中频电源已广泛应用于工业加热领域 0 引言 工频加热技术与其它各种物理加热技术相比， 确实具有较高的效率， 但存在一些明显的不足。

在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中，感应加热被广泛应用。

感应加热是根据电 磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量进行加热的，它加热效率高、速度快、可控性好， 易于实现高温和局部加热[1]。

随着电力电子技术的不断 成熟， 感应加热技术得到了迅速发展。

本文设计的 70KW/500HZ 中频感应加热电源采用 IGBT 串联谐振式逆变电路，能够实现频率自动，电路结构简单，高效节能。

1 主电路结构 主电路由整流电路、逆变电路、保护电路组成，其结构如图 1。

2 主要器件的设计 2.1 整流电路的设计 中频电源采用三相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大而移相控制角的变化范围 小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担[2]。

根据设计要求：额定输出功率 P=70KW，输出频率 f=500HZ，进线电压 UIN=380V，取逆 变器的变换效率 =0.9。

1） 确定电压额定值 URRM 考虑到其峰值、波动、雷击等因素，取波动系数为 1.1，安全系数=2，选取电压为： URRM≥UIN× ×1.1 =1179V 根据实际二极管电压等级，取 URRM=1600V。

2） 确定电流额定值 IT(AV) IT(AV)=0.368× Id =0.368× =0.368× =56A 考虑冲击电流和安全系数，实取额定电压 1600V，额定电流 200A 的整流模块。

2.2 逆变电路的设计 逆变电路是由全控器件 IGBT 构 成的串联谐振式逆变器，两组全控器件 V1、V4 和 V2、V3 交替导通，输出所需要的交流电 压。

IGBT 的主要参数有高集射极电压（额定电压） 、集射极电流等[3]。

1） 确定电压额定值 UCEP IGBT 的输入端与电容相并联，起到了缓冲波动和干扰的作用， 因此安全系数不必取得很大， 一般取安全系数 =1.1 平波后的直流电压： Ed=380V× × =590V 关断时的峰值电压： UCESP=(590× 1.15+150)× =912V 式中 1.15 为电压保护系数， 150 为 L 引起的尖峰电压。

UCEP≥UCESP,并向上靠拢 IGBT 令 等级，取 UCEP=1200V。

2） 确定电流额定值 Ic Ic=( × 1.5)Id = ≈374A

式中， 为 Id 的峰值， 为允许 1min 过载容量， 为变换效率。

1.5 0.9 由于电路采用桥式结构， 4 只 IGBT 轮流导通，根据 IGBT 等级，选用西门子 BSM200GB120 两单元并联。

3） 电解电容 Cd 的计算 Cd 主要起滤波、稳定电压和改善功率因数的作用，在串联谐振电路中相当于电压源。

Cd 可 用下式计算： Cd=(40～50)× Id ≈(40～50)× 150A ≈6000～7500 选用 6800/400VDC 电解电容，三只并联后再串联，在每只电解电容两端并联上放电电阻 100K /2W,两只并联。

由于串联谐振式逆变器的直流电源回路还必须流过无功电流，该无功 电流随逆变器的输出功率因数减小而增大，而电解电容 Cd 中不能流通高频无功电流，否则 会发热损坏[4]。

高频电 容的选择一般根据逆变器的工作频率和容量大小来确定，电路中选用两只 2F/1200V 的薄膜 电容直接并在 IGBT 的两侧。

2.3 逆变电路的保护 IGBT 采用缓冲保护电路，它以上下桥臂为单元进行设置，这种电路缓冲元件的功耗小，降 低了 IGBT 的关断损耗。

通常采用计算和实验相结合的方法，确定缓冲元件的参数。

CS 选 取 3～5 F/1200V 的电解电容，RS 选用 62 /150W 的无感电阻。

在开关电源中，逆变电路中二极管除整流作用外，还起电压嵌位和续流作用，二极管在正向 偏置时，呈低阻状态，近似短路，在反向偏置时，呈高阻状态，近似开路。

二极管从低阻转 变成高阻或从高阻转变成低阻并不是瞬间完成的， 普通二极管的反向恢复时间较长， 不适应 高频开关电路的要求，需要使用快速恢复二极管[5]。

系统阻容吸收电路中采用 IXYS 公司的 DSE12X 快速恢复二极管模块，其恢复时间在 60ns 左右。

由电路产生的 PWM 脉冲，不能直接驱动大功率器件，为确保功率管的开关准确可靠，IGBT 驱动放大电路采用三菱公司的 M57962L，它采用+15V-15V 双电源供电，外围元件少，具 有较强的驱动能力，又能有效的限制短路电流值和由此产生的应力，实现软关断。

3 负载电路的计算 中频电源用于加热时，负载主要是由集肤效应、涡流效应、滞后效应产生的阻抗和感抗，虽 然还存在着其他作用引起的额外电感和电容，但它们的等效电感量和电容量很小，所以，在 频率不太高的情况下，负载可以等效为感抗和阻抗串联。

如图 2。

4 结 论 上述方法设计的中频电源采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT） ，其单管容量过 GTR,中频特 性优于 SCR， 电路结构简单。

作为感应加热电源有利于改进加热质量， 提高装置的加热效率。

第二部分 通信动力基础知识 节 通信动力系统概述 通信电源系统的组成 电信局(站)的电源系统由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成,其 组成方框示意图如下所示： 一、交流供电系统 交流供电系统由主用交流电源、备用交流电源、高压开关柜、电力降压变 压器、低压配电屏、低压电容器屏和交流调压稳压设备及连接馈线组成的供电 体。

主用交流电源均采用市电。

为了防备市电停电,采用油机发电机等设备作为 备 用 交 流 电 源 。

大 中 型 电 信 局 采 用 1OKV 高 压 市 电 , 经 电 力 变 压 器 降 为 380V/220V 低压后,再供给整流器、不间断电源设备(UPS)、通信设备、空调设 备和建筑用电设备等。

小型电信局(站)则一般采用低压市电电源。

二、直流供电系统

在电信局（站）中，一般把交流市电或发电机产生的电力作为输入，经整 流后向各种电信设备和二次变换电源设备或装置直流电的电源称为直流电 源。

由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备和相 关的配电线路组成的体称为直流供电系统。

高频开关整流器在技术上,具有小型、轻量、高效、高功率因数和高可 靠性等显著优点。

高频开关整流器机架的输出功率大,机架上装有监控模块,与计 算机相结合,组成新一代智能型电源设备,正在逐步替代晶闸管整流器。

阀控式密封铅酸蓄电池是一种的蓄电池,使用过程中无酸雾排出,不会 污染环境和腐蚀设备,蓄电池可以和电信设备安装在一起,平时维护比较简便,不 需加酸和加水。

蓄电池体积较小,可以立放或卧放工作,蓄电池组可以进行积木式 安装,节省占用空间。

三、接地系统 为了实现各种电气设备的零电位点与大地有良好的电气连接,由埋入地中 并直接与大地接触的金属接地体(或钢筋混凝土建筑物基础组成的地网)引至各 种电气设备零电位部位的一切装置组成接地系统,即由接地体、接地引入线、接 地汇集线和接地线组成。

电信电源按照接地系统的用途可分为工作接地、保护接地和防雷接地。

按 照安装方式可分为分设的接地系统和合设的接地系统。

第二节 动力设备功能概述 一 交直流设备原理及典型设备 大、中型电信局变压器容量较大，它的高压配电系统比较复杂，需要用高压 开关（包括隔离开关和负荷开关）或真空断路器来断开或保护线路。

变电站内高 压配电系统，一般是由 10kv/380v 配电变压器、高压开关、高压熔断器、阀式避 雷器、高压母线及测量仪表等组成。

有的变电站还采用高压开关柜、高压计量、 高压自动切换等控制设备。

两路高压进线的交流供电系统： 较大容量的电信局为确保供电可靠， 一般都用两路高压进线方式。

两路 10kv

高压市电，分别经计量柜到高压母线、高压开关柜、变压器，将高压 10kv 降为 380v 的低压市电，再经低压母线，接到各分路低压配电柜上。

在高压母线上接有避雷器作为变电站防雷保护(<10Ω)。

两路市电的转换可由 低压侧开关进行联络，并有电气联锁和机械联锁性能。

当市电Ⅰ停电时，切换到 市电Ⅱ供电，反之，由市电Ⅰ供电。

同时在低压端还有备用油机电输入。

市电和 油机电之间也具有机械和电气联锁性能。

当两路市电都停电的情况下，由油机电 负责供电。

通过市电Ⅰ、市电Ⅱ和油机电之间的倒换操作，确保设备供电的可靠 性。

典型的设备组成：高压进线柜、高压计量柜、高压避雷柜、高压出线柜、电 力变压器、高压自动切换设备、高压二次操作电源系统等。

电网变压器是变电所降压设备（10kV/0.4kV） ，分为油浸式变压器和干式变 压器。

电网变压器低压侧联结组别的传统方法为 Y 型（Y/Y0~12） ，目前已普遍 采用 D 型（△/Y0~11） ，此种变压器抗干扰能力强，在通信电网中被普遍采用。

电气参数：a、额定容量，变压器副绕组的额定电压 U2 与额定电流 I2 的乘积称 为变压器的额定容量（KVA） ；b、变压器的效率，变压器的输出功率与输入功率 的比值即为变压器效率（η） ；c、阻抗电压，表示变压器次级绕组在额定运行情 况下电压的降落；d、电力变压器组别联结，在三相变压器里，原、副绕组可以 接成星形（Y）或接成中性线引出的星形（Y0）以及接成三角形（△） 。

通信网 变压器容量的确定：变压器的视在功率的计算公式为： S=K√∑P2＋（∑Q－Qk）2（kVA） 式中 K：同时系数，通常取 0.85~0.90 ∑P：依据生产用电设备和生活用电设备的有功功率，并考虑其需要系数， 从而计算的大有功功率（kW） ∑Q：的大无功功率（kVar） Qk：位移功率因数补偿电容器容量（kVar） 两台或多台变压器并联运行时，应具备下列基本条件：a、参与并联工作的 变压器原边与副边额定电压应相等（即变压比相同） ，允许偏差＜± 5％；b、参与 并联工作的变压器联结组别应该一样；c、参与并联的变压器的大容量与小容

量不过 3:1。

目前各端局在用的高压变配电设备主要有：西门子、ABB、施耐德等。

典型设备分析 西门子 8BK20 可移开式断路器的开关装置确保运行人员安全        该金属结构能够通过内部电弧故障试验的考核 只有在柜门关闭或无法接近带电体的情况下，才可操作断路器 在柜门关闭时或不必接近带电体，即可测试柜内是否有电 安全操作、维修方便 设有完善的机械联锁，不会发生任何误操作 可选择远动控制方式 经运行证实， 的真空开关制造技术可确保真空灭弧室无需维修， 操作机构仅需少量的维护     采用标准原器件，可方便地满足用户维修工作的需要 能大限度地不受气候与环境的影响 全部封闭，防护等级高，能阻止外部颗粒的侵入 绝缘子表面防污能力强 技术数据（大值）11.5KV 雷 开 工 频 耐 受 电 压 电 冲 击 耐 受 电 压 额定 短路 开断 电流 额定热稳定电流 1秒 3秒 额定短路 开合电流 母 关 线 柜 额 额 定 定 电 电 流 流

4 2 k V 7 5 k V 31.5/4 0/50k A 31.5/4 0/50 kA 25/31. 5/40 kA 80/100/125 kA 4 0 0 0 A 400 0A 电信设备所需的交流电源宜利用市电作为主用电源，大容量局（站）低压配 电设备作为接收与分配低压市电和备用油机发电机组电源而设置。

市电低压交流 供电系统是由低配室市电低压交流供电系统及通信电力机房的市电交流供电系 统两部分组成。

低配室市电低压交流供电系统间均设有母联开关设备， 以保证其供电的可靠 性。

低配室的市电低压交流供电系统主要是对电信局 （站） 内的所有建筑负荷 （空 调、动力、照明等）及通信电力机房所需的交流电源供电。

通信电力机房的市电交流供电系统负责为各类通信设备配套的交流电源设 备供电。

从供电的可靠性、 经济性、 高层大面积电信枢纽楼供电适用性及便于维护方 面的考虑，市电供电电源与备用电源的切换应在低压配电室进行。

低压设备包括低压配电屏、 油机发电机组控制屏、市电和油机发电机组电源 倒换屏等设备。

典型的设备组成：低压进线柜、低压联络柜、低压电容补偿柜、低压配电输 出柜、低压二次控制电源系统等。

目前各端局在用的低压配电设备主要有：广电、海滨、ABB 等。

MNS 低压开关成套设备主要特点 开关柜为组合装配式结构， 柜架全部结构件均采用敷铝锌板，通过锁紧螺钉 互相连接成基本框架，具有机械强度高、防腐蚀、不会生锈等特点。

一次导线动触头、 接触面由原来的线接触改为面接触，触头与导线连接处改 用常用的线鼻子结构，使其连接处应力分散，接触面增加，温升大大降低。

抽屉单元回路较多， 可装置多个功能单元。

同时功能单元的结构件是用模制 的阻燃型塑料件组成，具有重量轻、绝缘性能好的固定特点

抽屉单元具有可靠的机械联锁功能， （即：抽屉具有移动位置、试验位置、 分断位置、连接位置和分离位置） 。

机械联锁装置上操作手柄和主断路器的操作 手柄，能同时被三把挂锁锁住。

垂直母线为 50× 5 的角尺型铜母线，其额定工作电流为 800—2000A，被 30× 嵌装于用阻燃型塑料制造的功能壁中，带电部分的防护等级达 IP20，用户免于 维修。

二 开关电源原理及典型设备 市电经整流后向电信设备直流基础电源，这是主要的直流电源。

在市 电停电时，为了对电信设备连续不断地供电，采用备用交流发电机发电，也要经 整流后向电信设备直流电源。

现代电信系统对直流供电电压的质量要求很高，电压不允许瞬间中断，且其 波动、 瞬变和杂音应小于允许的范围。

对直流供电系统要做到少维护和集中监控。

直流供电系统的设备主要由整流器、蓄电池组和直流配电屏等构成。

整流器 时将交流配电屏引入的交流电变换为直流电的装置， 其输出端通过直流配电屏与 蓄电池组和负载相连接， 向通信设备直流电源。

传统的晶闸管相控整流器工 作频率低，要求变压器的滤波元件的体积大、重量重和耗能多，随着大功率器件 和微电子技术的发展，高频开关整流器已逐渐取代晶闸管相控整流器。

高频开关整流器也称为无工频变压器整流器，主要由三部分组成：主电路、 控制电路和辅助电源。

其工作原理是市电直接由二极管整流后，经功率因素校正 电路，功率变换电路，把直流电源变换成高频率的交流电，再经高频整流成通信 设备需要的低电压直流电源（－48V） 。

典型的设备组成：交流配电屏、整流机架、整流模块、直流配电屏、SPSC 控制器等。

目前各端局在用的高压变配电设备主要有：西门子开关电源系统、中达开关 电源系统等。

西门子 GR60 48V/120A 西门子 60 系列整流模块 48V/120（GR）用于给通信设备供电。

它采用并联 热备用方式，即 GR、蓄电池和负载在任何工作状态下都是并联的。

模块也可以

变频器开关电源的原理及维修 维修部 杨晓明 电源是每一个电路的重要组成部分，担负着为电路能量的重要作用，它是设备能够正常运行的重要保障。

电源的种类很多， 开关电源由于体积小、重量轻、效率高、动态稳压效果好，因此被广泛应用到了各种电子设备中。

下面就以 UC3844 开关电源 芯片为例讲述一下开关电源的基本原理和在变频电路中的作用。

右图 a-1 所示为开关电源 PWM 波形调制芯片。

该图为 8 脚双 列直插封装。

7 脚是芯片的电源输入端，该端在内部集成了稳压器和低门限电压控制器，所以该芯片不用在外围设置稳压电 路，只要接一只降压电阻即可。

低门限值为 10V，当 7 脚输入电压低于 10V，该芯片将禁止输出，处于保护状态。

正常工作 时该端电压约为 12V—16V 之间。

4 脚是内部压控振荡器的定时端，通过接上合适的 RC 网络，使输出的 PWM 波控制在 20KHZ—100KHZ 之间。

a—1 2 脚、3 脚是输出取样反馈端，用于检测开关电源的输出，以便进行 PWM 调制控制，从而达到 稳压的目的。

在变频器系统中，开关电源需要输出：一组 5V/DC、一组±12V/DC、四组 20V/DC 等多组电压。

其中 5V/DC 主 要用作主板及控制板的供电，±12V/DC 用作霍尔检测器件的供电，四组 20V/DC 用作 IGBT 的触发供电。

变频器的型号及 不同， 其开关电源的电压值也不尽相同， 但基本构架是一样的， 在此仅以下图为例讲一讲开关电源的工作原理。

a—2 如图 a—2 所示：电源经 D1—D4、C1、C2 整流滤波之后，通过降压电阻 R3 到了 UC3844 的 7 脚电源正端，为其供电，UC3844 通过检 测当 7 脚电压大于 10V 时，控制内部压控振荡器开始工作，通过 R8、C5 将 PWM 的频率控制在要求范围之内。

此时 6 脚输出 PWM 信号去控制开关管 Q1 的通断，R10 是开关管的电流检测电阻，通过检测 R10 的电压值来实时调整 PWM 的脉冲宽度， 从而达到自动稳压的目的。

在图中变压器的副绕组通过 D6、C7、C8 整流滤波之后到了 UC3844 的 7 脚，增强了 UC3844 的驱 动能力。

C9、R11、D5 是开关管的滤波吸收网络，目的在于吸收变压器的反向脉冲，保护开关管。

AC-1——AC-4 是开关变压 器的次级输出绕组，通过 D7、D8、D9、D10、C10、C11---C17 进行整流滤波后输出对后级电路进行供电。

了解了开关电源的 原理之后，让我们来看看如果开关电源出现问题应该怎样进行维修。

开关电源的几个维修步骤如下： 1、检测整流电路 D1—D4 是否击穿或断路，滤波电路的电容是否损坏，平衡电阻 R1、R2 是否正常，降压电阻 R3 是否烧断或阻值增大失效（断电情况下 测试）。

2、检测开关管 b-e 结、c-e 结是否有击穿短路现象、测量开关变压器各个绕组是否有短路现象，以确定开关管、及开 关变压器的好坏（断电情况下测试）。

3、检测次级输出绕组的整流滤波元件，重点察看滤波电容是否鼓包或损坏，以排除次 级电路短路的可能。

4、检测吸收回路 D5、R11、C9 是否正常（断电情况下测试）。

5、在确定上述元件正常的情况下，我 们可以把开关电源板从变频器上取下单独对其进行加电试验。

用调压器缓缓地调至开关电源的额定电压值，此时应能听到变压 器起振时的吱吱声， 如没有听到起振的声音， 用万用表检测 UC3844 的电源正、 负级之间是否有 12V—16V 左右的直流电压。

6、 在确定 UC3844 的供电端电压正常后，可用示波器察看一下 UC3844 的 6 脚是否有 PWM 波输出到开关管的触发端（根据电路 设计的不同，PWM 波的频率一般在 20KHZ—100KHZ 之间）。

7、如果没有 PWM 波输出，则更换定时元件 C5、R8、C6 或 UC3844。

经过上述几个步骤的排除，开关电源应该可以正常工作了。

在变频器中，开关电源的种类很多，但基本原理都是一样 的，比如说每个 PWM 管理芯片都有供电端、定时元件 RC 网络、输出 PWM 波的端口等，只要我们了解了它们的工作原理，按 照一定的方法步骤都能够把故障排除掉。

下面就把实际维修中遇到的问题和解决办法列举出来，供大家参考一下。

案例 1：台达 变频器（故障现象：上电无显示）经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，因此确定为开关电源板故障。

按 照上述维修步骤对开关电源板进行测量。

在进行步测量时，发现直流母线 560V 到 PWM 调制芯片之间的的 330K /2W 的 降压电阻损坏，标称 330K /2W 的电阻，实际测量值达 2M 以上，因此 PWM 调制芯片得不到启动的电源，所以无法起振工 作。

为谨慎起见又检测了开关管、变压器、整流二极管及滤波电容等关键器件，在确定没问题之后上电试验，OK！开关电源起 振，输出各组电压正常，装回变频器后开机试验正常，此变频器修复完毕（注：维修人员在维修中，一定要养成惯：发现坏 元件后不要急于更换试机，一定要把功率大的、容易坏的元件都测一下，确定没问题后再试机，这样既安全又保险）。

案例 2： 台安变频器（故障现象：上电无显示）经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，故障确定在电源板。

按照维 修步骤对开关电源板进行测量。

步测量通过，第二步测量时发现开关管 c-e 结击穿，将其拆下，然后检测变压器、及整流 二极管、滤波电容等关键器件，在确定没问题之后上电试验，输出各组电压正常，装机测试正常，故障排除。

案例 3：西门子变 频器（故障现象：上电无显示）经检测发现电源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，故障确定在电源板。

按照维修步骤 对开关电源板进行测量。

步测量通过，第二步测量通过，第三步测量通过，第四步测量通过，然后单独对电源板加电测量 PWM 调制芯片的电源端对地有 12.5V 左右的电压， 说明供电正常。

用示波器看芯片的 PWM 输出端， 发现没有 PWM 调制波形。

更换 PWM 调制芯片后，上电试验正常，故障排除。

案例 4：施耐德变频器（故障现象：上电无显示）屡烧开关管经检测发现电 源主回路、充电电阻、主回路接触器都正常，故障确定在电源板。

按照维修步骤对开关电源板进行测量。

步测量通过，第

二步测量发现开关管击穿，第三步测量通过，第四步测量通过，更换新的开关管，单独对电源板加电，管子又烧了。

把开关管 拆下后不装管子，通电试验，测量 PWM 调制芯片的电源端对地有 12V 左右的电压，也正常。

用示波器看芯片的 PWM 输出端， 发现 PWM 波只有 5-6 KHZ 左右，断电后把定时元件拆下测量，发现定时电阻阻值变大，更换定时电阻、开关管后上电正常， 不再烧电源管，故障排除。

案例 5：伦茨变频器（故障现象：上电无显示）屡烧开关管按照维修步骤对开关电源板进行测量。

第 一步测量通过，第二步测量时发现开关管 c-e 结击穿，第三、四、五、六、七步都测量通过。

装上新的开关管上电试验，随着 调压器电压的升高，可以听到起振的吱吱声，就是有点响，把电压调到额定电压后测量输出电压低于正常值，不到 2 分钟，突 然闻到一股烧焦的味，保险丝就断了，赶快断电发现开关管很烫手，测量发现其已经击穿。

拆下开关管通电试验，测量 PWM 调制芯片的电源端对地有 12V 左右的电压，用示波器看芯片的 PWM 输出端，发现有 PWM 波输出且频率在 30 KHZ 左右，也 正常。

因此怀疑刚换的开关管质量不行，又换上一只，上电试验，结果又把管子给烧了，断电后无意之间碰到了吸收回路的元 件，发现烫手，可是在测量的时候正常啊，于是又测一遍，还是正常。

干脆把吸收回路先拆了，又换上一只管子通电试验，发 现变压器的吱吱声小了，测量各组输出电压也正常。

运行了 20 分钟开关管也没再烧，断电后触摸开关管微热，属正常起热状态， 因此判断故障在吸收回路，更换吸收回路元件，故障排除。

有的元件老化后虽然我们在冷态测量是好的，可能加电一起热就不 行了。

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