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浪涌保護(hù)器的跟蹤濾波與供電污染的治理
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http://www.mamogu.com 發(fā)稿日期：2008-3-10
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- 電力工業(yè)的快速發(fā)展使得配電系統(tǒng)日益復(fù)雜，也使供電質(zhì)量問(wèn)題變得日益明顯。電源質(zhì)量的高低直接關(guān)系到所有電子設(shè)備的正常運(yùn)行。比如，如果電腦經(jīng)常死機(jī)，數(shù)據(jù)丟失，指令錯(cuò)誤，很有可能是電子設(shè)備（計(jì)算機(jī)等）所在區(qū)域的電源質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，而造成電路板上元件過(guò)快老化而出現(xiàn)故障。
及時(shí)了解電源質(zhì)量出現(xiàn)的問(wèn)題和迅速消除電污染就成為了問(wèn)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(shí)，正弦上就會(huì)產(chǎn)生毛刺，這些毛刺在經(jīng)過(guò)整流器是不會(huì)消除，因此會(huì)直接影響電子設(shè)備的直流電源和信號(hào)波形的變形。這些變形對(duì)于敏感的電子設(shè)備，都可能造成運(yùn)行錯(cuò)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(shí)踐證明，瞬態(tài)高壓浪涌會(huì)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(yīng)雷透過(guò)感應(yīng)方式耦合到電力電子設(shè)備的電源線、控制訊號(hào)線或通訊線上的雷擊浪涌，其沖擊電流可高達(dá)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(dòng)機(jī)及水泵的啟停、電焊機(jī)和重載可控硅負(fù)載的的運(yùn)行、補(bǔ)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(dá)100KA數(shù)量級(jí),峰值電壓最高達(dá)6000V。
第三種是產(chǎn)生于用電系統(tǒng)內(nèi)部末端負(fù)載間的瞬態(tài)浪涌，如復(fù)印機(jī)的運(yùn)行、激光打印機(jī)開(kāi)啟、繼電器、開(kāi)關(guān)、電磁閥、變頻調(diào)速器的運(yùn)行、末端負(fù)載過(guò)流短路故障用靜電放電等，其峰值電壓可達(dá)5000V，沖擊電流幾百安培數(shù)量級(jí)。
供電系統(tǒng)的供電污染所造成的危害有：它會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備立即造成災(zāi)害性不可恢復(fù)的直接經(jīng)濟(jì)損失，整個(gè)系統(tǒng)停頓，如銀行電腦服務(wù)停頓，移動(dòng)電話通訊中止等間接經(jīng)濟(jì)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(dá)到700-800V數(shù)量級(jí)的浪涌過(guò)多過(guò)頻出現(xiàn)，傳輸或存儲(chǔ)的訊號(hào)或數(shù)量錯(cuò)亂或丟失，服務(wù)器或電腦死機(jī)。
二、供電系統(tǒng)的污染的治理
針對(duì)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(hù)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(hù)器有兩種，即包絡(luò)線（或門(mén)限）浪涌保護(hù)器和帶正弦波跟蹤濾波的浪涌保護(hù)器。
現(xiàn)在市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)的大多數(shù)電源浪涌保護(hù)器（常見(jiàn)并聯(lián)型電源浪涌保護(hù)器），是僅使用固態(tài)保護(hù)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(shí)，通過(guò)鉗制跨接在浪涌保護(hù)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(hù)器的動(dòng)作電壓一定要達(dá)到一定的幅值，避免干擾被保護(hù)供電線路的正常運(yùn)行。
在應(yīng)用于保護(hù)交流電源時(shí)，單一模式的浪涌保護(hù)器有一個(gè)主要的缺點(diǎn)，即：浪涌保護(hù)器的動(dòng)作電壓與交流電源瞬時(shí)正弦波位置無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，它的鉗位電壓范圍（ClampingBarrier）相對(duì)于交流電源的中性點(diǎn)（或大地）是固定的。大多數(shù)應(yīng)用于AC220/380V低壓供電系統(tǒng)的單一模式電源浪涌保護(hù)器把動(dòng)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(hù)器建立的是一個(gè)均勻鉗制電壓包絡(luò)線，其鉗制電壓點(diǎn)會(huì)因瞬時(shí)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(hù)裝置，可能允許一個(gè)發(fā)生在+90°相位的169V正瞬態(tài)脈沖通過(guò)。同樣的裝置可能允許發(fā)生在+180°相位下的一個(gè)480V的正瞬態(tài)脈沖通過(guò)。如果相同的瞬態(tài)脈沖發(fā)生在+270°相位，則可能讓一個(gè)960伏特的正瞬態(tài)脈沖通過(guò)。
包絡(luò)線型鉗位抑制裝置對(duì)于防止結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)備（比如電動(dòng)機(jī)負(fù)載等）受瞬態(tài)損壞是有效的。但它們?cè)诒Ｗo(hù)敏感電子電路或微處理器的濾波精度方面卻達(dá)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(guò)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(guò)電源線路進(jìn)行傳播（如通過(guò)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(shí)過(guò)電壓幅值。
在實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的測(cè)量表明，在交流電源輸入端的瞬態(tài)過(guò)電壓，有0.1％至2％會(huì)出現(xiàn)在敏感電子電路的直流電源母線上。開(kāi)關(guān)電源比線性電源更嚴(yán)重，一般有1％以上的瞬態(tài)過(guò)電壓進(jìn)入電路內(nèi)部。對(duì)于電源濾波電容器，由于它的自感存在，并不能對(duì)瞬態(tài)過(guò)電壓脈沖進(jìn)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(hù)器僅能限制正弦波以上570V的瞬態(tài)過(guò)電壓，將有5.7V的浪涌峰值會(huì)出現(xiàn)在直流母線上，該值足以擾亂邏輯信號(hào)，甚至損壞芯片。
通過(guò)采用改進(jìn)的電源浪涌保護(hù)器-正弦波跟蹤濾波浪涌保護(hù)器可以克服上述缺點(diǎn)。這類(lèi)保護(hù)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(fù)合混合濾波器／抑制器電路，無(wú)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(mén)限鉗位裝置相比，無(wú)論任何時(shí)刻，均可達(dá)到最佳的、一致的電源保護(hù)水平。其示意圖如下。
美國(guó)JOSLYN公司生產(chǎn)的跟蹤濾波浪涌保護(hù)器是最好的正弦波跟蹤濾波浪涌保護(hù)器，在浪涌保護(hù)器的內(nèi)部有增強(qiáng)型跟蹤濾波器，從而大大提高濾波的精度。美國(guó)JOSLYN公司生產(chǎn)的跟蹤濾波浪涌保護(hù)器可將浪涌衰減到正弦波的幾十伏特以?xún)?nèi)。它保證通過(guò)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(cuò)誤。美國(guó)JOSLYN公司生產(chǎn)的跟蹤濾波浪涌保護(hù)器濾波效果示意圖如下。
因此，在對(duì)電子設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)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(hù)器，確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，免除因浪涌造成的錯(cuò)誤、故障及維護(hù)、維修損失。
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