隨著數(shù)字儀控系統(tǒng)在工業(yè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，效率及可靠性更高的開關(guān)電源在數(shù)字儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。采用單臺(tái)電源供電，電源模塊勢(shì)必在處理巨大功率的同時(shí)，因電應(yīng)力較大，而給功率器件的選擇、開關(guān)頻率和功率密度的提高帶來(lái)困難。一旦單臺(tái)電源發(fā)生故障，則導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，所以，對(duì)于使用多個(gè)小容量開關(guān)電源進(jìn)行擴(kuò)容及冗余技術(shù)的研究尤為重要。小容量多電源并聯(lián)冗余的設(shè)計(jì)有效地解決了大容量單臺(tái)電源集中使用缺少冗余保護(hù)機(jī)制的問(wèn)題，隨著大功率輸出和分布式電源的出現(xiàn)，使電源模塊并聯(lián)技術(shù)得以迅速發(fā)展。模塊輸出間的直接并聯(lián)運(yùn)行必須考慮由于各個(gè)模塊輸出特性不一致而造成每個(gè)模塊輸出不均流的問(wèn)題，以確保各個(gè)電源模塊分擔(dān)相等的負(fù)載功率[1-2]。

1 電源冗余及擴(kuò)容技術(shù)介紹[3]
    儀控系統(tǒng)的冗余一般都是通過(guò)關(guān)鍵設(shè)備并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，例如n取p系統(tǒng)中的二取一冗余方法、三取二冗余方法、四取二冗余方法、二取二方法、n+m取n方法等。每種冗余方法的基本機(jī)理都是通過(guò)設(shè)備并聯(lián)并輔以相應(yīng)的決策機(jī)制來(lái)完成冗余設(shè)計(jì)的，高冗余機(jī)制系統(tǒng)在有設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以降級(jí)到低冗余機(jī)制運(yùn)行。例如：當(dāng)n+m冗余方法中出現(xiàn)p個(gè)設(shè)備同時(shí)故障時(shí)，可以降級(jí)到n+（m-p）方式運(yùn)行。

    在電源配電回路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用多組n+m電源模塊組成冗余擴(kuò)容電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，例如采用1+1型、3+3型等供電設(shè)計(jì)，通過(guò)使用具有相同參數(shù)特性的電源模塊并聯(lián)運(yùn)行來(lái)達(dá)到配電回路的高可靠度，這樣形成的分布式供電體系相對(duì)集中供電具有容量易擴(kuò)充、使用靈活、便于維護(hù)、可配置形成冗余機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)某一組或幾組電源出現(xiàn)故障無(wú)法正常工作時(shí)，由其他熱備電源進(jìn)行供電。在初始特性相同的電源模塊運(yùn)行一段時(shí)間以后，不可避免地會(huì)出現(xiàn)輸出特性的差異，輸出特性的變化將影響擴(kuò)容冗余電源模塊組的穩(wěn)定運(yùn)行，逐漸出現(xiàn)不同電源模塊承擔(dān)的負(fù)載功率不同的情況，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致各個(gè)電源模塊所承受的電、熱應(yīng)力不同，使部分電源模塊過(guò)早的損壞。因此，在電源冗余擴(kuò)容系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)所用電源的功率、可靠性以及系統(tǒng)所規(guī)定的最短平均無(wú)故障時(shí)間等參數(shù)考慮電源的搭配設(shè)計(jì)，同時(shí)制定相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)措施，確保電源作為儀控系統(tǒng)的能量來(lái)源能夠安全、可靠、長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行。
    典型電源組合示意圖如圖1所示。

示。當(dāng)單個(gè)電源低于其他時(shí)源時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。（RL=196 mΩ）。

    從以上兩次試驗(yàn)可以看出，在3+3冗余配電體系中，當(dāng)單個(gè)電源電壓輸出漂移升高時(shí)，電源的負(fù)載電流輸出有較大的上升，相應(yīng)地電源的發(fā)熱也會(huì)顯著地增加，但與此電源并聯(lián)冗余的電源模塊負(fù)載輸出變化不大，配電系統(tǒng)的總輸出上升，對(duì)于純電阻負(fù)載來(lái)說(shuō)，負(fù)載的發(fā)熱量有顯著的增加。當(dāng)單個(gè)電源電壓輸出偏移下降時(shí)，此電源模塊的負(fù)載電流輸出會(huì)有較大的下降，與此電源并聯(lián)的其他的電源模塊負(fù)載輸出電壓略有上升，電流會(huì)有緩慢的上升。當(dāng)電源模塊電壓下降了DC 1 050 mV時(shí)，此電源模塊的輸出已經(jīng)非常小，遠(yuǎn)低于初始運(yùn)行的參數(shù)值，電源組總的負(fù)載功率會(huì)有下降。兩次試驗(yàn)的結(jié)果證明了3+3體系組成的開關(guān)電源組本身對(duì)其中單個(gè)電源出現(xiàn)偏差的自恢復(fù)能力不強(qiáng)，一旦出現(xiàn)上升較多的情況會(huì)造成此電源模塊的功率會(huì)急劇上升，伴隨發(fā)熱量也相應(yīng)增大，當(dāng)出現(xiàn)下降較多的情況時(shí)，會(huì)造成此電源模塊的實(shí)際出力接近于0，電源組的負(fù)載基本上由其他電源一起承擔(dān)，造成了其他電源模塊負(fù)擔(dān)的加重。這兩種情況都是并聯(lián)冗余擴(kuò)容配電體系設(shè)計(jì)中不期望看到的。所以，必須采取相應(yīng)的均流措施才能避免此情況發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。
5 解決方案
    (1)從電源體系上解決，增加電流、電壓監(jiān)視器件，根據(jù)配電方案，試驗(yàn)出相應(yīng)的上下限閾值，加入到儀控系統(tǒng)中去，使模塊品質(zhì)下降的趨勢(shì)得到預(yù)知，再通過(guò)維護(hù)檢修手段提高系統(tǒng)的可靠性。
    (2)從器件選型上提高電源模塊的品質(zhì)，選擇支持較強(qiáng)輸出偏差補(bǔ)償能力的開關(guān)電源模塊。從產(chǎn)品上擴(kuò)大上下限的閾值范圍，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
    (3)從工程設(shè)計(jì)上增加設(shè)計(jì)裕度，通過(guò)降額實(shí)現(xiàn)在個(gè)別模塊出現(xiàn)極端情況下，品質(zhì)下降模塊的運(yùn)行參數(shù)還保持在額定參數(shù)范圍之內(nèi)。
    冗余設(shè)計(jì)策略作為一種被動(dòng)的可靠性保障技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中，包括本文所描述的并聯(lián)冗余擴(kuò)容配電體系，從文中所述系統(tǒng)失效率分析可以看出，n+m系統(tǒng)本身從理論上具有很高的可靠性，3+3冗余系統(tǒng)的理論可用率可以達(dá)到11個(gè)9的級(jí)別，但通過(guò)配電回路及試驗(yàn)分析可以得出，電源系統(tǒng)實(shí)際的可靠性還和許多其他的因素有關(guān)，其中一個(gè)重要因素就是并聯(lián)電源的均流問(wèn)題。通過(guò)對(duì)冗余電源電路的配電回路分析，并輔以試驗(yàn)驗(yàn)證，明確了并聯(lián)冗余擴(kuò)容配電體系中均流問(wèn)題的本質(zhì)，為在儀控系統(tǒng)中電源的實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)，從而提高了儀控系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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