出处：电子发烧友发布于：2023-07-2415:24:13
摘要：为了在失电情况下继续维持智能终端设备短暂工作，提出了一种基于电容储能的自动化终端备用开关电源解决方案。论述了电路组成、下限工作电压选取和储能电容器容量设计方法。根据能量平衡关系，分析了负载突然增大和负载突然减轻情况下的严重电压凹陷和电压骤升，并得出输出滤波电容容量的设计考虑。以一个具体的电容储能FTU电源为例，详细说明了电路参数的设计方法，并进行了实验研究。实验结果表明所设计的电容储能备用电源能够满足在失去正常供电电源后自动化终端待机、操作和通信的需要，并且所进行的理论分析与实际情况相符。
0引言
在变电站内的智能终端设备，可以采用蓄电池储能构成备用电源系统。但是安装在户外环网柜、柱上开关、配电变压器等的智能终端设备，需要在恶劣的环境下工作，采用蓄电池无论对于设备可靠性或维护方便性而言都是不理想的。
从户外智能终端设备在失电后需要一段短暂的平均功率较小的维持电源供应需求看，采用超级电容器和大容量电解电容器作为储能手段是完全可行并且较蓄电池而言更加合适[5]。
本文论述一种采用电容储能的备用开关电源分析和设计方法，并对其性能进行实验验证。
1电路组成
电容储能开关电源由整流电路、切换电路、DC-DC变换器、工作储能电容器和操作储能电容器等部分组成，其结构如图1所示。对于TTU等不需要控制的情形，可仅有虚线下方部分。
整流电路用以在正常供电情况下为电容充电，切换电路A用以在失去正常供电时将DC-DC变换器切换到工作储能电容上，当恢复正常供电时再将其切换回来。切换电路B用以在失去正常供电时将开关操动机构切换到操作储能电容上，当恢复正常供电时再将其切换回来。工作储能电容器用以储存能量，在失去交流电源时维持开关电源工作为智能终端供电。操作储能电容器用以储存能量，在失去交流电源时满足开关操作的需要。DC-DC变换器用以将交流电源和工作储能电容器中的能量转换成所要求的形式以供智能终端设备使用。一般输入电压都高于自动化装置的工作电压，因此常采用降压型buckDC-DC变换器[6]，其组成如图2所示。
图中S为功率开关，D为二极管，L为电感，Co为输出电容，RL为负载。Vi为输入电压，Vo和Io分别为输出电压和输出电流。
正常时的工作电源VS和操作电源VC有时相同有时并不相同。正常时的操作电源VC一般直接取自电压互感器二次侧，因此为AC220V（整流后为DC310V）或AC100V（整流后为DC141V）；而正常时的工作电源VS有时也直接取自电压互感器二次侧，有时则采用一个二次变压器兼隔离装置进一步降压后得到。
对于输入输出电压相差很悬殊的情形，DC-DC变换器一般需要采用脉冲隔离变压器来满足电压变比的要求。还可以采用如图3所示的串并电容组合结构（SP）[7，8]构成工作储能电容器，它具有串联充电和并联放电的特性，因此在失去交流电源而由工作储能电容器放电维持工作期间，串并电容组合结构实际上起到了降压的作用。通过选取恰当阶数的串并电容组合结构，就有可能在DC-DC变换器中不需要采用隔离变压器也能满足电压变比的要求。
图1虚线上部的设计和应用已经比较成熟[9]，操作储能电容器电压和容量的设计需要根据开关操作机构的特点和所需要的能量确定，本文不再赘述，下面着重论述虚线下面部分的分析与设计考虑。
2参数设计
2.1变换器的下限工作电压
电压骤升和凹陷都是由于变换器对于电压或负载突变的动态响应过程造成的，但对于电容储能备用电源，其输入电压为电容电压不会突变，因此电压骤升和凹陷主要由于负载突变引起。
1）电压凹陷
开关频率f取为50kHz，则在Vi-Io平面上该变换器的全部工作范围内，变换器都处于CCM。
基于上述参数，研制了一台电容储能开关电源，功率开关管采用MOSFETIRF9540，二极管采用MBR20100，PWM控制器采用TL494，工作储能电容采用1F/50V的超级电容器。
采用电阻器作为负载，并用开关分别接入和断开进行了从空载到满载和从满载到空载的实验，输出电压的波形如图4所示。
4结论
采用电容储能的自动化终端备用电源能够满足在失去正常供电电源后自动化终端待机、操作和通信的需要。
所进行的理论分析符合实际情况，所建议的设计方法是可行的。
所建议的电容储能的自动化终端备用电源已经应用于作者研制的配电自动化终端设备中，运行结果表明其是可行的。
参考文献
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