科華240V高壓直流電源系統介紹.doc

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科華240V高壓直流電源系統介紹 第一章 概述 隨著信息技術的發(fā)展與數據業(yè)務的迅速擴大，尤其是高功率密度設備的大量應用，使得“建設節(jié)約又安全的通信供電系統”成為了各大通信運營企業(yè)關注的焦點，對通信電源也提出了新的運用要求。 240V高壓直流電源系統是配合通信行業(yè)動力系統方案升級而推出的一款新型的大功率，高效、節(jié)能、環(huán)保的新型智能化電源系統，符合國家節(jié)能、降耗、減排的產業(yè)政策；降低通信系統運行能耗，提高可靠性的最佳動力系統方案。 圖1是IT設備的電源工作原理， 由上圖可見,雖然IT設備輸入是交流電源，但核心部分還是DC/DC變換電路，我們只要輸入一個范圍合適的直流電壓給DC/DC變換電路，就同樣能安全滿足IT設備工作。因為輸入端沒有工頻變壓器，所以輸入直流不會產生短路阻抗，就沒有必要非得交流輸入，不用交流也就沒有必要用UPS，由此因UPS交流供電引起的一切不利因素也就自然而然地消失了。如果我們輸入的直流合理配上蓄電池，輔以遠程監(jiān)控，構成一個可靠的直流供電系統，就可取代UPS交流供電系統 高壓直流電源系統的的工作原理框圖如圖2所示： 240V高壓直流電源系統包括PFC AC/DC市電整流升壓電路、DC/DC變換電路、輸出濾波電路、監(jiān)控器、電池組等部分。在市電正常時，輸入通過PFC升壓成穩(wěn)定直流電壓，供給DC/DC變換器，輸出穩(wěn)定的240V直流，同時完成對電池的充電。當市電異常時，電池通過直接給負載供電。由于采用世界領先的“三相三線功率因數校正技術”、“諧振電壓型雙環(huán)控制的諧振開關電源技術”，具有體積小、重量輕、效率高、功率因數高、輸入電流波形失真度（THD）低、高可靠等優(yōu)點。 240V高壓直流電源系統主要由整流柜（整流模塊、監(jiān)控模塊）、交流配電柜、直流配電柜(列頭柜)，電池柜（含電池管理）四大部分構成，如圖3所示。 圖3 直流電源系統的基本組成結構 整個系統采用模塊化進行設計，在提高電能使用效率，降低本身損耗，提高可靠性有了很大提高。同時，根據負載大小可以調整模塊工作的數量，使系統能夠工作較高的轉換效率。再者，系統的割接改造更為方便，直流電源只要做到電壓和極性相同就可以連到一起。 240V高壓直流電源系統優(yōu)點： l 一次能源變換，效率高 l PFC變換，諧波小，功率因數高 l 電池直接供給負載使用率高 第二章 科華240V高壓直流電源系統介紹 科華240V高壓直流電源系統采用全數字控制技術、系統智能化監(jiān)控理念進行研制的大功率、高智能、高可靠、節(jié)能、環(huán)保的綠色電源系統；主核心模塊采用CAN接口，配件以及選件模塊采用RS485接口，系統可靈活配置，易于擴展。 以下簡述各部分的組成、功能、基本配置、擴容等。為了滿足不同客戶需求，減少非標產品的制作難度，整個系統的設計采用模塊化方式，即整流模塊、配電監(jiān)控模塊、系統監(jiān)控模塊、電池管理模塊四大功能模塊，靈活組合各種不同配置，不同容量的系統。高壓直流電源系統應用框圖如圖4所示； 圖4 科華240V高壓直流電源系統應用框圖 機柜采用標準的800 * 800 * 2000機柜，系統包括監(jiān)控模塊（觸摸屏）、配電監(jiān)控模塊、整流模塊（5+1模式）、絕緣監(jiān)察模塊、模擬量監(jiān)測模塊（選件）、開關量監(jiān)測模塊（選件）、電池巡檢模塊以及電池組，各個模塊的主要功能如下： 1. 監(jiān)控模塊：主要功能為完成系統運行參數顯示、系統參數設置、歷史記錄存儲、與上位機監(jiān)控平臺信息交互；RS485信息交互接口。 2. 配電監(jiān)控模塊：主要功能為交流配電、直流配電監(jiān)控，配電模塊開關量監(jiān)測，配電模塊絕緣監(jiān)察，與整流模塊信息交互實現整流模塊的數字化均流，系統智能調度；CAN、RS485信息交互接口，CAN接口實現與整流模塊的信息交互，RS485實現與顯示模塊、配件或選件模塊的信息交互。 3. 整流模塊：整流模塊是系統的核心部分，它將交流變換成直流（AC/DC），給負載供電，同時對電池充電，實現模塊數字化三電平三相APFC輸入功率因數校正，數字化三電平DC/DC變換，可由配電模塊DSP進行智能調度，額定輸出240VDC/40A，最大功率12KW；CAN以及RS485信息交互接口。 4. 絕緣監(jiān)察模塊：實現直流配電柜各支路絕緣監(jiān)察，RS485信息交互接口。 5. 模擬量監(jiān)測模塊：實現直流配電柜個各支路模擬量(支路電流)監(jiān)測，RS485信息交互接口。 6. 開關量監(jiān)測模塊：實現各支路開關量監(jiān)測以及遠程輔助控制，RS485信息交互接口。 7. 電池巡檢模塊：實現對電池端電壓檢測、電池內阻檢測（預留）、電池電壓均衡性監(jiān)測、電池溫度監(jiān)測等，對于電池內阻監(jiān)測功能本次設計先不考慮，后續(xù)進行完善。 8. 電池組：電池組是保證不間斷供電的關鍵，在交流停電時，由蓄電池給負載供電 科華240V高壓直流電源外觀如圖5 圖5 科華240V高壓直流電源外觀圖 2.1 產品特點 本產品為新一代的數字化模塊化產品，將具有以下特點： 1）系統監(jiān)控功能完善，高智能化； 2）智能化系統具有高效節(jié)能模式（由配電監(jiān)控模塊智能調度）、電池溫度補償等功能； 3）整流模塊數字化均流，不均流度將優(yōu)于3%; 4）模塊化設計，系統N+1冗余模式，易于擴容，具有高可靠、高效節(jié)能等優(yōu)點； 5）由于模塊采用了全數字化設計，大大提高了系統的智能化控制程度，可方便實現模塊智能調度、輸出電壓智能調節(jié)、輸出電流智能調節(jié)、模塊功率限制等； 6）模塊的熱插拔設計，方便維護； 7）顯示觸摸屏設計，人機交互界面友好； 8）整流模塊與配電模塊采用CAN總線設計，其余模塊采用RS485總線擴展設計方案， 系統可根據實際需求靈活配置。 2.2產品應用范圍 本產品為一種新型的不間斷電源產品，主要專門為通信用的IDC機房等應用場所而設計。240V高壓直流系統輸出的是240V的直流電，用直流電給交流負載供電必須確保所接負載是開關整流型負載（如普通PC機、網絡交換機、光纖收發(fā)器、 服務器、磁盤陣列等IT設備），非開關整流型的交流負載（如照明、空調、消防以及所有感性負載等）不能用此系統供電，否則會損壞負載）此外，還有以下幾點要注意： l 服務器若是含有頻率檢測功能，則直流系統不能使用，需要經過上電后測試確認 l 小型機由于是早些年購買的，上電前要檢測輸入電阻，若為幾十至幾百歐姆則不可使用直流系統。 l 取消保護接地就近接地的習慣，直流供電系統范圍內全部采用三芯線 第三章 240V高壓直流電源系統性能指標 3.1基本電氣環(huán)境要求 型號 指標 240V高壓直流電源系統 輸入 特性 電壓范圍 380V（-30%~+40%） 電壓諧波含量 ≤5% 電流諧波含量 100%負載 ≤5% 50%負載 ≤10% 功率因數 100%負載 ≥0.99 50%負載 ≥0.98 缺相工作情況 缺相保護 頻率范圍 (Hz) 40－66 接入方式 三相三線、地線 電池電壓(Vdc) 240 適用電池容量 100AH~2000AH（可任意配置） 輸出 特性 功率(kW) 72（可擴展，最多480KW） 額定輸出電壓(V) 240 輸出電壓范圍 180V~300V 連續(xù)可調 輸出電流等級（A） 40 * N（N為模塊數量） 輸出限流 額定電流（20% ~110% ） 動態(tài)響應(μs) 在20％負載躍變道80％負載時恢復時間≤200μS，超調≤5％ 穩(wěn)壓精度 ≤0.5% 穩(wěn)流精度 ≤1.0% 紋波系數 ≤0.5% 效率 100%負載 ≥93% 50%負載 ≥92.5% 并機性能 ≤1%（監(jiān)控系統失效可正常工作，不均流度≤1%） 充電方式 均充/浮充（具有手動和自動模式） 系統絕緣監(jiān)測 直流母線以及直流支路均設置絕緣監(jiān)測 其 它 特 性 絕緣電阻 ≥10M 絕緣強度 輸出對地、輸入對地、輸入對輸出施加2.5KVAC, 1min無飛弧無閃絡 報警功能 電池異常、絕緣異常、市電異常、輸出異常、模塊異常、系統故障 防護等級 ≥IP20 面板顯示 友好的LCD觸摸屏人機互動界面 音頻噪聲 (dBA) ≤65dB 保護功能 交流輸入過壓欠壓保護、直流輸出過壓欠保護、輸入缺相保護 過載保護、直流輸出過流保護、短路保護、過溫保護 防雷等級 交流配電C級，直流配電C/D級（選配） 冷卻方式 風冷（風扇調速） 輸出要求 正、負極均不得接地，采用懸浮方式供電 尺寸 (mm) (寬深高) 8008002000 重量 (Kg) 表1　 科華240V高壓直流電源主要技術指標 3.2環(huán)境條件 裝置在以下環(huán)境條件下可正常工作： 項 目 參 數 備 注 工作溫度 -5 ℃～+40 ℃； 電信標準 儲藏溫度 -40 ℃～+70 ℃； 電信標準 工作相對濕度 ≤90%； 402C,無冷凝 儲藏相對濕度 ≤95%； 402C,無冷凝 大氣壓力 86 KPa～106 KPa。 噪 音 <65dB (在1 m處測量) 抗震性能 系統能承受頻率為10Hz~55Hz、振幅為0.35mm的正弦波振動 滿足標準 YD 5096-2005 海 拔 海拔高度≤1000m 海拔高度>1000m時，應按GB/T 3859.2-93規(guī)定降容使用 表2　 科華240V高壓直流電源工作環(huán)境指標 第四章 240V高壓直流電源系統智能監(jiān)控管理介紹 4.1系統具有模塊智能調度功能，提高系統效率以及系統最大利用率。 1) 模塊休眠：當每個模塊的負載低于70%時，系統監(jiān)控模塊根據算法，可以任意關閉一個模塊，使其處于待機狀態(tài)，實現系統最佳節(jié)能運行。 （系統模塊至少有3個處于正常工作狀態(tài)） 2) 模塊輪休：監(jiān)控模塊可以讓休眠模塊啟動運行，而讓在運行的模塊進入休眠狀態(tài)，實現輪流休眠，提高系統模塊的可靠性。 4.2系統具有智能管理控制功能，用以適應不同應用場合的需求，靈活配置。 1) 模塊調壓：根據監(jiān)控平臺可設置，模塊輸出電壓可以自動、連續(xù)調節(jié)。 2) 模塊運行模式控制：模塊既可以恒壓（浮充）方式運行，也可以恒流（限流）方式運行。 3) 模塊限流調節(jié)：系統可根據實際需求，設置調節(jié)模塊的限流點。 4) 模塊監(jiān)測：監(jiān)控模塊可以隨時調取模塊的所有狀態(tài)參數。 5) 遠程控制：監(jiān)控模塊上傳系統運行參數，接收遠端控制中心命令，控制系統運行。 4.3系統具有電池智能管理功能，延長系統電池組的應用壽命。 1) 均浮充控制：系統可根據電池組電壓以及充電電流自動管理控制電池均充或電池浮充。 2) 定時充放電：系統可根據監(jiān)控平臺的設置要求，可自動完成對電池進行定期充電，定期放電管理。 3) 電池智能放電測試：系統電池測試時，可自動調低系統輸出電壓，讓電池帶載放電，當電池電壓到達設定放電電壓時，監(jiān)控模塊控制系統停止放電，進入自動充電狀態(tài)，用以完成定期對電池自動放電，由于采用此種智能放電方式可以大大提高系統電池測試的可靠性；另外在此種放電測試條件下，系統計算電池的放電容量，判斷電池容量的變化程度，用以提示用戶。 4) 溫度補償：系統根據電池環(huán)境溫度，可智能調節(jié)系統輸出電壓，完成對電池浮充充電溫度補償功能（補償范圍：1mV~5mV/(C.cell），可由監(jiān)控平臺設置）。 第五章 240V高壓直流電源模塊簡介 5.1 整流模塊 我公司生產的高頻開關電源采用全數字化控制技術，采用三電平拓撲結構，具有體積小、重量輕、效率高、空載損耗低、運行穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點。并采用三相三線有源功率因數校正技術，使得交流輸入范圍寬，諧波干擾小。配有標準CAN和RS485接口，易于與自動化系統對接，適用于各種容量及電壓等級的直流系統。 5.1.1 模塊主要特點 采用全程軟開關技術高頻開關管及整流管全部軟開關，效率高，空載功耗小。 三相三線功率因數校正技術，功率因數高、輸入電流波形失真度（THD）低。 直流輸出內置隔離二極管，可以不增加額外措施實現熱插拔。 模塊具有RS-485和CAN接口，方便接入自動化系統進行通信。 輸出過壓保護：內置過壓保護電路，出現過壓后模塊自動鎖死，模塊故障指示燈亮，故障模塊自動退出工作，不影響整個系統正常運行； 輸出限流保護：每個模塊輸出電流最大限制為額定輸出電流的1.1倍。 短路保護：采用回縮下垂限流方式，模塊輸出特性先降低輸出電壓限制輸出電流，輸出短路時模塊在瞬間把輸出電壓拉低到零。模塊可長期工作在短路狀態(tài)，不會損壞，排除故障后模塊可自動恢復工作。 模塊并聯保護：模塊內部并聯采用數字化控制，數字化均流，故障時模塊自動退出系統，不影響其它模塊正常工作。 過溫保護：模塊檢測散熱器溫度超過85℃時自動關機保護，溫度降低后模塊自動啟動。 5.1.2性能指標 表3 三相輸入240V輸出系列模塊特點及技術參數 型號 KHD240-40 輸出電流（A） 40 功率（KW） 12 重量(kg) 13 冷卻方式 強制風冷 散熱器溫升 ≤20℃ 輸入電壓 范圍（VAC） 最小值 260 典型值 380 最大值 530 輸出可調 范圍（VDC） 最小值 180 典型值 240 最大值 290 穩(wěn)壓精度 ≤0.5% 穩(wěn)流精度 ≤1% 輸入功率因數 ≥0.93 最大可聞噪聲（dB） 55 存儲溫度（℃） -40～60 工作環(huán)境 溫度（℃） -10～40 并機不均流度 監(jiān)控正常 ≤1% 監(jiān)控異常 ≤1% 啟動延時（秒） 3～8 峰--峰值雜音電壓 ≤0.5% 效率 100%負載 ≥93.5% 50%負載 ≥93% 自動限流特性 輸出電流超過輸出限流設定值時，恒流輸出，輸出電流不會增大。 輸出過壓保護 輸出電壓超過290VDC模塊自動停止輸出,以防損壞設備 輸出低壓保護 配電監(jiān)控模塊低壓保護告警點，默認點：160VDC 輸出短路保護特性 輸出短路時，模塊自行保護，以防損壞，排除故障可自動恢復工作。 絕緣強度 輸入對機殼2500VAC 1分鐘10mA 無擊穿、無飛弧 輸入對輸出2500VAC 1分鐘 10mA無擊穿、無飛弧 輸出對機殼2000VAC 1分鐘10mA無擊穿、無飛弧 模塊工作方式 自動模式 接受系統監(jiān)控模塊調度 手動模式 適用于模塊單獨工作，浮充態(tài)限流輸出（272.55VDC） 5.2 配電監(jiān)控模塊 直流240VDC直接作為模塊輸入電源，電源范圍：90VDC~300VDC。主要功能是檢測輸入和輸出的參數狀態(tài)，并通過485總線將信息上傳給主監(jiān)控平臺。 1） 交流配電方面，輸入通過監(jiān)測交流配電開關量、交流電壓以及交流電流，上報主監(jiān)控模塊用以顯示，并且通過主輸入電壓判斷用以控制模塊工作。 2） 直流配電方面，監(jiān)測系統直流配電空開開關量、電池組電壓、電池充放電電流、直流母線電壓、模塊總負載等。 3） 整流模塊方面，配電監(jiān)控模塊與整流模塊之間通過CAN總線進行通信，監(jiān)測整流模塊的輸出負載總電流，對各整流模塊下發(fā)模塊電流限流點命令，實現整流模塊進行數字均流；配電模塊可對整流模塊進行智能調度，控制整流模塊進行休眠，提高系統的利用率以及模塊的可靠性；配電監(jiān)控模塊接收主監(jiān)控模塊（整流模塊額定輸出電流限流點）設置信息后，通過CAN通訊下發(fā)給各整流模塊 4） 電池管理方面，配電監(jiān)控模塊可對系統進行均浮充自動裝換參數進行設置，并對電池電壓和電流進行監(jiān)控，防止電池過壓過流。電池處于浮充狀態(tài)，可對電池進行容量測試。 5） 其他監(jiān)控，包括防雷器空開，溫度監(jiān)測，絕緣監(jiān)測等 5.3 LCD監(jiān)控觸摸屏模塊 模塊電源由系統輸出240VDC直流電源經過DC/DC裝換成為模塊輸入的24VDC電源，24V電源模塊電壓范圍：90VDC~300VDC 監(jiān)控模塊監(jiān)控方案如圖6所示 圖6 主監(jiān)控方案 通過485總線，主監(jiān)控觸摸屏與配電監(jiān)控模塊、開關量模塊、電池巡檢模塊、模擬量模塊和絕緣監(jiān)測模塊進行通信，各模塊將檢測到的數據上傳給觸摸屏進行信息顯示，觸摸屏通過人機互動下發(fā)設置信息給各個模塊。 5.3 配件小模塊 5.3.1 絕緣監(jiān)測模塊 240VDC直流電源直接作為模塊輸入電源，電源范圍:90VDC-300VDC。負責監(jiān)測母線絕緣、支路絕緣，并通過RS485接口將數據上傳到監(jiān)控主機。1個模塊具有最多可監(jiān)測64路直流支路絕緣，最多可擴展15個模塊 監(jiān)察內容 1）接收主監(jiān)控模塊下發(fā)的監(jiān)察通道設置，通過配電監(jiān)控模塊協調，實時在線監(jiān)察每路支路的絕緣狀況。 2）通過RS485通訊實時上報每個支路的絕緣電阻值（包含：支路編號以及絕緣阻抗）。 通過RS485通訊實時上報異常接地支路編號、極性、絕緣電阻值（測量誤差不大于整定值的15%）。 5.3.2 模擬量檢測模塊 240VDC直流電源直接作為模塊輸入電源，電源范圍:90VDC-300VDC。1個模塊具有最多可監(jiān)測64路直流支路電流，最多可擴展15個模塊?？赏ㄟ^觸摸屏設置電流霍爾額定值。 檢測內容 1）接收主監(jiān)控模塊下發(fā)的模塊監(jiān)測通道數量以及霍爾規(guī)格，模塊根據通道數量進行各支路電流巡檢。 2）通過RS485通訊實時上報每個支路的電流值（包含：支路編號、支路電流） 5.3.3 電池巡檢模塊 240VDC直流電源直接作為模塊輸入電源，電源范圍:90VDC-300VDC。1個模塊具有最多可監(jiān)測64節(jié)電池端電壓（兼容2V/6V/12V規(guī)格電池），最多可擴展7組電池?？赏ㄟ^觸摸屏配置電池規(guī)格和電池組數。 監(jiān)測內容 6） 接收主監(jiān)控模塊下發(fā)的模塊巡檢通道數量以及電池規(guī)格，模塊根據通道數量進行各節(jié)電池端電壓巡檢。 2）通過RS485通訊實時上報每節(jié)電池端電壓（包含：電池編號、端電壓）。 5.3.3 開關量檢測模塊 240VDC直流電源直接作為模塊輸入電源，電源范圍:90VDC-300VDC。1個模塊具有最多檢測64個開關量，最多可擴展15個模塊，通過主監(jiān)控平臺進行配置。單模塊最多可配置8個輸出輔助控制口?？赏ㄟ^觸摸屏設置模塊開關量通道數和模塊數量。 監(jiān)控內容 1) 接收主監(jiān)控模塊下發(fā)的模塊監(jiān)測通道數量，模塊根據通道數量進行各個開關量巡檢。 2) 接收配電監(jiān)控模塊下發(fā)的控制命令，控制相應輔助功能配置口，預留功能。 3) 通過RS485通訊實時上報每個監(jiān)測的開關量信息（包含：開關量編號、狀態(tài)）。