连接，其作用是控制震荡频率；2脚与阻容元件之间进行连接，其主要作用就是对误差放大器的频率进行补偿；其3脚要与反馈电压的输入端之间进行连接，这样才能够实现其电压转向反响输入端的功能；与4脚进行连接的则是电流的检测输入端；；7脚的作用为基准的电压输出。

在TL431电路中的电压基准与齐纳管的运行为同种原理，利用外部电阻能够实现对其电压编程为40V，通常将其坎作为能够维持电压稳定的二极管，在其两端的输出电压主要是由它外部所连接的电阻所决定的。当TL431的输出电压提高的时候，就会使得其中的晶体管VT能够导通，其输出电压相应的就会降低。

由于在开关电源的输入端的电源大多都是从直流的母线中所取得的，在反激变换功率关断的时候就会使得电压出现顶峰，为了对电路进行保护就必须对其采取相应的措施以抑制。通过RCD能够有效的缓解存在于元器件两侧的过电压。通过RCD电路的设计，根据楞次定律的相关知识可以知道，当关断MOS的时候，能够在变压器的原边中形成一个非常高的瞬时电压，由此可见在设计选择MOS的时候要保证其能够承受的电压在实际电路输入电压的1.5倍以上。

2.2 关于电路

在机电设备的开关电源的设计主要是为了实现对于功率开关管的控制以及IC的控制，其电源的供给主要是通过直流母线，之后再设计各种电压的开关电源。在本文中笔者将对10V的开关电源的设计过程进行阐述，向大家讲解机械设备的开关电源设计中的关键。

UC3842这种芯片能够很好的实现对电流控制的功能，这种芯片主要是通过对频率的调节从而实现对输出电压的有效控制。在其工作的状态中在滤波器的作用下，能够对开关的噪音以及谐波等进行滤除。交流电压之间形成一个能够抗串膜的干扰电路，主要就是为了能够对噪声实现其抑制的作用。

电路中的交流电源能够在经其处理之后进去到整流器之中，从而获得我们所需要的电压。也就是说通过滤波电容的输入将输入电压中所存在的一些干扰因素进行去除，从而得到一个稳定的输出电压。

对于启动电路中主要包括电阻以及电容，若想保证其在启动之后能够正常工作，首先要保证其功率能够达到2W，在电容中所存储的能量要保证能够满足开关电源启动时的需求，不能够低于150uF。

由于此电源开关中有很多电路输出，不能够单纯的对其中的某一路进行反馈，所以说要在电路中设计一个反馈线圈来进行对电压的反馈，由此实现对没路输出进行很好的控制。通过整流滤波的作用能够为人们提供一个相对较为稳定的电压反馈。

在通过UC3842对电路进行保护的时候，如果输入端出现短路的情况，就会导致过流的现象，从而导致漏极电流明显的提高，其中的电压也会有明显的提高。

如果引脚中的电压超过2V的时候，比较器中就会输出比高电平，这样就会使锁存器复位，输出也就会随之而关闭。在这种情况下芯片的引脚中是没有输出电压的，从而达到了保护电路的目的。如果电路中的电压太高，不能够很好的实现对占空比的调整，就会导致变压器中的电压升高，从而输出也会关闭。

在电路短路的情况下，电流的突然增大所产生的热量就会使电阻值增大，实现断路的作用，经过技术解决之后，自恢复开关便能够恢复其阻抗值。

根据示波器的显示我们可以发现，在直流母线的上电过程中电压不够稳定，但是在芯片的调解下，能够有效地保证电压输出，由此可见其抗干扰的能力是非常强的，所以在一些比较复杂的环境中也能够正常的工作。

在机电设备开关电源的设计中要实现电源通道之间的相互隔离，只需在原基础之上加入一些新的元器件就能够达到我们的目的，投资不高，能够更好的对变频器进行利用。根据机电设备中开关电源的使用调查情况可以发现，此电路系统是非常安全的。

3.变压器的设计细节

3.1 变压器参数

变压器的工作频率为50kHz，变压器的工作周期为30us，其工作效率η为0.87；变压器的电压为220v±50%，所以其范围为110v—330v，该变压器的输出功率为120w。

3.2 变压器设计过程

在变压器的设计过程中首先要按照整流管的损耗选择合理的刺心，变压器的输入功率通过计算式计算为率P输入=P输出/η=120/0.87=138W。变压器的磁芯一般都是选用铁氧体的磁芯，主要原因是由于这种磁芯的电阻率比较高，而且价格比较便宜。

UC3842能够有效的对电流的峰值进行控制，在其正常运转的情况下，该芯片的占空比要小于0.6，在变压器的设计过程中占空比按照0.5进行计算，所以说在变压器的工作过程中开关管的导通时间为12.5微秒，变压器的输入电压为180v。

变压器工作过程中的磁通密度也非常重要，在其温度处于100摄氏度的时候其磁感应强度为400mT，将此时变压器的振幅折中计算，此时交变电流的磁通密度为0.238T。

对于边缘线的匝数的计算时，首先要掌握变压器中磁芯的有效面积，不同的变压器的型号可以找出其中的固定数值等方面进行计算。变压器的电源输出端与负载之间连接的时候通常都会使得电压降低，在变压器的设计中就要在设计基础之上对每个输出电路多设计出一匝，这样能够得到一个要高一些的电压，自后再由稳压器的转换得到我们所需要的电压。

4.结语

对于机电设备开关电源的设计具有非常高的要求，在对于开关电源的设计中只有很好的把握好其中的技术关键才能够保证设计成功。

由于机电设备经常性的开启和关闭，所以在设计开关电源的时候要保证能够在电磁干扰比较低的情况下为其提供稳定的电源，通过选取合理的电容值，避免波纹的出现对机电设备的供电产生影响。由于机电设备开关电源在性能方面比较优越，在未来的机电设备中的应用会变得越来越广泛，所以对于此类问题的研究还要不断的深入。

参考文献

[1]张帅，李俊刚，王兴.开关电源设计[J].科技资讯，2011，34.

第3篇：开关电源的设计与原理范文

关键词：智能建筑电气节能设计

在智能建筑工程中广泛地应用了数字通信技术、控制技术、计算机网络技术、电视技术、光纤技术、传感器技术和数据库技术等高新技术，构成各类智能化子系统。随着不可再生资源过快消耗，各领域都在研究如何节约能源。智能建筑是建筑设计的发展方向，如何在智能建筑中做好电气设计的节能措施是现代建筑电气设计的重要课题。

一.智能建筑的电气系统设计

建筑电气设计的任务是根据人们生产和生活的要求，设计出一个质量良好、使用安全、方便、经济、可靠的建筑供配电系统。多项资料及分析表明，我国有着巨大的节电潜力。节电工作法制化、标准化、规范化是节电工作有序进行及相关措施落实的保证；微电子技术等为节电提供了物质基础；最迫切的是知道我们与发达国家产品能耗高、电能利用率低的差距。在建筑工程的实际设计中，需要讲究设计的可操作性、延续性和整体协调性。设计要密切结合我国的国情，积极、稳妥地采用新技术；推广应用安全可靠、节约能源、经济适用的新产品、新材料；正确掌握设计标准，提高社会效益和经济效益。设计图纸要清晰，设计文件要准确，各专业要密切配合和相互协调。

设计的基本要求建筑电气设计工作是整个建筑工程设计的一部分，有着与建筑、结构、给排水、采暖动力多个专业和电气专业内部的配合，在各个设计阶段，都要互提资料、互有要求，要密切配合，才能防止各专业的矛盾和碰车，保证工程的设计、施工质量。整个设计的过程都必须贯彻国家有关工程设计的政策和法令，并符合现行的国家标准和设计规范。对某些行业、部门和地区的设计任务，还应遵循该行业、部门和地区的有关规程和特殊规定。在设计工程中尽量采用国家统一的标准图和标准图例、符号。

设计是一个构思表达、再构思表达、反复推敲、不断深入发展和进行评价的过程，基本上可以概括为博览、创意、构思、表达等几个阶段。将自己的设计构思表达成为图样，是设计人员的基本功。设计过程从一开始到深入下去，各阶段思维的广度、深度都不同，表达方式、工具也可能是多样化的。表达方式和工具要适应思维的速度，推动思维发展成熟。

二.建筑电气设计中的节能原则

由于人口的增加，工业的发展，生活水平的提高，能源的消耗也就急剧增加，能源危机迫在眉睫。因此，各行各业提出了节能的要求，节约二次能源――电能，也就成为民用建筑电气设计的焦点。节能降耗一直为国家所倡导，2005年7月初国务院发出《关于做好建设节约型社会近期重点工作》的通知，特别指出“要坚持资源开发与节约并重，把节约放在首位的方针”。在经济发展中电气用电是一个耗能大户。很多相关的文章都曾显示过，其每年要消耗总发电量的10％以上，如果大量使用节能的照明产品和有效的措施，节电5％，则每年可节约照明用电60亿千瓦•时，为国家节省投资约30亿元，并可延缓温室效应，减轻对生态环境的破坏，经济和社会效益非常可观。因此，在设计文件中，电气节能措施以专篇的形式陈述，从建筑物规划的初期就以节能的思想为指导，在技术根源处为实现电气节能提供理论依据及可行性。建筑电气节能应坚持以下三个原则。

满足建筑物的功能即满足照明的照度、色温、显色指数，满足空调舒适性；满足上下、左右的运输通道畅通无阻；满足特殊工艺要求，如娱乐场所的一些电气设施的用电，展厅的工艺照明及电力用电等。节能应按国情考虑实际经济效益，不能因为节能而过高地消耗投资，增加运行费用。而是应该让增加的部分投资，能在几年或较短的时间内用节能减少下来的运行费用进行回收。

节能的着眼点，应是节省无谓消耗的能量。首先找出哪些地方的能量消耗是与发挥建筑物功能无关的，再考虑采取什么措施节能。如变压器的功率损耗，传输电能线路上的有功损耗都是无用的能量损耗，又如量大面广的照明容量，宜采用先进技术使其能耗降低。因此，节能措施也应贯彻实用、经济合理、技术先进的原则。民用建筑的节能潜力很大，应在设计中精心考虑。但是在选用节能的新设备上，应具体了解其原理、性能、效果，从技术、经济上进行比较后，再选定节能设备，以达到真正节能的目的。

合理地进行用电负荷计算用电负荷计算方法选择得当，会达到节材、节能的目的，若选择不当，会给用户带来不必要的投资和能源浪费。关于用电负荷计算方法宜按下列原则选取：在方案设计阶段可采用单位指标法，在初步设计阶段及施工图设计阶段，宜采用需要系数法，对于住宅建设，在设计的各个阶段均可采用单位指标法和单位面积法。

三.建筑节能电气设计

建筑电气设计中的计量装置宜按下列原则设置。单元总配电箱设于首层，内设总计量表，层配电箱内设分户表，由总配电箱至层配电箱宜采用树干式配电，层配电箱至各户分户箱采用放射式配电。单位不设总计量表，只在分层配电箱内设分户表，其配电干线、支线的配电方式同上。分户计量表全部集中于首层(或中间某层)电表间内，配电支线以放射式配电至户内。多层住宅照明计量应一户一表，其公用走道、楼梯间照明计量可采取：当供电部门收费到户时，可设公用电度表，如收费到楼总表时，一般不另设表。

合理选择电线、电缆截面合理选择电线、电缆截面，在用电负荷计算时要尽可能算得准确，电线、电缆截面与保护开关的配合原则一般是：对于25A以下的保护开关，电线、电缆载流量应大于或等于保护开关整定值的0．85倍；对于25A以上的保护开关，电线、电缆载流量应大于或等于保护开关整定值的1倍。

第4篇：开关电源的设计与原理范文

关键词:高频开关电源;全桥移相;零电压开关;软开关技术

中图分类号:TM46文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)02-188-03

Development of 48 kW High Frequency Switching Power Supply

PAN Min

(China Electric Institute,Guangzhou,510300,China)

Abstract:The analysis and design of 48 kW high frequency switching power supply are presented.The present state of switching power supply is explained.The operating principle of full bridge phase_shifted converter and realization of soft switching techniques are analysed.Soft switching can reduce switching loss and increase circuit′s efficiency.Integer designing of power supply system and selection of main device parameters are also proposed.The experiment results demonstrate the power supply device satisfies design requirements completely.It has been applied in electric plating production line success_fully.

Keywords:high frequency switching power supply;full bridge phase_shifted;zero voltage switching;soft switching techniques

0 引 言

现有国内外的大功率电源主要为工频整流式电源,体积大、笨重、能耗高、多特性较差,且会对电网造成较大的电磁干扰。与它相比,开关电源具有高效节能,重量轻,体积小,动态性能好,适应性强,有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点。目前少数高频开关型电源主要限于小功率容量级别(2 000 A以下),而国外同类设备价格过于昂贵,市场迫切需要具有较大功率容量和先进技术水平的国产高频开关型电源装置。因此,大功率开关电源具有广泛的应用前景,是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向。但是,开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约大功率开关电源应用和发展的“瓶颈”,按照传统电源的设计思路和解决办法,不能从根本上解决其所面临的诸多问题。软开关技术的出现以及先进控制技术的兴起,则为解决开关电源诸多问题提供了新的方法。

目前单机容量大于20 kW的大功率开关电源在国内外极为少见,单机输出一般在1 000 A以下。为适应大功率(低电压、大电流)输出的电路拓扑和控制模式,采用全桥移相式电路拓扑结构,并通过软开关技术的应用,研制了48 kW、20 kHz的大功率高频开关电源,通过电镀生产线的现场使用,取得了满意的效果。

1 全桥移相零电压开关原理

零电压全桥移相变换电路拓扑结构适用于大功率开关电源,它采用移相控制,移相芯片选用UC3879,驱动部分采用目前较为成熟的EXB841专用驱动芯片。在换流时利用变压器的漏感和功率管的寄生电容产生谐振,实现开关器件的零电压开通,消除了开通损耗,提高了电路效率,其主电路原理图如图1所示。图1中IGBT1~IGBT4为功率开关管,分为超前桥臂(左半桥)和滞后桥臂(右半桥)。电路零电压开关依靠功率开关管反并联的二极管D1~D4的导通实现功率器件的零电压开通,通过功率管谐振电容C1~C4的充电过程实现功率器件的零电压关断[1,2]。

在全桥相移零压开关变换器中,开关管的导通关断时间恒定。导通顺序为IGBT1IGBT4IGBT2IGBT3。同一桥臂的开关管为反相导通。对角管导通具有相移,从而使共导时间随相移的变化而变化。由于开关管存在关断时间,同一桥臂的两个开关管导通关断时,需要一定的延时时间(死区时间)以防止直通,保证开关管的安全;同时为保证开关管的零压开通,需要分别设定合适的领先臂与滞后臂的延时时间。IGBT1~IGBT4分别由UC3879输出的OUTA~OUTD控制[3]。

图1 全桥移相零电压开关主电路原理图

2 电源系统整体设计

电源装置主要由三相整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器、高频整流滤波电路、PWM控制电路、稳压稳流控制电路及故障保护电路组成(如图2所示)。工作时电网三相电源输入,经整流、滤波电路加至绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的逆变电路,由主电路转换成脉宽可调的高频交流(约20 kHz),再经高频变压器降压、肖特基二极管整流转换成适于工作需求的低压直流。

图2 电源装置系统组成图

高频逆变电路采用全桥移相零电压开关主电路,同时采用软开关技术,以实现大功率低损耗高频逆变。高频开关管采用大功率IGBT模块,以提高电源可靠性,高频整流管采用肖特基整流模块以提高电源的效率。

控制单元输出的控制信号可以对主电路输出做出迅速响应,从而不但给出优良的动、静态输出特性,而且能对各种输入电压的波动予以补偿,并能对各种原因造成的故障做出迅速的保护响应。

电源系统的主要功能有:

(1) 系统按输出的电流或电压偏差分别自动进行PI稳流或稳压调节;

(2) 设置了过流、过热和缺水等保护措施,且具有声光电三维报警方式;

(3) 通过面板上的电压、电流表(输出电压、输出电流)可分别监测系统的输出状态;

(4) 系统具有稳压及稳流两种工作模式,保证了系统的稳定运行。用户可根据工艺需要进行选择;

(5) 系统具有软启动功能,其给定值由小逐渐增大,软启动时间约为5 s;

(6) 系统为远控方式,其操作简单,方便用户掌握。

2.1 输入整流桥及平波滤波器

该系统设计输出为3 000 A/16 V,前端采用三相整流桥输入,如图3所示,其中负载R为开关变换器的等效电阻。考虑理想情况,Li为无穷大,id为一平滑直流。通过对三相整流桥电路工作原理分析,考虑电网波动及保留一倍裕量,可选定二极管的额定参数为150 A/1 200 V。

图3 三相整流桥及LC滤波器电路

平波滤波器的作用是平滑整流电压和提高功率因数。设计中需结合经验,选择一个性能和成本的折中点。这里采用把电感放在直流侧的安置方式。与把电感放在交流侧的安置方法相比,无论是在结构复杂程度上,还是成本上,都要低的多。而且理论上这种结构可以达到的最大输入功率因数为0.955,完全能满足该系统的要求。

2.2 高频变压器

在高频开关电源设计中,高频变压器的设计是一个关键因素,它不仅决定了电源的输出能力,而且直接关系到电源设计的成败。

为实现大功率转换,该系统采用四个变压器并联,且每个变压器的磁芯采用一个环形磁芯。环形磁芯的窗口面积和体积都比较容易做大,工艺绕制简单,安装方便,更加适合用于大功率开关电源。并联的四个变压器的原边输入电压相等且为逆变器输入的电压,副边输出并联。通过计算,取变压器原边的匝数为21匝,副边为1匝;考虑绕制工艺、散热、损耗等因素的影响,原边采用USTC 0.1×1 050的多股丝包线,副边则采用TMY-40×6或TMY-50×5的铜排。

2.3 IGBT及隔直电容

由电路特点可知,IGBT的工作平均电流为母线平均电流的一半。流过IGBT的平均电流及承受的最大反向电压为:

IIGBT=Id/2=P0/(2ηUd)

UIGBT=2.34×1.2U2

考虑到尖峰电压电流的影响,保留一定的裕量,最终确定IGBT的容量为300 A/1 200 V。

隔直电容的作用是防止变压器发生偏磁现象,选的过大,则会增加成本;选的过小,则会产生EMI,降低电压利用率。设计中还需考虑等效串联电阻和电感的影响及散热问题。

2.4 输出整流管及RC吸收网络

选择整流二极管首先要考虑流过二极管的电流。计算流过整流二极管的电流及其额定电压,保留一定的裕量,最终选用的是400 A/100 V的肖特基二极管。

RC吸收网络的作用是防止输出整流二极管关断时因反向恢复引起的振铃。设计中可选择电容的容值为二极管寄生电容容值的10倍,电阻值则必须使电容在1/10个周期内充、放电完成,同时也要注意电阻功率是否满足吸收要求。

2.5 输出滤波器

输出滤波器的设计主要围绕输出纹波指标来考虑。一般情况下,以在最坏的情况下计算的参数为依据来选择滤波电容和滤波电感值。

3 试验结果

设计制造的3 000 A/16 V样机如图4所示,试验波形由泰克TDS5034示波器记录,如图5~图7所示。图5为同一桥臂上两个开关管的驱动脉冲波形,开关频率为20 kHz。图6为输入电压为220 V时,样机的工作波形,1通道为变压器原边电压,2通道为IGBT驱动脉冲,3通道为变压器副边肖特基反向压降,4通道为变压器原边电流。图7为样机满载时的工作波形,1通道为变压器原边电压,2通道为样机直流输出电压。表1列出了样机的各项技术指标,及与预定目标的比较。试验证明,样机已完全满足设计要求。

图4 3 000 A/16 V样机

图5 IGBT的驱动脉冲波形

图6 输入电压为220 V时样机的工作波形

图7 样机满载时的工作波形

表1 样机的各项技术指标及与预定目标的比较

技术指标预定目标3 000 A/16 V样机

输入电压范围360~450 V360~450 V

额定输出电压0~16 V连续可调0~16 V连续可调

额定输出电流0~3 000 A连续可调0~3 000 A连续可调

整机效率≥75%≥82.8%

稳压精度≤1%≤0.6%

稳流精度≤2%≤0.5%

冷却方式水冷水冷

保护功能过热、过流、缺水过热、过流、缺水

4 结 语

高频开关电源,作为中国电器科学研究院研制的新一代逆变式电源,具有高效节能、体小量轻、稳定可靠、绿色环保等优良特性。该项目成果较大功率单机输出的实现、软开关技术的应用、水冷却方式的采用等,都为以后电镀行业逆变电源设计提供了很好的借鉴之处。该电源装置已顺利应用于国内某电镀生产线上,并取得了良好的效果。

参 考 文 献

[1]Zhou Linquan,Ruan Xinbo.Soft_switching PWM Boost Full_bridge Converter[J].Journal of Southeast University,2003,19(3):250-255.

[2]殷树言,黄鹏飞,黄勇.软开关弧焊逆变电源的工作机理研究[J].北京工业大学学报,1998,24(3):55-60.

[3]李春旭,李德武,张学红.软开关弧焊逆变电源全桥移相控制电路设计[J].电焊机,2004(Z1):37-43.

[4]张永锋,黄自龙,杨旭.12 kW移相全桥PWM变换器的设计[J].电力电子技术,2006,40(4):50-52.

[5]鞠志忠,童可明.大功率软开关移相全桥变换器的研究[J].电源技术应用,2005,8(6):17-20.

[6]薛家祥,余文松,罗卫红.电流模式控制零电压软开关弧焊逆变器[J].焊接学报,2002,23(4):35-40.

[7]史悦玲,李时杰,贾俊林.基于UC3879的移相全桥ZVS_PWM逆变器的研究[J].自动化与仪表,2002(6):21-23.

[8]周漪清,黄石生,杜贵平.新型软开关弧焊逆变器主电路的仿真与实验[J].航空精密制造技术,2004,40(3):34-37.

第5篇：开关电源的设计与原理范文

在大型和重要广播电视发射台都离不开多工天线交换系统，交换闸本身的技术参数和质量性能主要决定于生产厂家技术能力，一般都能达到部标要求。把停播率降到最低水平主要与天线控制系统、发射机系统和配电系统等设备的可靠性和稳定性有直接关系。

目前，天控系统在国内广播电视发射台使用比较广泛，国内外生产的广播电视发射机均不带天线控制器，国内生产天线交换闸的厂家有鞍山广播电视天线厂、北京贝尔德广播电视设备公司、原北广设备厂等。北京贝尔德公司生产的天线控制器，只能与本厂的天线交换闸配套使用，其产品受功能扩展和通用性的限制，功能开发时需要改造，没有原理图改造起来非常困难。其它厂家只生产交换闸没有控制器，单独购买或订作价格昂贵，对用户来说无法接受，通过多年工作经验和知识积累自行设计了《多功能天线交换闸控制器》。在2010年山东省广播电影电视局直属六个高山发射台自动化控制网络系统建设中，自行设计、安装制作了三十多套天线控制器（四种型号的交换闸），其技术性能、运行可靠性和外观设计达到了专业水平，仅此革新项目使自动化控制联网工程节约资金15多万元。在这里以目前用的较多且技术比较成熟的新型交换闸为例，将天线控制器设计构思和电路原理图奉献给广播电视同行，如果本台交换闸不是我介绍的型号，只要对本台的天线交换闸工作机理和接口特性搞清楚了，将我设计的天线控制器原理图进行必要的改动便轻松实现控制功能。

鞍广生产的新型天线

交换闸技术简介

1. 产品技术特点及构造

此产品技术指标达到部级标准，体积较小，电机功率低、噪声小，机械控制简便。对外连接仅有一个接口件，使用一个七芯航空插接件CT1（16mm）。天线位置指示灯D1、D2是交流220V氖泡，内部有四只行程开关SQ，每两个一组固定在左右两侧，两侧接点位与电机轴心成90°角，电机转动不是传统同向转动，而是左右摆动（正反转）90°。

2. 天线交换闸工作原理

图一中的天线切换是用一个乒乓开关实现的，控制简单，功能单一，状态量太少，不适应发射机实际需要，更不能实现自动化控制要求。其工作原理：天线状态当前在D1上（设为主机），当切换到D2时（备机），将电源开关置于另一侧，电流通过CT1-3、行程开关SQ3、电机M回到电源零线，此时电机开机转动，同时行程开关SQ1、SQ2释放，D1指示灭，电机继续转动，当电机带动手柄转过90°时，碰到行程开关SQ3和SQ4时接点断开，D2点亮，天线切换到备机。如果把开关板回，天线切换到主机上，原理同上。

自制天线控制器选材及电路设计

1. 功能及特点

此控制器功能完善，具有发射机开启后不允许倒天线保护，即天线外部联锁接口；具备天线或负载不到位不能开启发射机保护功能；具有本地电动和远程控制功能，在本地状态下，远程不起作用，在远程状态下本地和远程均起作用；当本控制器失效后，可以断开控制器电源手动操作手柄进行切换，但必须将应急联锁开关K3（主机）或K4（备机）合上，否则不能开启发射机；对于非自然冷却的假负载加装上了控制开关。

本控制器的特点是成本很低，是购本成品的三十分之一还多，只要购买优质元器件和高质量的导线，线路连接可靠其稳定性和可靠性极高。

2. 所用元器件及选择

在特殊环境下为防止电源雷击，加上了防雷、浪涌保护电路，为了提高防雷效果可以用专业防雷模块或防雷插座替代；本控制器使用24V开关电源，电源功率在10W左右即可，原因是选用的继电器是24V中小型继电器，此继电器带有插座，便于导线连接器件和固定，其工作电流和接点电流很小，为何不用微型12V或5V继电器，微型继电器需用电路板，加工电路板不划算，其不足是机箱需用2U的；SB1、SB2按钮开关和天线状态指示灯用12mm圆形的，这样用电钻打孔方便，指示灯直接用24V发光二极管成品，VD1、VD2用作天线状态指示，VD3是电源指示灯。K、K1、K2、K3、K4为中型的乒乓开关即可，K是电源开关，K1是本地/远程选择开关，在本地位置时是断开状态，K2是假负载加电开关，K3、K4是天线或负载应急联锁开关，正常情况下断开；对外接口插件用航空插头就可以，与交换闸对接件用16mm七芯的（JX1），其它的都用12mm的不同芯数的即可，各个接插件不同为了防止插错；电路连接线用0.5mm2多种颜色绝缘外套导线 ，等电位用同一种颜色的，目的是便于连接导线，工作电流很小，选用0.5mm2目的是为了防止线头不易折断。

3.天线控制器的控制原理图

天线控制器的工作原理

1.本地状态下天线切换工作原理

将电源开关K接通，功能选择开关K1置于本地位置（断开状态），天线切换只能在本地进行操作。图二表示天线状态在主机上，当按一下切换按钮SB2，行程开关SQ2是闭合的，+24电源通过SQ2、SB2、J2线包、天线外部联锁到电源负端形成电流回路，继电器J2吸合，通过其常开接点J2（9，5）维持电流通路，220V交流电通过另一常开接点J2（12，8）给电机加电转动，当电机动作时SQ2释放，电流又流过J4（10，2）与J2（6，10）使J2保持吸合，电机继续转动，当天线到位时，SQ4行程开关接通，J4吸合，J4（10，2）常闭接点断开，J2线包断电释放，电机失电停机转动，天线切换到备机完成，从备机倒主机原理相同。

天线外部联锁作用（JX3）：当主/备发射机只要工作时，其常闭接点断开，J1或J2不会吸合，倒天线不起作用，即达到保护作用。当天线到位后，J3（主）或J4（备）吸合，其中一组常开接点用于发射机外部联锁（JX4），保护发射机。

2. 自动或远程倒天线工作原理

在自动倒天线时，将功能开关K1闭合，与自动控制信号T5或T6（JX2）串联，，然后与手动按钮SB1并联，用此代替手动按钮SB1的作用，其切换工作原理与手动相同。

天线状态用于自动化开启发射机用，确保发射机安全。

K2是用于非自然冷却的假负载电源控制开关（JX5），其继电器状态和天线状态组合连接用于发射机外部联锁用。K3或K4是当此控制器失效时，关闭控制器电源，还可以用操作手柄进行应急切换天线，因发射机外部联锁与天线状态有关，控制发射机的开启，用K3或K4强制闭合联锁，正常情况下K3和K4是断开的。

第6篇：开关电源的设计与原理范文

【关键词】开关电源节能 现网节能改造 通信

一、前言

改革开放以来，我国的经济成就举世瞩目，但环境问题也越来越严重，引起大家的高度重视 ，2007年世界经济论坛《全球风险报告》 中指出：21世纪全球面临的最严重挑战之一就是气候变化。2014年11月12日中美两国在京共同《中美气候变化联合声明》，中国计划到2030年将非化石能源比重提高到20%左右。十一五 期间，中国政府在节能减排上要求国内能耗降低20%，主要污染物排放总量减少10%。同样在严峻的节能减排压力下，各通信行业运营商越来越重视设备的节能，将节能作为首要的发展方向。在这个背景下，对开关电源提出了极高的节能要求，努力开发节能的产品和寻找现网设备的节能改造方法。

二、开关电源节能原理分析

（一）开关节能的原理

通信开关电源节能的关键是要提高系统的整体效率。通常开关电源的节能主要在两个原理：第一个最直接的节能原理是提高整流器的效率。通过技术改进提高整流模块的整体效率特性、降低模块功耗等措施，从最初至今，整流器的效率已经在原有的基础之上提高了百分之十，达到96%。随着技术的进一步成熟和器件成本的下降，相信不久以后，规模应用将成为现实。开关电源节能的另一个节能原理是通过电源模块的休眠管理，提高运行模块的负载率可以提升系统实际的工作效率。

（二）开关节能的具体方法

如今，越来越多的行业开始广泛应用开关电源，其具体发展要求是，轻量化、小型化、高频化等。但是，随着开关电源的频率迅速提高，所产生的损耗也逐渐加大，因此需要考虑相关节能的方法。首先应该对开关电源的损耗进行系统的分析，要想达到上述发展要求，需要将开关电源的工作频率由低频转向高频。例如采用硬开关技术，这种技术损耗量小于线性电源采用串联电阻改变电压的方式，但随着工作频率的提高，相应的损耗依然会增加。其次，采用软开关技术，能有效提高开关电源的频率，也能降低开关电源的损耗，提高整体效率。软开关技术是使用电感谐振及电容，将变压器中的开关器件中电压按照准正弦规律进行变换，让开关管在电流为零的情况下立即关断，在电压为零的情况下立即开通的方法。最后，采用零开关技术，其主要在电路中增加电容或电感等相关储能元件，具体分为零电流、零电压开关。零电流开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电流为零。零电压开关指的是当开关管关断或开通的时候，让电压为零。这样可以最大程度降低开关损耗，起到节能的作用。

二、现网设备节能的必要性

随着世界经济特别是发展中国家经济的快速发展，全球能源消耗总量不断攀升。根据全球能源机构统计，近些年来，全球能耗高达82%，造成二氧化碳排放量高达80%，远远超过预想的估计，因此，节能是现阶段的主要任务。如何采取有效的方法使现网设备最大程度的节能非常必要。能源的消耗一方面导致了温室效应和一系列的自然灾害，另一方面其与制造业、工业等成本的价格息息相关。所以，环境问题及气候变化问题成了人类面临的重要的挑战，全社会也越来越重视节能。从全球范围来看，通信行业与煤炭、有色、钢铁等行业相比，虽然不是能耗、排放问题最突出的行业。但一些数据显示，一些通信行业的能耗也很大，某些运营商在全国企业能耗排行榜中排名靠前。政府在国际组织上的节能承诺，社会、公众的重视形成对运营商的节能压力越来越大。由于全球资源价格持续上涨，新的市场逐渐开阔继而大大提高了网络的扩容性。而我国通信企业整体仍处于发展阶段，在增大网上运行设备容量的时候必然导致能耗需求也扩大，给运营商带来了长期的财务压力。为了应对气候及能耗的挑战，电信行业各主流运营商、设备商先后启动节能减排计划。近10年来已经取得了很大的进步，技术的进步与产品的更新换代使单位能耗持续下降，领先的运营商取得了超过50%的节约。

三、现网设备节能手段

（一）通信网络中基站设备节能

基站设备分基带、射频和馈线三部分，其中能源消耗量占首位的是射频部分，超过能源消耗量的百分之八十。但是，在射频部分中，功放耗能几乎占射频部分的一半，因此，提升基站设备能效的关键点就是提高功放效率。而提高功放效率的方式有多种，比如，有智能减压、智能匹配、新型高效功放等，但多载波技术是提高功放效率的最直接的办法之一。

（二）通信网络中站点节能

一般来说，通信网络的节能主要是站点的节能。站点的节能可以从两方面来分析：网络拓扑和网元。网络拓扑的节能就是通过减少站点来提升单位话务量能效。以下为通信领域中减少站点两个有效的手段：⑴规划网络，降低无效的系统开销，以最少的站点服务最多的用户来提高覆盖效率。⑵使用Transmitting Diversity、High Receive Sensitivity及 PBT等关键技术增加设备本身的覆盖半径提高，从而提升基站设备本身的覆盖能力。在现实中，将适宜的网络规划和较强覆盖能力的设备配合使用通常能大幅度实现广覆盖场景下四分之一以上的能源消耗节约，无疑不是一种进步。

（三）通信网络中新能源节能

减少碳排放最直接方法就是开发新能源。如：太阳能、核能、风能、潮汐能、生物能源等。企业减少碳排放的最有效途径就是选择无排放能源或者低排放能源。通常在一些边远地区，风能、光能资源比较丰富，可以根据当地气候因素建一些风、光能源的小型站点。这些新能源小型站点也可能在市电不稳定的城区作为补充能源使用。而对于这些偏远的小型站点来讲，通常面临的问题有以下三个方面：第一是引电困难；第二是电网公司引电价格可能过高；第三是小型站点本身的能耗不高，因此，通信运营商往往使用油机系统来解决能耗问题。

只有重视开关电源节能及现网设备节能的改造，才能有效的利用固有的能源材料，开创新的可再生能源。才能与环境和谐相处，共同促进社会经济的发展。继而带动了通信网络的节能开拓，发展新用户、开拓新市场。使用新领域的节能设计补充带网络建设的需求，减少开关电源、现设备带来的排放压力。同时设备厂商及运营需要积极的投入到可持续发展、高效节能的研究当中。

参考文献：

[1]郭忠银.一种绿色模式开关电源的研究与设计[D].南华大学，2010.

第7篇：开关电源的设计与原理范文

关键词：电气设计；节能；措施

随着我国经济的反战，能源被提到了越来越重要的地位，我国是个能源消费大国，能源相对短缺，然而能源浪费却相应严重。作为二次能源的电能供需矛盾近年来越来越突出，节能问题一直是我国发展国民经济的一项长远战略方针，如何“节电能、降能耗”，节约电能就成为每位电气设计人员必须认真考虑的问题。下面就电气设计中的几种节能措施谈谈笔者的浅见。

1 照明节能设计

在民用建筑中，照明设备的用电占比大概为20%以上，照明节能设计就是在保证不降低照明质量的要求下，尽量减少照明电路中能量的损失，从而达到能量利用的最大化。

照明节能设计的措施通常一般有以下几种：

①照明方式选择。

充分利用自然光，这是节省照明能耗的重要方式之一，即在设计中电气设计人员应当尽量考虑到自然光与人工照明的充分结合，从而节省照明电能。

②选择合理的光源。

其最基本的原则就是应根据不同的场所选择不同的光源。

例如一般的房间应当选用荧光灯。但是在显色性要求较高的场所应当采用稀土节能荧光灯，三基色荧光灯，小功率高显色型钠灯等光源。室外场所的照明则应当选用高压钠灯等使用时间较长的气体光源。

③选择恰当的照明方式或装置也是一种可行的节电能的方法。

根据照明使用的要求分别采用各种节能型开关，如病房、卧房可采用调光开关；室外场所和公共场所得照明则可采用光电、声控开关；走道、走廊等场所可采用节能声控开关。

2 降低线路损耗

当电能传输时，在电路网络中就产生功率损耗，一般来说，其与线路的长度和负载的大小相关联。因此，应当尽量提高系统的功率系数、减少导线的电阻，从而降低其损耗。其措施主要有以下几种：

①路路径的选择要合理。为减小导线长度，线路尽可能不走弯路，尽量走直线；

②合理选择导线截面积。导线的截面积大小的确定应根据电流指标与经济条件来确定。对于线路较长的电路，在满足电流以及电压降要求的情况下，可使导线的截面积加大1～2级；

③合理确定电气用房所在的位置。其遵守的基本原理就是尽量减小供电路径。

3 空调系统的节能

公共建筑暖通空调系统的能耗至少占建筑总能耗的50％以上，系统节能潜力巨大。具体应遵循一下原则：

①机电设备启停优化控制；

②变风量、变流量系统最优控制；

③冬夏季部分负荷时水泵分设控制；

④与冰蓄冷相结合的低温送风系统控制；

⑤参数设定节能控制，包括温度标准设定、焓值控制、利用室内CO2浓度控制新风量等。

4 合理选择变压器

第8篇：开关电源的设计与原理范文

关键词：直流斩波电路；升压式斩波电路；降压式斩波电路；MATLAB/Simulink

直流斩波电路是将固定直流电压变换成可变直流电压的电路，也称为直流变换技术。广泛地应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆无级变速，以及20世纪80年代兴起的电动汽车控制等。通过设计不同的直流变换电路，可以提供可调的直流电源，进而满足不同设备的性能需求。

直流斩波电路按变换电路的功能分为：升压式变换（Boost Converter）、降压式变换（Buck Converter）、升降压式变换（Boost-Buck Converter）、Cuk变换（CukConverter）、Sepic变换（Sepic Converter）和Zeta变换（ZetaConverter）。

本文以升压式变换电路与降压式变换电路为例，分析其设计原理，推导理论公式，并基于MATLAB/Simulink软件，搭建了直流斩波升、降压电路的模型。

1升压式直流斩波电路分析

1.1工作原理介绍

升压式直流斩波电路顾名思义即输出电压总是高于输入电压，其主电路如图1所示，由可控开关VT、储能电感L、升压二极管VD和滤波电容C组成。

升压式斩波电路的基本工作原理是：当可控开关VT处于通态时，电源E经开关VT向电感L提供能量，二极管VD承受反压而截止，负载R所消耗的能量由电容c提供，此时负载电压等于电容电压。当可控开关VT处于断态时，二极管VD导通，电源E和电感L叠加共同向电容C充电，并给负载R提供能量。

假设电路输出端滤波电容C足够大，以保证输出电压恒定，电感L的值也很大，电路数量关系推算如下：设VT通态时间为ton，此阶段L上储存的能量为EI1ton，设VT断态时间为toff，此阶段电感释放能量为（U0-E）I1toff。在稳态工作时，电感电压在一个周期（T=ton+toff）中积蓄能量与释放能量相等，即：

化简得：

（1-1）

1.2MATLAB/Simulink建模与仿真

为进一步分析升压式直流斩波电路的实际工作情况，利用MATLAB/Simulink软件搭建其仿真模型。可控开关VT由全控型器件IGBT组成，利用示波器进行各支路电流、电压表的波形监测，如图2所示。

在参数设置时，直流电压源E为24V，IGBT的通断由振幅为5，脉冲周期为0.2ms的脉冲来触发，脉冲宽度设置为80，即一个周期的80%开关VT导通，20%开关VT关断。根据理论公式（1-1）计算输出电压平均值：

对于仿真过程中电压波动幅值较大，应增加滤波电容或者提高变换效率。

2降压式直流斩波电路分析

2.1工作原理介绍

降压式直流斩波电路即对输入电压进行降压变换，其主电路如图4所示，由可控开关VT、滤波电容C、储能元件L和续流管VD组成。

降压斩波电路的基本工作原理是：当可控开关VT处于通态时，VD承受反压而截止，电源经开关VT给电感L储存能量，并向负载供电，负载电压U0=E-UL。当可控开关VT处于断态时，电感L产生感应电动势，二极管VD导通续流，负载电压U0=-UL。

（2-1）

当ton

2.2 MATLAB/Simulink建模与仿真

同1.2，利用MATLAB/Simulink建模搭建其仿真模型，如图5所示。参数设置时，由于重点观测降压过程，将直流电压源E设置为200V，IGBT的通断振幅及脉冲周期不变，脉冲宽度设置为50，即一个周期的50%开关VT导通，50%开关VT关断。根据理论公式（2-1）输出电压平均值：

仿真所得的输出电压u0波形如D6（a）所示，负载供电电流波形如图6（b）所示。负载上的电压u0从零开始迅速上升，最后稳定在100V左右，与理论值一致，实现了降压目的。其电压波动幅值较大，将电感从原来的L=0.1H扩大10倍至L=IH，所得到输出电压的波动变得平缓，最终稳定在100V，如图7所示。

第9篇：开关电源的设计与原理范文

【关键词】高层建筑；电气设计；节能原则

现代建筑向“纵深”发展，成为社会向前推进的必然趋势。随之而来的高层建筑电气设计也已成为一门综合性的应用技术，智能化、环保化的要求还在不断给我们提出新的研究课题。如何在不影响功能的情况下改善高层建筑高耗电量的现状，也迫切需要我们找到应对措施。本文针对高层建筑电气设计阶段相关问题，提出自己的看法。

1 高层建筑电气设计要点

1.1 电力负荷的确定

电力负荷是供电设计的主要依据。

国家现行规范，一类高层民用建筑的消防用电设备（如消防水泵、消防电梯、喷淋泵、排烟风机、消控控制中心、应急照明）、电梯、生活水泵用电、电话机房、安保设备和航空障碍灯等应按一级负荷要求供电，其它用电负荷分别为二级或三级负荷。电力负荷预算时应分别计算动力电和照明电。电力负荷预算正确与否，对电气设备的选择、配置，保证电气设备系统安全、高效运行，对整体工程的经济分析和相关设计，都有重要的指导意义。

高层建筑的电力负荷计算，基本上采用负荷密度法和需要系数法。

1.2 电源及电压的选择

至少设两个独立电源，采用10KV标准电压双回路供电。两路各带一半负荷同时供电、互为备用。10KV双回路供电电源分别来自不同的变电站，或来自双回路超高压变电站的两段独立母线。

某些超高层公共建筑可选择10KV三回路电源引入，采用两路使用一路备用的运行方式。

针对高层建筑中存在大量的一级负荷，还需备用柴油发电机组，要求在15s内自动恢复供电，应付意外情况的发生。

1.3 配电系统的设计

一般高压采用单母线分段形式。母线分段数目取决于电源进线回路数目，如有多台变压器组可分多段，自动切换，互为备用。10KV外部接线考虑环网接线形式，以提高配电网的可靠性。电源进线采用电缆进线。当供电电源分为主电源和副电源时，也可选用单母线不分段的结线。

高压供电系统及低压干线基本采用放射式供电，楼层配电则适合采用混合式系统。配电设备中的主要部分是干线。高层建筑的竖井多采用插接式母线槽，各楼层竖井设有配电间。水平干线较难走线，可采用全塑电缆与竖井母干线联接。层间配电箱经插接自动空气开关从竖井母干线取得电源。如果高层建筑需要较大供电负荷，应分散设立区域配电中心（可考虑设备层、中间层或最顶层）。

1.4 主要设备的选型

1.4.1 高压开关柜

通常高层建筑的变配电室设在主楼地下层，不宜采用油开关。根据高层建筑地下室的规定，选用具有“五防”功能的真空开关手车式高压开关柜。

1.4.2 电力变压器

根据《民用建筑电气设计规范》选择，主楼内不能装置油浸电力变压器。

高层建筑单体面积大，负载多，可选择多台大容量变压器组合使用。对季节性负载集中设置，以便在过渡期停用相应变压器，从而降低能耗。

1.4.3 低压配电屏

多为大容量出线，建议采用手车式。

1.4.4 应急备用发电机组

应急发电机组应自成系统，避免接入其他负荷。位置宜靠近各区域配电中心。发电机选型建议采用燃汽轮发电机，较之传统的柴油发电机，这种发电机具有体积小、重量轻、故障率低的优势，尤其适用于高层建筑。

1.5 变电所位置的确定

缩短供电半径是提高供电质量、降低电耗的基本出发点。高层建筑的主要用电负荷（如中央空调机房、泵房）都设在地下层，通常情况下，变配电所也设在地下层就具有经济上及环保方面的双重意义。

1.6 电气照明设计

高光效电光源是节能的需要。以此为出发点，根据使用功能、照度设计、眩光控制进行光源的选择、布局。由于电光源的装饰特性，它的布局还必须符合人们的审美情趣，力求在使用功能与艺术境界方面达到统一。

1.7 电缆与电线

一般动力设备与照明回路采用阻燃缆线；消防设备与应急照明应选择矿物绝缘的防火缆线，才能保证其紧急状态下的正常功能。

1.8 防雷与接地

高层建筑都是采用钢筋混凝土剪力墙，与楼板的连接牢固，关键是做好金属管线的接地。高层建筑的防雷接地、电气设备的保护接地和工作接地，都是合为一体组成综合接地系统。接地电阻按最小的要求而定，通常是在4欧以下。利用建筑物的钢筋混凝土基础作接地板。尽管基础钢筋等自然接地体已能满足接地电阻的要求，仍需要装设水平的人工接地体，将主要的建筑物基础连接成接地网。这对均衡电位、提高安全性都有好处。

2 高层建筑电气设计的特点与对策

①高层建筑由于照明及空调负荷多、电梯等运输设备多、给排水设备多，所以用电量特别大，对供电的可靠性要求很高；②高层建筑中，动力电与照明电各成系统、分别供电。动力负荷多采用放射式供电，照明负荷则采用母线槽配电方式；③高层建筑内部空间大、柱距大，又因其电气设备多，导致墙面埋线多、地面管道多；④高层建筑主体通常采用干法施工，并且建筑构件的预制装配化使施工周期缩短，要求电气施工科学地高效运行；⑤消防要求高。高层建筑高度高、设备多、人员密集、装修豪华、火灾隐患多，施救难度大，故对消防提出很高的要求。设计中对选材要有消防方面的针对性；⑥用电设备分散，管理难度大，要求微机系统监控管理；⑦防震要求：配电屏、灯具等电气设备的防震处理；管线的层间贯通和建筑伸缩缝与沉降缝的耐震处理；⑧节能要求：高层建筑的电气设计中，要把电能消耗指标作为全面技术经济分析的重要组成部分。围绕经济、节能和环保护的原则，采用技术先进、安全适用的配电方式，选用高效率变压器、电动机和高光效电光源、无功功率补偿装置和设备监控系统，减少电耗，节约用电。

3 高层建筑电气设计中的节能原则

节能环保业已成为我国当前一项国策。作为电能高消耗主体的高层建筑，必须在设计阶段坚定节能方针，从设备选型、配置到传输线路的距离、功耗；从吸收先进技术到降低无谓能耗，高层建筑节能潜力很大，也对电气设计人员提出了更高要求。

高层建筑电气设计必须能满足建筑物的功能，在照度、色温、温湿度、空气流通诸方面达到使人舒适的程度，为建筑物的各种服务功能提供充足的动力电。在此基础上控制无谓能耗，作为节能的着眼点。首先找出哪些能耗是与发挥建筑物功能无关的，再制定、采取节能措施。如变压器的功率损耗、输电线路上的有功损耗都是无用的能量损耗；还有量大面广的照明用电，都可以通过采用先进技术及新型节能光源加以改善。

节能设计要结合实际经济效益因素，不能因为节能而盲目投资，增加运行费用。技术或设备的革新、换代增加的投资，应该能在较短的时间内用节能所节省的运行费用收回。选用节能设备时，应具体了解其原理、性能、效果，经技术、经济两方面比较而定。节能措施必须遵循技术先进、经济合理、环保实用的原则。

参考文献