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张树治
(邮电部通信电源设备质量监督检验中心 郑州450007)
摘要 本文对我国通信电源装备,主要是高频开关电源,阀控式密封铅酸蓄电池以及集中监控系统等的发展水平作了综合评价,指出了与国外产品的差距和存在的问题,以敦促国产通信电源装备的改进和提高。
关键词 通信电源装备 电路技术 性能指标
随着我国通信事业迅速发展,作为通信的能源系统,其装备的发展也异常迅速,特别是进入90年代。几年的发展变化,可谓面貌全新。通信电源装备的全面更新和技术水平的提高, 已是有目共睹的事实。
简单回顾历史,我国从1963年开始研制可控硅整流器,并较快地取得了成果,于1967年形成系列并得到普遍应用,淘汰了马达电机组、硒整流器。1965 年开始研制逆变器、DC-DC变换器。那时我国通信电源装备水平与发达国家相比, 大约仅相差5年左右的时间。众所周知, 特殊的历史阶段使我们的各项事业遭到极大的破坏,许多工作停滞不前,到80年代初,再来分析我国当时的水平和差距, 不得不承认,与国外相比,我们已落后了大约10-15年。
改革开放以来,特别是进入90年代, 我国通信建设发展的速度令世界感到震惊,通信电源当然地愈来愈被重视,并得到了异常迅速的发展。主要原因有:
(1)改革开放的大环境,为满足需要引进使用了大量的国外设备,使我们实实在在地了解到国外通信电源的发展和装备的实际水平,这无疑给了我们极大的促进。
(2)大市场,使我国通信电源的产业力量迅速扩大,这其中, 有国外独资生产厂家,有内外合作引进技术(SKD或CKD方式)的生产厂家及国内自行研制开发生产厂家,可以说如雨后春笋,应运而生,各显其能,充满了勃勃生机,对推动我国通信电源装备的发展发挥着巨大作用,彻底改变了仅靠几个厂家研制生产电源装备的局面。
(3)大竞争,迫使着电源装备的技术水平和产品质量不断提高。 市场经济必然要进行激烈残酷的竞争,技术水平不高、质量不好的产品难以生存。目前, 面临的国外和国内同类产品多方面的竞争。 虽然当前市场竞争有待于不断规范和改进等,但产品的质量水平的提高,才是立于不败之地的根本,这是大家所公认的。
(4)加强了质理管理和质量控制的力度, 使我国的电源装备的技术水平和性能质量健康发展,迅速提高。
原邮电部实行了进入国家通信网通信装备(包括电源设备)入网证的制度,为此成立了16个质量监督检验中心, 其中从事通信电源设备质量监督检验的有两个,一个是邮电部通信电源设备质量监督检验中心, 一个是邮电部工业产品质量监督检验中心,其任务是进行入网产品的质量检验, 同时又承担了质量监督工作。设备入网必须对产品进行质量体系认证和产品质量认证,所采用的检验细则国内外产品是一致的。就是说,国内与国外产品要进网采用同一标准, 并通过质量监督来保证产品质量的稳定性。
邮电部通信电源设备质量监督检验中心,承担全部通信电源设备的检测和监督任务,并承担或参与国家标准、通信行业标准的制定和有关标准内指标的验证等工作。1997年7月正式开始检测工作,12 月通过了国家技术监督局的计量认证和邮电部的审查认可。从人员素质、仪器装备、环境条件、 管理软件等方面得到了较高的评价。许多国内外包括邮电系统、中国科学院、美国贝尔实验室、 新西兰、挪威等通信电源专家认为检测装备是一流水平的,检测数据和结果无可置疑。到目前根据邮电部下达的检测任务通知,主要对开关电源、密封铅酸蓄电池、UPS、交流稳压器等设备开展了检测工作。
现就从质量检测和开发研制角度对我国通信电源装备的发展水平作一评述。
1 高频开关电源
1.1 主要器件的采用
众所周知, 我国用于高频开关电源的电子器件, 诸如功率场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 、 IGBT 管(Insulated Gate Bipolar Transistor)、快速二极管、高频磁性元件、高频电容等几乎是空白,所以这些主要器件均都依赖进口, 除个别在选型等级上不尽相同,总的来讲与国外设备无多大差异。
1.2 电路技术
目前在国内生产的高频开关电源主要应用固定频率PWM调压方式的变换电路,这种电路已是一种非常成熟的技术,具有设计简单、可靠性高、生产制造方便、成本低等优点,所以是目前国内外开关电源普遍采用的电路。个别产品采用了调频谐振电路,但尚未成为主流。
为提高变换频率、降低开关损耗,零电流(ZCS)和零电压(ZVS)开关技术已被广泛采用,在具体产品中有的是分别采用,有的是混合采用,比如全桥电路有的是四只MOSFET均为ZVS,有的采用两只ZVS、两只ZCS。
应用IGBT/MOSFET并联技术,达到减小损耗、提高效率的目的。MOSFET 功率场效应管是电压驱动的电子器件,其驱动电路简单,所耗驱动功率小,本身不存在存储效应,因此导通和关断时,上升和下降速度较快,开关损耗小, 所以适合于在很高的开关频率下工作。但是在高压大电流的情况下,通态的损耗大。IGBT绝缘栅双极晶体管是一种功率场效应管和三极管的复合器件,因而具有场效应管一样的特性,采用电压驱动,开关速度快;同时又具有三极管的特点,通态损耗小,但有存储效应,其关断时间长、损耗大。
根据以上两种器件的特性,采用并联技术,可发挥各自的优点,互补其缺点, 既有IGBT通态损耗小的特点,又具有MOSFET开关损耗小的特点。这种并联开关技术,在国内外产品中均有应用。
功率因数校正技术。高频开关整流是一种非线性负载,是一个谐波源, 其功率因数由位移因数(即通常说的电压与基波电流相位差的余弦)和畸变因数(即基波和谐波总有效电流之比)的乘积所决定。校正的目的不仅仅是为减小无功功率,提高电能的利用率,而是为减小对电网的污染,达到谐波电流限值的要求所必须采取的措施。目前,国内外的高频开关电源,除了功率很小的以外,单相输入的(包括由三个单机组成三相带中线)均采用有源校正技术。校正的结果,电流、电压相位基本相同,波形相似,接近正弦,总谐波失真率很低,满载时不超过5%。 谐波含量是以奇次为主,一般情况三次谐波最大。如果是由单相组成的三相输入带中线的开关电源,因三相谐波电流是相加的,在中线上就有较大的三次谐波电流。
因此,这种整流器要求中线的截面与相线一样。
有源校正的功率因数可达到0.995以上。
对真三相输入(无中线)的开关电源,一般采用无源校正。无源校正电路简单,经济可靠,功率因数最高可达到0.94。
1.3 性能与指标
总的说来,性能包括输入电压范围、输出电压调节范围、并联均分、限流保护告警、三遥等方面,国内外设备相比无太大的差异。国产设备的有些性能, 如输入电压范围、限流范围等做得更适合我国国情。
技术指标包括:
(1)效率
作为通信电源设备,提高效率是研制者追求的主要目标之一。为此, 不少厂家都为实现这一目标而潜心研究。因为效率的提高不仅仅可达到节能的效果,而且使设备的热设计简单,器件的工作环境得到改进, 提高了其运行的可靠性和稳定性。目前,除很小容量或是较老型号的产品的效率较低外,一般低的在87%, 高的达到93%,因设备不同而不同。国内外设备都一样,多数都在89%-92%。
(2)功率因数
三相无源校正的功率因数在0.88-0.94,单相有源校正的功率因数在0.97-0.999。
(3)稳压精度
在常温满载状态下一般都在0.5%以下,高的为0.06%-0.2%,差的为0. 3%- 0.4%。国内外水平相当。
(4)杂音电压
杂音电压包括衡重杂音、宽频杂音、峰峰值杂音及离散杂音。 国外标准主要定出了衡重、宽频杂音的指标,与我国的标准一致。
对离散杂音,在美国、欧洲等的标准中均无规定。我们的标准是参照了上海贝尔公司引进的比利时交换机(1240)的标准提出来。 这些规定的渊源及在通信中实际会产生什么影响,至今尚未得到明确的解释。而在测试中,一般都无问题。
(5)动态特性
由于标准规定的不同,不少国外设备的启动冲击电流超出规定, 要经过调整才能达到要求。我国标准规定: 启动冲击电流不大于最大输入电流有效值的150%。就其标准来说,有一定的不合理性和不科学性。作为正弦波, 峰值与有效值之比就是1.414倍,接近于150%,稍有一点冲击,就会超标。
抑制启动冲击电流,主要是考虑系统运行的安全性, 避免对电源的污染或使输入开关误动作。对输入开关起作用的是冲击能量,包括冲击波形的幅度和宽度(时间),而标准中只限制幅度。如此严格也实在没有必要, 但是未考虑其冲击时间,就不够全面了。综上所述,就其性能指标来看,我国与国外产品相比处在一个同等的水平线上。
1.4 智能化程度
就模块而言,其内部有的有CPU, 有的没有。国内外产品都是如此。不管是哪种形式的,高频开关电源系统都设有监控模块,都采用了智能化管理,其管理容量、内容、智能化程度都日趋完善。对电池的管理,国内外都在进行这方面的努力。
1.5 制造工艺及体积重量
我国开关电源设备的制造工艺水平在不断提高,而且取得长足的进步。但总的说来,与国外相比还存在不小的差距, 特别是在一些细小环节的处理和国产部件的制造上尤为明显。这与我国的整体工业水平有关。
体积和重量的大小取决于电路设计、元器件及各种材料的选用、工艺设计、热设计等诸多因素。与国外先进产品相比,差距较大。国外新推出的产品在一个45U高的标准机架,约2m,装20个48V100A的开关整流器,还包括内部配电单元和一个监控模块。一个48V100A模块,质量只有17kg,一般的在23kg左右。我们还很难做到。
1.6 关于电磁兼容性
电磁兼容性(EMC),愈来愈被人们所重视,不少国家和地区已开始采取强制性限制。因为作为一种安全指标,不通过检测是不允许推向市场的。欧洲共同体规定,自1996年1月开始,对电子设备必须进行EMC的测试,实施EMC法。最近对电源设备由邮电部通信计量中心参照国际无线电干扰特别委员会规定的CISPR II标准、国际电联标准ITU-R、国际电工委员会标准IEC-1000-3、IEC-1000-4等国际标准并引用了有关国家标准,起草制定了中华人民共和国通信行业标准《通信电源设备电磁兼容性限值及测定方法》(征求意见稿)。大家可能都看到,在引进设备的技术资料中,都有这方面的指标。如符合VDE0871(德国标准)、符合FCC标准(美国联邦通信委员会标准),等等。国产设备尚未提供这方面的指标。在入网检测中,对此尚未进行测试。但它只是时间的问题,不久必须进行测试。
EMC包含4个部分的内容:
(1)电磁干扰(EMI),是指设备运行时产生的电磁干扰信号电平, 包括传导干扰和辐射干扰。
(2)电磁敏感度(EMS),即抗干扰性能, 要求设备能承受一定水平的传导和辐射信号的影响。
(3)电磁脉冲(EMP),即将尖峰脉冲信号的性能。
(4)静电放电(EMD),即抗静电放电的性能。
将来主要测试的是EMI。目前我国研制生产的开关电源, 这些指标尚未引起足够重视,有的甚至尚未考虑。例如我们在检测过程中仅对个别三相输入模块试测了谐波电流,结果不容乐观。电汉谐波畸变在30%以上,5次谐波系数K5达到25%以上,与第一级设备谐波限值相差甚远,所以必须引起设备生产厂家的注意。
2 蓄电池
目前在通信局站中使用的蓄电池基本上是阀控式密封铅酸蓄电池,取代了防酸型铅酸蓄电池。在一定意义上,也是由我们的国情所决定的, 尽管密封铅酸蓄电池本身还有待不断改进和研究的问题,在使用中也有不尽人意之处。例如,容量状态的检查比较困难。对防酸电池,通过对酸液比重的测量可以准确地判断其容量状态;对密封电池,这种办法却无法使用。为此,美国推出一种测电池电导的方法,对电池的状态进行测试。国内已开发了这方面的产品, 我们也做了一些研究和测试,得出以下观点:①电池的端压与电池容量相关性很小,其电导则与电池容量有很高的相关性,相关系数在0.8以上。 ②对各种电池和状态通过对其电导的测量,经与本身原始参数的比较,可以定性地判断其容量状态,定量则比较困难。另外,阀控电池如想获得较长的使用寿命,对使用条件和环境要求比较严格。 一般来说,比防酸电池寿命要短,但其维护量小,特别是免除了调酸加水, 不再有酸雾溢出,避免了空气污染。通过叠放减小安装使用面积,使其得到普遍采用。
我国现在使用的电池大致也可分为三种,一是直接引进外国产品, 世界各国的电池厂家几乎无一不在中国开拓市场;二是引进国外的装备和生产技术、工艺进行生产;三是国内自行开发生产。
蓄电池通过短时间的检测,要做出全面的质量评价是很困难的,如寿命、 运行的稳定性、可靠性都不可能在短时间内做出结论。 这些只能通过实际使用的考验才能有准确的结果。
从检测的情况来看,不少国电池存在的问题主要有以下几点:
(1)容量。国内自行开发生产的电池容量的富余一般都很大。以10小时率容量为例,高的达到140%以上,也就是说标称1000Ah的电池可达到1400Ah以上,低的也在120%以上。容量加大了必然加大了铅和酸的投入量,电池的重量体积增加, 成本加大。为何如此,是值得考虑的。容量大,在这一点上会受到用户的欢迎,但这决不能算是一种规范的产品。国外电池,其电池容量卡得很紧, 或者说是很准的。富余量决不会超过10%。我看他们着重投入的是技术而不是物质。因为蓄电池看来简单,实际上却是非常复杂的一种技术产品, 所以每年国际电信能源会议上的论文集大约有1/4以上的文章是研讨蓄电池的。引进装备和技术的厂家介于以上两者之间,他们既考虑了技术、成本的投入, 又考虑了我国的国情和用户心理。
(2)工艺。外部表现在外观、电池壳、盖、极柱、安全阀等制造工艺粗糙, 密封性也不好;内部表现在各个技术环节的处理上,不少电池差距较大。原因是自己生产的东西少,买来的东西多,如壳子、盖子、安全阀等,都是外购, 只好就米下锅,质量难以自行控制。
(3)技术投入少,满足于近期效益。大家都明白,电池出现问题往往是慢性病,只能通过长期运行才能显出真面目。气密性由于材料的老化、工艺不当, 时间长了就会出现问题。密封阀时间长了能否保持稳定开闭闪阀压力,极柱膨胀、隔板的分层等均需时间才能暴露。所以,仅仅通过短时间几个项目的检测, 难以评价其水平的高低。但总的说来,我国蓄电池产品质量水平发展很不平衡, 有的可以说不比国外现有产品差,特别是引进国外生产装备和技术、工艺进行生产的厂家;有的的确是还存在较大的差距。这方面用户通过使用更加清楚。
本人曾考察参观过美国、法国、瑞士、意大利等国家的电池生产厂家,从规模、生产装备的自动化程度和质量检查、控制的管理上,我们国内厂家难以与之相比。更重要的是,他们都有庞大的研究、开发机构和实验室, 在这方面的资金每年都按销售额的一定比例投入,数额相当可观。这使他们具有了能够保持不断发展的经济技术基础。因此,我国的电池生产如不对许许多多的工艺、技术问题花力量、下工夫进行深入研究和解决,还会扩大与国外产品的差距。
3 关于监控系统
动力监控在我国现在搞得红红火火,从事研究开发的公司和厂家有多少难以统计,已经运行的局站也有不少,资金投入也相当可观。
监控系统所采用的硬件、软件平台、开发环境都比较成熟,为监控系统地进一步发展完善提供了良好条件。监控系统的监控内容、功能日趋完善,所依据的标准有邮电部颁发的技术要求、电总的技术要求或者各省制定的技术要求。就监控系统而言,与国外相比监控内容多,有数据、表格、图像、模拟量的测量、 运行状态、设备控制、故障告警等,应有尽有,几乎包括设备的所有参数和状态。规模大,少则几个局站,多则上百个局站,监控网络的构成复杂。这一切, 国外无法相比。但冷静思考,建立一套规模庞大的监控系统所达到的目的是什么? 这是衡量其是否真正先进的标准。本人认为,搞监控的目的在于:①解放劳动力,实现局站的无人值守。②提高动力设备运行的稳定性和可靠性;③提高动力、 空调设备运行的经济性。后两项,就要求监控系统有更高的智能化程度和数据处理能力,如采集数据的作用是通过分析处理对设备进行预诊断,在事故发生以前进行预告警以防患于未然,变被动维护为主动维护。另外, 根据负荷的变化和环境条件的变化进行必要的设备运行参数的调节,以达到最佳经济性的运转。在达到以上目的的前提下,监控系统结构简单、成本低、维护工作量少, 才真正体现出其先进程度。当然,这主要反映在软件开发的水平上。而现在监控系统所花的人力和投资不是在后两项。之所以如此,我认为有几个观念上或认识上的误区: 一是摆脱不了过去看守式的维护方式,所以检测点多(几乎一个不漏)、报表多。 实际上这些数据有何作用?报表谁来看?二是按过去的老设备方式来管理维护总是不放心。现在设备可靠性大大提高, 如开关电源,MTBF都在10万小时以上, 而本身管理系统智能化程度都很高。在正常运行的过程中,无需人为的进行干预。关键在于诊断,预告警能够可靠准确,就可保证可靠稳定地供电。三是不要认为花样多、系统复杂就是水平高。这样不但投资大,而且使监控系统本身的维护工作量也要增加,可靠性也要降低。
当然,任何事物的发展往往要经过从简单到复杂再到简单几个飞跃的过程, 才能达到更理想的效果。我相信经过一段应用的实践,人们会认识到这一点, 达到以上提到的目的的实用、简单、可靠的系统才是最先进的监控系统。问题是我们要不断地及时地总结、提高,因为一个监控工程实施以后再在硬件、软件上进行改造,将会事倍功半。
摘自《中外电源》
