智能化电源设计论文

2024-05-07

智能化电源设计论文（共6篇）

篇1：智能化电源设计论文

1设计思路

随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视、管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。本文在综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化电源。它具有以下几个特点：

（1）实际了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值，可启动备用电源供电，实现对电子电路的保护作用。

（2）具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点，同时通过RS485通信接口与管理计算机通讯能实现“透明”电源的工作和保护等功能。

（3）能实时显示输出电压、电流的大小，过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。

（4）通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。

智能化电源的核心由显示板、CPU板、通信板、备用电源板、过电压检测板、键盘、通信转接板组成。装置的关键是实现电压的峰值检测，尤其是过电压的检测。本文提出了一种基于单片机的过电压检测和峰值电压检测方法，实验证明它满足了对检测的快速性和精确性的要求。

2系统硬件设计

系统硬件框架如图1所示。在正常的情况下，220V的交流输入电压经过整流、滤波、DC/DC变换、稳压电路后可得到一个稳定的输出电压，基本上是一个开关电源；当有过电压时，过电压信号经过过电压检测电路检测和峰值电压保持电路保持，控制电源回路，断开正常工作的交流电路，同时通过计算机启动备用电源工作，以及完成对过电压的瞬时值和峰值的测量。

2.1过电压检测电路

过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件（IC）。典型过电压形成的冲击电压脉冲如图2所示。

过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生的时侯（微称或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。

过电压检测电路原理图如图3所示。当有过电压信号产生时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值甚至接近短路状态，这样在电流互感器的原级产生一个大电流，通过线圈互感作用在副级产生一个小电流，再通过精密电阻把电流信号转变为电压信号；这个信号输入到电压比较器LM393后，电压比较器LM393输出高电平，经过非门A输出的控制脉冲1控制电源回路，断开开关电源电路，启动备用电源。控制脉冲2送到单片机的中断中，单片机控制回咱启动A/D转换，采样过电压的瞬时值。

2.2峰值电压采样保持电路

峰值电压采样保持电路如图4所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi>V0时，LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8脚，使LF398处于采样状态；当Vi达到峰值而下降时，Vi

2.3单片机控制回路

单片机控制回路如图5所示。它的主要功能是完成对过电压的瞬时值和峰值的检测、过电压次数的检测、电源输出电压和电流的检测，并通过键盘的操作显示出各个检测值的大小；同时通过485接口和上位机实现通讯，在有过电压的时候通过控制回路启动备用电源，实现对电源本身的保护。

3软件设计

系统软件主要由主程序、键盘扫描子程序、显示子程序和通信子程序等组成。图6是主程序流程图。

主程序由初始化、看门狗置位、键盘扫描子程序、中断子程序组成。主程序主要进行分配内存单元、设置串行口等器件的工作方式和参数，为系统正常工作创造条件。在主程序运行的过程中，通过按键可以显示检测的各个量的值；同时在系统过电压和干扰信号产生时，液晶显示屏会显示提示信息，使电源实现“透明”，便于电源的管理。在本系统中，键盘采用的是由P1口组成的3×3行列矩阵式键盘。由于键盘程序的技术已经相当成熟，所以具体过程不做介绍。

子程序中值得一提的是通讯子程序。为了实现与目前应用较为广泛的MODICON系列测控系统的接口，本系统选用了控制系统中较为通用的MODBUS协议进行通讯。MODBUS协议采用主-从通信方式，它规定把各个报文封装成对应的一帧数据，以帧为单位传输数据。主站发送的报文包括接收者地址、任务、任务数据、校验方式等内容；从站响应信息报文包括从站地址、所执行的任务、执行任务得到的数据、校验方式等内容。MODBUS协议有两种报文组成结构（又称传输模式），分别是ASCII（美国信息交换码）模式和RTU模式。同一MODBUS总线网络上的所有站点设备都必须使用相同的模式和对应的串口通信参数。本次设计采用的是RTU报文传送方式。RTU模式的报文字符由8位二进制编码组成，本设计方案的每个字符包含1位起始位、8位数据位和2位停止位（无奇偶校验）。RTU模式的报文的报文字符必须以连续数据流的形式传送，每帧报文以至少3.5个字节时间的停顿间隔开始传输，同样以至少3.5个字符时间的停顿标志摄文传输的结束。通讯程序已经发展得比较成熟，具体的框图省去。通讯程序软件运行时随时倘中行口，若证实为上位机通讯请求，则发应答信号，实现“握手”，然后按上位机要求发送或接收数据。发送时，将本机检测的电压值、电流值向上发送，接收时则将上位机发来的系统设置参数进行差错判断后放入本机原设置单元，然后再由软件根据设置值进行相应处理。

经过电路板的设计、调试和程序的调试，证明了“透明”电源的可靠性。在调试的过程中做了大量的模拟过电压和冲击脉冲的试验来检测系统的性能。通过试验证明过电压保护电路和峰值检测电路可以迅速准确地捕捉过电压和冲击脉冲，并且电路的反映速度很好，可以检测到纳秒级诉干扰信号，并且电路的反映速度很快，可以检测到纳级的干扰信号。这些性能很好地满足了工业的需要，使得在有过电压和冲击脉冲产生的时候系统可以有效地保护电子电路；同时通过单片机和液晶显示屏可以实时显示这个电源的工作情况和性能，达到了“透明”电源的效果。而且在本设计中，电源系统通过通讯接口可以实现计算机在远程对整个电源监控，便于电源的管理，实现了“遥控”的性能。

篇2：智能化电源设计论文

根据艾瑞咨询集团发布的中国智能终端规模数据，2014年中国智能手机的保有量为7.8亿台，同比增长34.3%，预计到2017年将达到11.3亿台;2014年手机出货量为3.9亿台，比上年增长21.9%，预计到2017年将达到5.2亿台，这就为智能手机相关的配件市场提供了更大的空间。据海外市场研究机构ABI Research数据显示，预期智能手机配件市场将在2017年成长至380亿美元。

在手机的配件中，电池占了很大的比重。而传统电池容量每十年才提高20%，与智能手机、平板电脑等高耗电量设备的普及速度不成正比，已无法满足科技发展和人们生活的需要。因此移动电源的出现和研究，极具价值。而目前，便携式移动电源仍需解决无法智能化和数据化等缺陷，因而本课题针对移动电源和手机易被盗、移动电源无法智能化和数据化等缺陷，以蓝牙4.0技术为核心，研究设计带定位系统的无线蓝牙智能移动电源。设计原理与思路

2.1 设计原理

无线蓝牙智能移动电源是基于国际蓝牙组织发布的最新蓝牙4.0协议进行工作的，主要原理是应用了无线蓝牙技术和搭载传感器的集成电路通过手机上配套的App使得各个平台之间无线连接，并且可以充分利用云端的优势进行数据存储和分析以及进一步应用拓展。

2.2 设计思路

实现将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，自主研发智能手机的智能配件产品及配套的移动端App，实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合各种传感器信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上具有广泛认知及销量的移动电源产品，并提供嵌入式集成电路开发、移动智能终端软件开发及云端计算及大数据量存储交互的一体化解决方案，真正实现电子产品智能化。

手机端App主界面可以获取和手机相无线连接的移动电源内部的诸多信息，包括：移动电源当前电量、对各种智能设备如手机或Pad预估充电次数、当前电源预计充满电所需时间等，并且具有电源和手机端进行无线连接或断开的设置按钮以及电源设置操作按钮等，还可通过按动移动移动电源home键遥控手机拍照。移动电源设置界面可设置各种移动电源状态或情况下的提醒(图1)。设计制作与步骤

3.1 无线蓝牙智能移动电源的内部设计

无线蓝牙智能移动电源包括主控模块和分别与主控模块电连接的升压模块、充电管理模块、电量读取模块和通信模块;电芯通过电芯保护模块与充电管理模块、升压模块和电量读取模块电连接;充电管理模块连接有USB充电接口，升压模块连接有USB放电接口。

通信模块采用蓝牙模块，与主控模块电连接并与外部移动设备(如手机、笔记本电脑等)通信连接，用于为外部移动设备提供移动电源的电量信息和内部相关信息。内部相关信息包括电压信息、电流信息、温度信息等。

无线蓝牙移动电源和手机或Pad等外部移动设备之间的通信包含数据通信和命令通信两种：

(1)数据通信。主要是指从移动电源内部传感器读取的电源内部温度、3D加速度数据和电量控制模块读取的电源电压、电流、电量数据，这些数据可以实时传输到手机或Pad端，通过App的加工处理，以各种可扩展的应用展示给用户，或对用户操作进行提醒。

(2)命令通信。主要是指通过移动电源上按钮，对其触发相应的指令传输到手机或者Pad端，通过App对手机或Pad进行无线遥控操作，比如遥控照相、遥控连续拍照、遥控摄像、遥控录音、遥控触发手机铃声以找到手机等;同时还可以反向通过手机端App，发出命令，传输到移动电源上，触发电源报警铃声以寻找电源。

3.2 无线蓝牙智能移动电源的外部设计

(1)材料选用无线蓝牙智能移动电源以航空铝美合金为主要原材料，以充分保障电源散热。外观设计主要包括功能端口：充电接口、放电接口、Home键，以及电量指示灯。

(2)隐藏式卡口设计。在移动电源外部设置可隐藏式卡扣，方便移动电源用户在户外或需要一边充电一边使用设备时，能较方便移动电源固定。另外，移动电源的隐藏式卡扣还可以在用户收纳电源时夹在包袋内，避免四处滑动，难于寻找。如图2所示。

3.3 配套的智能手机端APP设计

配套的智能手机端APP的设计能支持iOS系统，这就需要iOS平台的蓝牙4.0配套协议逻辑实现。

主要在用户界面部分和蓝牙稳定性方面进行了设计：

主要电源信息实时显示部分作为主页面，实时向用户显示电源信息和根据基础信息计算出的应用相关信息;遥控拍照和摄像单独一个页面，提供拍照设置、前后摄像头选择、闪光灯选择等功能，并且支持多达15张照片连续拍摄。

蓝牙连接稳定性方面，每台电源设备有唯一编码，完全可以做唯一识别判断，本项目设计的iOS平台的App，能和多达8台电源设备同时进行连接，在20米范围内可以持续稳定连接，抗干扰性强，并且蓝牙连接在超过设定的安全距离报警后，当电源设备回到安全距离范围内，蓝牙连接可以迅速地自动重新握手建立连接，无需额外操作，连接过程对用户透明，提高用户体验。

3.4 制作步骤

硬件制作→APP交互流程设计→用XCODE软件进行app程序编译→功能ICON设计→绘制app界面并进行界面视效整体优化创新性分析

带定位系统的无线蓝牙智能移动电源的设计是基于蓝牙4.0技术研发的移动电源硬件和智能手机终端App，通过两者和数据分析处理的云服务三者结合实现智能配件和手机的无线互联及命令、数据传输，并基于超低功耗蓝牙技术结合移动电源内部的传感器进行信息搜集，以及结合目前消费电子产品市场上消费者对于移动电源的需求，并提供无线充电、遥控拍照与手机上配套的App连接，在云端进行数据存储和分析，真正实现电子产品智能化。

4.1 理论与技术创新

本项目将蓝牙无线通信模块与传统消费电子产品相结合，在传统移动电源基础上，增加了蓝牙无线通信模块、温度传感器、3D加速度感应器，将传统移动电源产品进行了智能性扩展。硬件产品和智能终端App配套开发，使电源具有和智能手机之间进行数据传递和命令传递的能力，并且可以扩展多种相关功能以及用于进行终端用户使用模式的行为数据分析，最终实现移动电源智能化、数据化。

在技术上，带定位系统的无线蓝牙智能移动电源将蓝牙4.0作为物联网内各种设备的无线通信技术基础，验证了其稳定安全传输、远距离无线通信、低功耗、小体积、1对多的可行性和技术优势;成功搭建了云服务器集群，实现负载均衡，大数据量存储;在手机端iOS平台，实现对底层蓝牙4.0模块及接口的调用，对无线传输信号侦测及无线传输距离的设置，开发了支持蓝牙4.0协议的配套APP;解决一台移动智能终端和多台蓝牙4.0模块设备的连接，实现一对多的主从模式控制，实现了移动电源的智能化和联网化。

4.2 应用创新

(1)将物联技术和个人移动终端电子产品相结合，增加了电子产品智能化及附加值应用。

虽然目前移动电源产品兴起于2011年，但技术含量低，移动电源本身除了作为应急充电电源外，不具备其他扩展功能和智能体验。而本项目设计将蓝牙4.0无线传输模块和传感器模块内置入移动电源的方式，在手机端开发配套App，实现智能手机和移动电源的无线互联以及数据、命令传输，并在基础上实现智能化功能扩展，为用户带来更好的体验。

(2)可以从智能手机端实时获取电源内部电量、温度、是否跌落等信息，并获取各种提醒，实现移动电源智能化，同时收集大量信息数据传送到云服务器，进行深入分析与处理。

目前市面上在售的普通移动电源无法获知在消费者中的实际使用行为，而本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源可以将用户电源信息、对电源的使用情况和行为等数据信息实时采集到手机终端，再通过网络传输到云端，进行存储，从大规模数据中进行分析。例如，只要手机与移动电源分离达到20米左右，两者就会同时发出定位报警提示，用户都会收到及时提醒。也具备了防窃功能。

通过报警情况收集，在云端反映出用户的使用习惯，对经常发生手机或者电源遗失的地点等情况进行收集分析，从而推知在最容易发生物品遗失的地址，提前进行多种提示，避免损失。

(3)可以通过移动电源上按钮触发手机无线遥控拍照、摄像。通过蓝牙4.0无线传输协议，智能移动电源和智能手机之间除了进行数据的传输，可以进行命令的互相传输。在移动电源端硬件上设计的按钮，当手机和电源在安全范围内保持无线互联的状态下，可通过按动电源上的按钮，触发指令，控制移动电源通过中控模块向无线传输模块发出相应的命令，命令被手机端无线模块收到，并经过App的解析，根据当前App所设置是拍照或摄像状态，在手机端调用相应的拍照或摄像命令，即可实现通过移动电源无线遥控手机拍照或者摄像的功能。

(4)具有五重保护技术，可以实现低静态、持续全兼容和高效节能安全充电。所谓五重保护指的是过充保护、过放保护、过流保护、短路保护及过温保护，通过内部数字化管理系统精准的计算出延迟时间，在电源过充、过放、过流、短路以及过温的情况下关闭电路，从而有效保护移动电源及充电电子设备的安全性。带定位系统的无线蓝牙智能充电电源可以高效节能充电、给其他电子设备充电并保持低静态充电，延长电池的使用寿命。

4.3 结构创新

(1)外部设计方面。本设计研究的带定位系统的无线蓝牙智能移动电源外观采用阳极氧化处理的航空铝镁合金材质，可以充分散热。同时外部设置了可隐藏式卡扣，方便用户固定移动电源。

篇3：双电源智能转换控制器设计

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高, 供电的连续性越来越重要, 为确保不间断供电, 许多重要的用电场合都配备了两路供电电源。双电源智能控制开关能够有效准确地实现双电源间的转换, 被广泛地应用于各种重要负荷场合[1]。

1 双电源智能控制系统结构与功能

1.1 系统方案设计

本课题开发的基于CPLD EMP1270的双电源自动转换器, 应用当前主流的AVR Atega32单片机同CPLD互连通信, 实时采集两路电源参数;利用CPLD专有的大容量高速缓存芯片, 极大地改善了信息传输性能, 增加了双电源智能转换开关的高效性;同时从提高控制器的性能、优化其功能及外观入手, 开展研究与设计, 为简化设计, 系统采用模块化设计方案, 并以自底向上的软、硬件开发流程, 实现两路电源的自动切换[1]。

1.2 系统功能参数

系统功能参数如下:

(1) 工作电源:额定电压220V, 电网波动±25%内正常。

(2) 频率检测:额定频率50 Hz, 频率波动±25%内正常。

(3) 电源类型选择:电网+电网/电网+发电机。

(4) 通信功能:RS485通信。

(5) 消防信号:分无源信号和DC24 V恒压/脉冲。

(6) 液晶显示屏:显示实时检测到的数据, 并设有菜单、端子定义等功能。

(7) 故障指示灯:温度超过80℃, 报警指示灯亮。

(8) 远程控制功能:设有I, II, O三个档位。

2 控制系统硬件设计

硬件电路是系统设计的基础, 合理的硬件设计有利于软件的编写以及装置的调试。在设计时为提高硬件电路的电磁兼容性, 采用模块化设计方案, 将强电与弱电信号隔离, 独立出主控制模块、信号处理模块、输入输出模块、人机交互模块, 4个模块分别设计[2]。系统硬件设计框图如图1所示。

2.1 电源电路设计

电源电路是为用电设备及芯片提供电力能源的电路, 其电压、驱动能力、纹波等性能将大大影响系统的稳定性, 所以设计好电源电路至关重要。本设计中, 电源电路设计成两部分:①将220V交流电转换成5V直流电压, 供外围电路及芯片使用;②由于控制芯片EMP1270D的工作电压为3.3V, 所以需要将5V电压转换为3.3V电压。

图2为+5V系统电源电路, 先经过变压器T1和T2将220V的交流电进行降压处理, 输出12V交流电压;再经过桥式整流器, 进行全波整流后输出脉动的直流电, 在电容C1滤波的作用下转化为直流电进入三端稳压集成电路LM2575-5的输入端, 经肖特基二极管V1、电感L1以及电容C2、电解电容C3的再次滤波后, 最终输出精度高、稳定性又好的+5 V的直流电压[3]。

2.2 电压检测电路

电压检测电路实时检测电网输入的三相交流电压。图3为信号调理电路, 将三相电经过电压互感器后, 在调理电路的作用下接入Atmega32单片机的P1口 (8位专用A/D转换口) , 经A/D转换发送传输命令给CPLD内部寄存器, 从而驱动液晶显示屏显示数据。其中电压调理电路由集成双运算放大器LM358、开关二极管1N4148等组成, 整体构成一个电压比较器, 实现恒压反馈作用。

2.3 频率检测电路

频率检测电路为检测双电源频率的电路, 如图4所示。先通过热敏电阻及变压器T1降压获取较为理想的12V交流电, 串入大电阻R8获取小电流, 最后通过光电耦合器PC814捕捉过零点的动作。此处采用AVR单片机内置的输入捕获功能 (ICP) , 当发生边沿跳变时, ICP捕捉并记录信号。经过采样计算, 根据检测值与设定值的比较判断电源是否故障。

2.4 人机交互电路

液晶显示屏实时显示当前检测的数据, 具有菜单项、端子定义功能, 面板上设有按键控制按钮, 供操作人员对控制器的参数、工作状态进行查询、设定修改等操作。双电源控制面板界面如图5所示。

2.5 电动机切换电路

电动机切换电路采用三极管开关电路实现驱动各继电器的动作, 从而发出电动机正转、反转、启动和停机等命令。

3 控制系统软件设计

双电源智能转换控制器的软件设计采用模块化的设计方案, 分为系统主程序、信号处理程序、通信程序以及人机交互程序4大程序模块。

3.1 系统主程序

主程序是双电源智能控制软件的核心部分, 当程序上电后, 程序即在主程序流程中反复循环运行, 各子功能模块在需要时进行调用, 调用结束后, 返回主程序。系统主程序流程图如图6所示[4]。

3.2 信号处理程序

信号处理软件程序主要是对电源电压和频率信号进行采样并编写各自的软件算法。

在频率测量前需先进行A/D初始化和中断初始化。以A相为例, 当A相方波跳变信号到来时, Atmega32单片机对其跳变信号进行捕捉, 首次捕捉定时器的时间设为T1, 第二次跳变信号到来, 定时器的时间设为T2, 根据式 (1) , 即可以算出此时的频率f[5]:

3.3 人机交互程序

人机交互程序主要包括按键部分、液晶显示部分及LED指示部分。按键主要完成对各种控制参数的设定, 包括操作选择、状态显示、参数设置、故障查询和电能参数查询。菜单控制程序中包括按键的操作以及各种参数的设置。人机交互模块程序流程图如图7所示。

液晶显示模块选用RA8835, 为图形点阵液晶显示屏, 由行驱动器/列驱动器、128*64全点阵液晶显示器等组成, 可显示16*16点阵汉字。其内部包括指令寄存器、数据寄存器, XY地址计数器、显示数据RAM等。液晶驱动程序为底层硬件操作, 在对液晶模块内部寄存器读写时, 需严格按照其器件说明书编写。

4 双电源三相监控系统现场调试

在所有设备接线安装完成并送电后, 即对双电源智能转换控制器进行现场调试。主要调试工作如下:①方式设定:包括电源类型、电压上/下限、优先电源确定等;②延迟时间设置:包括断电延迟、发电机冷时暖机延迟等;③自动控制测试:切断主电源任何一路电源, 进行两路电源的自动转换调试, 包括发电机的自启动、冷机/停机、转换时间的调整、转换时间核对等;④手动控制测试:将自动/手动选择开关设置成手动位置, 通过控制器面板按键, 对I-O-II三个位置进行操作[6]。

5 结束语

本系统设计的硬件及软件均满足设计要求, 能够实现系统预期的功能。在对供电电源要求越来越苛刻的今天, 此双电源智能转换装置必将有着广阔的市场前景。

参考文献

[1]吴剑, 黄正乾.关于自动转换开关电器设计应用的探讨[J].智能建筑电气技术, 2008 (1) :90-93.

[2]张燕.基于DSP2812的双电源供电系统智能控制器的研究[D].曲阜:曲阜师范大学, 2010:12.

[3]严晓娜.基于ARM的双电源信号采集及切换控制技术[D].天津:河北工业大学, 2012:8-10.

[4]王立业.双电源自动转换器的设计与研究[D].天津:河北工业大学, 2007:30-38.

[5]沈斌.双电源自动切换系统的设计[D].苏州:苏州大学, 2011:4-6, 17-18.

篇4：智能化电源设计论文

【关键词】可编程控制器；PLC技术；智能开关；低压双电源

0.前言

传统的双电源自动转换双电源线路主要是通过集成多种继电器、接触器、开关等，按照特设的逻辑顺序进行相关的转换，在工作时，传统的转换器安全性差、结构复杂、安装困难、维护工作量较大，为其发展带来了极大的影响，同时因为诸多外借因素的影响，传统的电源转换器逐渐被市场淘汰，越来越多的建筑设施和工业设备采用PLC智能转换器。

PLC智能开关就是在工业环境下应用而升级的数字运算操作电子装置。它主要代替继电器实现逻辑控制，同时随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此在市场上占有份额越来越大，将逐步取代传统的控制系统进行更科学有效的控制。

1.双电源电路工作要求及实现环境的设计

双电源本质上就是一种由微处理器控制，用于电网系统中网电与网电或网电与发电机电源启动切换的装置，可使电源连续源供电。当常用电突然故障或停电时，通过双电源切换开关，自动投入到备用电源上，使设备仍能正常运行。最常见的是电梯、消防、监控上。在双电源线路的实现过程中，主要是市供电和机械发电之间的转换，转换之后要及时调整电压、频率等参数，同时双电源中作线路中要有及时有效设备的控制和相应的人力检测，保障供电的安全可靠。

2.可编程控制器（PLC）的工作原理

PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

在PLC投入运行的时候。其工作过程主要分为三段：输入采样、用户程序执行、输出刷新。完成这单个步骤就是完成一个扫描周期。

输入采样就是PLC以扫描方式依次的读入所有输入状态和数据，并将它们存入特定的I/O映象区中的相应的单元内，输入采样结束后，就转入用户程序执行和输出刷新阶段，这时输入状态数据进行运算和处理，原始的I/O映象区的数据不发生改变。

用户程序执行阶段就是PLC按照其设定的顺序对用户程序进行系统性扫描和逻辑运算，根据逻辑运算结果，PLC自动刷新逻辑线圈在RAM存储区中对应位的状态，或者是发出指令，控制设备自动进行工作和生产。

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这才是PLC的真正输出。

综合来看，PLC同传统的转换设备相比其功能更加完善，组合灵活，扩展方便，实用性强，同时用户程序编制简单，系统开发周期短，现场可以调试；相对与环境来说，PLC技术对环境要求低，抗干扰能力强，易学易用。

3.PLC低压双电源智能开关的实现和应用

PLC主要面向工业化生产，控制主要用于三相交流供配电控制。与传统的智能开关相比，PLC低压双电源智能开关有缺相保护功能，在发生缺相的时候，可以有效的控制电源切断，同时还可以在系统电源恢复时进行反切，有效保护了电路和生产设备，PLC应用时还可以有效避免构件的耗损率，减少成本的开支和资源的浪费。

系统方案的确定，PLC双电源在工作时，必须只能有一个电源与负载接通，且在一路电路故障时要实现自动切换，同时由于使用PLC设备的都是用电总功率较大的场合，必要时需使用发电机设备供电。系统在工作时就要有选择的进行检测工作，一旦主电源发生故障（系统电源出现缺相或者是欠压），此时立即启动发电机，同时主电源就会自动断开，备用电源启动后，同样要进行相关检测，检测备用电源无障碍后再进行备用电源与负载的接通。

系统硬件设计是主体设备的选择和确定。根据总系统设计方案要求，设置相应的硬件设备。硬件设备中，主要考虑因素是控制环节和判断步骤，在选择了使用的设备后，要进行实用性实验检测和统计，只有严格控制好硬件设备的安装与使用，才能更好在系统软件设备中编制程序和实现功能。

系统软件设计就是编译PLC控制系统的语言主体。软件设计主要分为五部分：对于复杂的控制系统要绘制控制系统流程图，对于简单的系统可以忽略此步骤；根据实践经验和对PLC的认识设置梯形图；根据梯形图编制语言表程序清单；用程序编程器键入PLC用户存储器中，并检查键入程序是否正确；对程序进行调试直到满足要求。

PLC的后期实现主要就是根据以上步骤进行合理的物理设备实现，这样一项PLC低压双电源智能开关就可以得以实现。

4.我国PLC低压双电源智能开关的发展趋势

PLC低压双电源智能开关已经被广泛的应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械加工等各个行业。PLC虽然已经有了广阔了发展前景，但在其创新领域内还是有很大的空间，PLC发展趋向主要是更小的设备体积、更强的通信功能和更高速的处理速度。

5.总结

从最早美国数字设备公司研制出的可控编程控制器PDP-14，到现在比较成熟的PLC整体设备，短短几十年之间，PLC技术取得了不错的发展，PLC现已成为工业控制三大支柱之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，在机械、化工、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。同时在未来的市场上也将占有很大的份额，PLC智能开关也将得到更广阔的发展前景。

【参考文献】

[1]陈军统，潘再平，杨舒捷.基PLC低压双电源智能开关设计[J].制造业自动化，2012（8）：135-138.

[2]于静.PLC低压下的双电源智能开关设计探讨[J].大科技，2012（20）：24-25.

[3]金晓龙，杨显斌.关于PLC技术在电气自动化中的发展应用[J].华东科技，2013（2）：418-418.

篇5：智能化电源设计论文

20世纪80年代后期开始，随着我国铁路装备技术的迅速发展，重载、提速、扩能工程的实施，铁路信号设备相继引进和开发了许多先进技术，装备在运输繁忙的干线上。为适应铁道部电务维修体制改革、信号技术发展的需要，针对当时铁路信号电源设备制式单

一、元器件可靠性差、整体技术落后的局面，多家企业和研究院所相继于90年代后期开始论证、研制和开发了铁路信号智能化电源屏，自2000年第一套智能化电源屏通过了铁道部技术鉴定至今，已有6家单位的智能化电源屏通过了铁道部技术鉴定或技术审查，大约有5～6家通过了路局级的技术审查或鉴定，目前还有一些单位正在继续研制开发中，形成了激烈竞争的局面，促进了智能化电源技术的发展。

一、铁路信号智能化电源屏的现状

从2000年第一套铁路信号智能化电源屏在现场正式运行至今，已有近10家单位的智能化电源屏上道运行。2002年铁道部组织对原大、中、小站电源屏部颁标准进行了修订，编制并颁布了新的铁路信号电源屏的行业标准，但限于当时智能化电源屏的发展条件，没有单独针对铁路信号智能化电源屏制定技术标准，因此，目前智能化电源屏还没有一个统一的、确切的定义和可按照执行的、有针对性的设计规范和标准。设计、建设单位对产品技术和质量不好把握，在基本建设的招投标文件中往往根据某家产品的指标、性能特点来确定标准，造成投标企业为了满足招标文件的要求，盲目改变自己经过技术鉴定的产品的原理、功能、指标，致使各种参差不齐的技术和质量的信号电源产品上道使用。

因此，目前的局面是智能化电源屏制式种类繁多，工作原理各异，外形结构五花八门，高度尺寸不一，颜色眼花缭乱，故障事故频发，严重的造成延时、停车，甚至出现火灾险情，年事故率呈现逐年增长势头，为行车安全带来重大事故隐患。以重庆电务段2004年12月的统计的为例，自2000年开始，电务段先后安装智能化电源屏13站，分别由三个厂家提供，四年间各站电源屏均不同程度地发生故障，尤其是后2年，故障发生较频繁，仅2004年1月至12月一年间，智能化电源屏共发生故障13次，故障原因为：轨道模块坏3次；信号模块坏3次；24伏电源模块坏3次；微机模块坏2次；道岔表示坏1次；监测系统切换板坏1次。2005年1-9月全路电源屏的事故统计中，大多为各家的智能化电源屏，共发生48件事故，延时69.25小时，影响行车116列，严重影响了铁路正常运行。

目前智能化电源屏的组装、制造，主要集中在这10家左右的单位，特别是近几年，主要集

中在几家中小型的民营企业，应该肯定的是这几家民营企业引进了其它行业的先进理念、先进技术和产品，在推进铁路信号智能化电源系统的技术进步方面起到了重要作用，新产品不断推陈出新，使铁路信号电源技术发展较快。但是，不可否认的是，各自独立、互不交流、市场无序竞争、产品的技术和质量良莠不齐，其中有些企业确实具有一定的研制能力，但是在制造方面都不具备规范的生产实体，几乎全部关键模块都是搞委托加工，其产品质量完全取决于生产方的生产质量，特别是高频电力电子模块，多是委托其它行业的生产体，这些企业在其自己的行业可能实力较大，但信号电源模块多为特殊要求，小批量多品种，供货周期短，同时由于目前的铁路信号智能化电源处在技术更新比较大、更新速度比较快，信号电源种类繁多，涉及多个专业领域，产品技术服务需要专业人员等特点，一般的路外大型专业电源企业难以适应，在这种条件下生产的产品并不像人们所想象的高可靠，同时，5～6年后的售后服务也很难保障。

由于有近10家单位的智能化电源屏上道运行，有的实际运用已有五年，同时各家又在不断的完善、改进、提高，产品技术、质量都有了很大的进步，但仍存在着制式种类繁多，外形、结构、高度、尺寸不一，标准化、互换性差，在一个电务段里有多家产品在运行，日常维护和维修极为不便。由于故障率高、设备电路复杂、采用的技术大多不为现场使用的电务维护人员所熟悉等问题，有些用户流露出对原有电源屏的怀恋。

铁路信号智能化电源市场规模有限，一年的产值大约在2.5亿左右，分摊到10多家单位，平均每家也就在2500万元左右，由于市场竞争激烈，各家赢利能力都有限，影响产品技术创新的投入和生产规模化装备的投入，造成产品发展后劲不足。

二、铁路信号智能化电源屏的技术概况及发展方向

铁路信号智能化电源屏是为铁路信号设备供电的重要设备，是车站联锁、区间闭塞等系统可靠运行的心脏，电源系统发生故障，将导致整个系统瘫痪，其重要性非同一般。

我国从70年代后期开始实现车站电气集中联锁以来，信号电源屏一直作为重要信号设备，由铁道部指定专业厂家生产。电源屏的技术领域也仅涉及信号、电力两个专业，而随着智能化电源屏研制开发技术的需要，所涉及的专业技术涵盖了信号、电力、电子、网络、计算机、通信、电磁兼容等，从而智能化电源屏成为集成综合技术比较复杂的产品。开发研制这样的智能化信号电源系统，需要具备以上多方面的专业知识、技术能力和规范的生产装备。

铁路信号智能化电源屏是向铁路信号设备供电的重要设备，具有两个基础功能：

1）、基本供电功能：根据不同规模的铁路电气集中联锁站场、不同联锁方式、不同轨道电路制式、不同的区间自动闭塞方式等信号设备的供电要求，选配不同频率、不同容量、不同电压种类的交、直流电源单元，组合成各种车站电气集中联锁信号电源屏、驼峰编组场电源屏、区间闭塞电源屏、25周轨道电源屏等，或综合型信号电源屏，完成向各种信号设备供电的基本功能。

2）智能辅助管理功能：应用计算机和通信、网络技术，对供电系统各个环节、关键器件的运行参数、状态进行监测、管理、记录、通信、报警、分析等。

目前使用的铁路信号智能化电源屏基本都具备以上两种基础功能，由于采用了不同的技术、性能、结构设计，在满足不同信号设备供电要求方面，其技术、质量、可靠性等方面存在着很大差异，都有存在着改进和提高的地方。

在对智能化电源屏没有一个统一的确切的定义和可按照执行的设计规范和标准的情况下，从智能化电源屏生产厂家现有技术水平、能力以及铁路大多数用户的要求，智能化电源屏结构上电源单元模块化，满足现场要求电源屏占用面积小，备用方式灵活，故障时方便维修、快速更换器件等需要；监测方面，采用现代数字信息处理及通信技术，可向微机监测提供输入、输出电源的各种参数，同时满足自身在工作状态显示、非正常工作记录、统计，故障判断、分析、储存等方面的需要。在监测性能和功能方面，各个厂家对智能化理解的程度不同，采用的技术不同，有的采用单板计算机、有的采用工业控制计算机，功能、性能差异较大。目前对智能化电源屏的理解可用“模块化+监测”来概括，这也为大多数人所认同。在电源模块技术的采用上，有些厂家的产品全部或部分采用了高频电力电子技术，如PFC功率因数校正、大容量直流并联均流、交流并联均流（尚不完全成熟）、采用UPS电源等，满足信号设备的技术发展对供电新的技术指标的要求。

铁路信号智能化电源屏的配电系统功能单元可分为输入单元、模块单元、输出单元和智能监测单元：

（1）输入单元：两路输入电源的引入、转换，交流集中稳压、整流，输入电源的浪涌抑制、雷电防护等。

（2）模块单元：实现输出不同电压、容量、频率的交、直流电源，此部分是各家采用不同技术区别最大的地方，有的采用工频稳压（参数式稳压器或工频数字电压补偿型（微电脑补偿型）交流稳压器、工频隔离变压器）；有的采用高频电力电子技术的模块，同时也是模块化程度最高、最容易实现的部分。

（3）输出单元：实现将各种经过稳定的输出电压进行分配、保护、监督，输出电源的浪涌抑制、雷电防护等。

（4）智能监测单元：包括系统运行中的各种参数的实时采集、变换、处理、通信等，实现系统各种参数的监测、故障定位、报警、故障信息统计、储存等，同时可实现向微机监测提供电源运行参数的接口。

目前的智能化电源屏采用的系统技术可分为以下几种类型：

第一种、采用工频数字电压补偿型（微电脑补偿型）交流稳压电源或参数式稳压变压器、工频硅整流直流电源、工频50Hz铁磁分频器25Hz电源和电力电子高频直流开关电源、高频电子25Hz电源，根据生产单位技术能力、用户技术要求而组合电源系统，配备各种形式的工业控制计算机或单板计算机的智能数字型监测辅助功能。目前有2-3家采用的是这种系统集成技术。

第二种、采用电力电子高频交流稳压电源（高频隔离）、高频直流开关电源、高频电子25Hz电源，独立模块进行组合成电源系统，配备单板计算机的智能数字型监测辅助功能。目前有2-3家采用的是这种系统集成技术。

第三种、采用工频交流稳压（参数式或恒压变压器、微电脑补偿交流稳压器或工频变压器）、整流后，构成直流母线；分回路经DC/DC变换成直流电源，为各种直流信号设备供电；分回路经DC/AC逆变成各种交流电源，为各种交流信号设备供电，配备各种形式的工业控制计算机或单板计算机的智能数字型监测辅助功能。目前有2-3家采用的是这种系统集成技术。

第四种、高频化整流，构成直流母线；分回路经DC/DC变换成直流电源，为各种直流信号设备供电；分回路经DC/AC逆变成各种交流电源，为各种交流信号设备供电，配备各种形式的工业控制计算机或单板计算机的智能数字型监测辅助功能。目前有的厂家正在论证或研制中，尚没有经过现场实际验证。

前三种是目前的主流智能化电源屏，在现场运行的数量比较大，其它运行数量比较少或在研制中的其它智能化电源限于公开程度和掌握资料上，不十分了解，在此不做详细叙述。

下面对以上四种类型的铁路信号智能化电源屏的配电系统组成方式及其技术、性能、结构进行简要分析：

第一种类型，可根据用户要求和现有信号设备对电源技术指标的要求，可组成如下几种电源系统组成方式：

1）交流集中稳压+工频交流隔离+工频直流整流（全工频方式）电源系统组成方案见图1。

图1 该电源系统的工作方式是：两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，由一套交流集中稳压器（无触点工频数字电压补偿型交流稳压器或参数式稳压器）稳压后，经过工频交流变压器进行变压、隔离变换后向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；经过工频交流变压器进行变压、隔离，在采用单相或三相桥式整流后变换为直流电源向继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。交流集中稳压器故障后自动转为旁路，由电网直接供电。模块单元的备用方式可采用1+

1、N+1等备用方式，备用模块可手动或自动转换，此种备用方式可减少备用容量和数量。另外，还可采用将模块单元、输出单元做成主、备屏的备用方式，就像传统的电气集中电源屏的整屏备用方式一样，优点是一旦主屏发生严重的、短时难以恢复的事故，可以尽快转到备用屏，恢复向信号系统供电。

此种电源系统在结构上，输入单元中的两路电源转换、交流稳压器和模块单元的大部分可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：（a）电气原理基本采用传统的工频电磁型电气集中电源屏技术。电路简单，器件直观，现场电务维修人员对电气系统比较熟悉，维修方便。

（b）工频电磁器件，抗输入电源浪涌和抗输出负载的冲击性能比较好，负载适应性强，可耐受较大感性、容性负载的冲击。

（c）（d）工频电磁器件，不会产生高频电磁干扰，电磁兼容性好。工频器件可靠性高，寿命长。

该电源系统存在的问题是：

（e）采用一套集中稳压设备，故障后没有备用设备，直供后，失去了稳压功能，降低了供电质量。

（f）集中稳压设备采用工频稳压，对输入电源的干扰，例如高频闪变、尖峰等，防护性能差。

（g）交流电源模块不能并联输出，因此，两路输入电源转换时造成输出交流电源供电中断。

（h）铁磁分频器25Hz电源效率低，输入功率因数低，25Hz波形差，失真度大。变频器体积、重量大，不易模块化。

（i）直流电源采用工频变压器变压、隔离、单相或三相桥式整流，输出直流电压纹波系数大，交流输入侧谐波电流大，输入功率因数低，特别是大容量整流时，输入端谐波电流对电网的干扰大。

（j）备用模块或备用屏若采用冷备用方式，主用模块或主用屏故障报警后，操作人员需到现场手动操作切换至备用。

2）交流集中稳压+工频交流隔离+高频开关直流电源（工频+高频相结合）电源系统组成方案见图2。

图2 该电源系统的工作方式是：两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，由一套交流集中稳压器（无触点工频数字电压补偿型交流稳压器或参数式稳压器）稳压后，在分回路经过工频交流变压器进行变压、隔离后向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电的直流电源是从两路电源切换

后，经高频开关型直流电源并联均流输出。交流集中稳压器故障后自动转为旁路，由电网直接供电。模块单元的备用方式可采用1+

1、N+1等备用方式，备用模块可手动或自动转换。

此种电源系统在结构上，输入单元中的两路电源转换、交流稳压器和模块单元的大部分可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

（a）交流电源基本采用传统的工频电磁型电源技术。工频电磁器件，抗输入电源浪涌和抗输出负载的冲击性能比较好，工频器件可靠性高，寿命长。

（b）交流部分电路简单，器件直观，现场电务维修人员对电气系统比较熟悉，维修方便。（c）高频开关型直流电源模块具有完善的输入、输出保护功能，输入设置过压保护；输出设置过压、欠压保护；输出电流被限制在一规定的限值，当过载甚至短路时，其输出电流都能被可靠限制，能可靠地抵抗输出短路故障。保护反映速度快、功能可靠，既保护电源本身不被损坏，又保护了负载设备不受过电压、过电流的冲击。（d）由于高频开关型直流电源采用储能续流技术，在两路输入电源转换时，可保证直流输出不间断供电，同时，输出稳压精度高（可达1%），纹波成分低（峰值电压小于200mV），满足新型信号设备，如ZPW-2000型自动闭塞系统对直流供电要求不间断、交流纹波成分低等新的技术指标要求。高频开关型直流电源，可设置PFC功率因数校正，功率因数在0.95以上，大大减少了输入谐波电流对电网的干扰。

（e）直流电源模块采用并联均流输出，N+1或N+M备用方式，模块故障后可自动退出，不影响系统正常工作。该电源系统存在的问题是：

（f）交流部分采用一套集中稳压设备，故障后没有备用设备，直供后，失去了稳压功能，降低了供电质量。

（k）交流电源模块不能并联输出，因此，两路输入电源转换时造成输出交流电源供电中断。

（l）25周电源可采用铁磁分频器，也可采用高频开关电子25Hz电源模块。但铁磁分频器效率低，输入功率因数低，25Hz波形差，失真度大。变频器体积、重量大，不易模块化。

（g）交流备用模块若采用冷备用方式，主用模块故障报警后，操作人员需到现场手动操作切换至备用。

3）交流分散稳压+高频开关直流电源（工频+高频相结合）电源系统组成方案见图3。

图3 该电源系统的工作方式是：两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，经过分散的工频交流稳压器（无触点工频数字电压补偿型交流稳压器或参数式稳压器）进行稳压、隔离变换后向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电的直流电源是从两路电源切换后，经高频开关型直流电源输出。模块单元的备用方式可采用1+

1、N+1等备用方式，交流备用模块可手动或自动转换。

此种电源系统在结构上，输入单元中的两路电源转换和模块单元的大部分可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

(a)分散式交流稳压电源采用工频电磁型电源，如参数式稳压器或无触点工频数字电压补偿型交流稳压器。工频电磁器件，抗输入电源浪涌和抗输出负载的冲击性能比较好。

(b)直流电源采用高频开关型直流电源模块，并联均流输出。N+1或N+M备用方式，模块故障后可自动退出，不影响系统正常工作。

该电源系统存在的问题是：

(c)采用分散式交流稳压电源，数量多，同时故障点多。参数式稳压器由于存在着温升高，谐振电容寿命短，易爆等缺点，现已很少使用。目前大多采用无触点工频数字电压补偿型交流稳压器。

(d)交流电源模块不能并联输出，因此，两路输入电源转换时造成输出交流电源供电

中断。

(e)25周电源可采用铁磁分频器，也可采用高频开关电子25Hz电源模块。但铁磁分频器效率低，输入功率因数低，25Hz波形差，失真度大。变频器体积、重量大，不易模块化。(f)交流备用模块若采用冷备用方式，主用模块故障报警后，操作人员需到现场手动操作切换至备用。

第二种类型，电源系统组成方式：

4）高频交流稳压电源模块+高频直流开关电源+高频电子25Hz电源（高频化）电源系统组成方案见图4。

图4 该电源系统的工作方式是：两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，采用分散的高频开关交流稳压模块向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；采用高频开关型直流电源向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。模块单元的备用方式可采用1+

1、N+1等备用方式，交流备用模块自动切换。

此种电源系统在结构上，模块单元可做成标准化的模块。该电源系统的优点是：

(a)中小容量的交流电源采用高频开关型交流稳压模块，同高频开关直流电源模块一样，具有完善的输入、输出保护功能。

(b)高频交流开关电源，由于采用了功率因数校正、高压储能、高频脉宽调制和交流逆变等技术，所以具有输出电源电压稳压精度高，波形失真度小，频率稳定的高指标的输出电源质量，由于采用的是交-直-交的工作方式，因此对质量差的电网电源具有一定的净化作用；同时，由于采用功率因数校正，功率因数在0.95以上，大大减少了输入谐波电流对电网的干扰；采用储能续流技术，在两路输入电源转换时，可保证交流输出不间断供电；单位功率体积比大，所以做成同等容量的模块体积要小，模块化程度高。

(d)直流电源采用高频开关型直流电源模块，并联均流输出。N+1或N+M备用方式，模块故障后可自动退出，不影响系统正常工作。

该电源系统存在的问题是：

(e)高频开关型交流稳压模块，目前国内以中小容量的单相电源模块为主，技术相对成熟，质量基本能满足使用要求。但大容量交流电源，如三相交流转辙机电源，技术复杂，应用范围小，可靠性差，特别是成本很高。所以，目前几家的智能化电源屏，大容量交流电源，仍采用工频交流稳压电源，如采用无触点工频数字电压补偿型交流稳压器。

(f)高频开关型电源模块，由于采用大量的电力电子器件，对系统集成综合技术要求高，若综合防护技术差，就存在着诸如输入抗电网干扰能力差、抗负载冲击能力差、防雷性能低等，同时对电磁兼容要求高。

(g)目前的高频开关型交流电源模块不能并联输出，因此，在主、备模块转换时，输出交流电源仍不能做到不间断。

(h)高频开关型交、直流电源模块的使用寿命还有待进一步的验证、考验。

(i)高频开关型电源模块，电路复杂，维修需要专业技术人员进行，并需具备维修、测试、检验用的设备和仪器仪表。

第三种类型，电源系统组成方式：

5）工频整流构成DC400V母线+高频50、25Hz交流开关电源+高频直流开关电源（工频+高频）

电源系统组成方案见图5。

图5 该电源系统的工作方式是：两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，经过工频稳压器（如恒压变压器无触点工频数字电压补偿型交流稳压器）或工频整流变压器升压、整流构成DC400V直流母线，或两路电源同时各自升压、整流后，并联构成直流母线。直流母线可并接电容或电池储存电能。然后，经过高频DC/AC逆变为交流电源输出，DC/AC逆变模块可并联均流输出，向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；经过高频DC/DC变换为各种直流电源输出，DC/DC电源模块可并联均流输出，向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。模块单元采用热备N+1或N+M冗余备用方式。

此种电源系统在结构上，模块单元可做成标准化的模块。该电源系统的优点是：(a)采用直流母线储能，或两路电源同时整流并联工作，因此，在两路电源切换时，输出交、直流电源不间断；同时，所有输出交、直电源模块全部采用并联均流方式，不存在有接点的切换，因此，真正做到了在任何转换条件下的“零秒”切换。

(b)DC/AC逆变模块采用并联均流输出，可构成大容量交流电源输出，单、三相电源均能实现。

该电源系统存在的问题是：(c)由于输入端采用大容量工频稳压器或变压器升压、隔离、单相或三相桥式整流，滤波和高压储能，因此交流输入侧谐波电流大，输入功率因数低，输入端谐波电流对电网的干扰大，对电网造成较大污染。

(d)集中的直流母线出现故障会导致系统瘫痪。

(e)若采用两路电源同时供电的输入方式，当其中一路停电，由另外一路承担全部负荷，存在着质量较差的一路电源平时也参与工作，可能会干扰电源系统正常运行。另外，存在着每路输入电源过流防护值的设定问题，若按全部额定负荷设置，在两路电源同时工作时，设定值明显不合理。

(f)输出交、直流电源模块大量采用均流并联的高频电力电子模块，电磁兼容问题体现的比较突出，相互干扰造成技术指标不稳定，性能下降。

(g)目前交流逆变模块并联技术尚不成熟，据说在西方国家也是处于测试阶段，未到大规模应用的程度，国际上大型UPS并联先进技术也少见几例。目前，有些单位的智能化电源屏使用的交流逆变模块大多是国内小型企业自己开发的产品，技术先进性、产品可靠性、质量稳定性都不十分理想，在使用过程中出现过重大质量事故，严重影响行车安全。

第四种类型，电源系统组成方式：

6）高频整流构成DC400V母线+高频50、25Hz交流开关电源+高频直流开关电源（完全高频化）

电源系统组成方案见图6。

图6 该电源系统的工作方式是：两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，经过并联均流的高频整流器升压、整流构成DC400V直流母线。直流母线可并接电容或电池储存电能。然后，经过高频DC/AC逆变模块并联均流输出交流电源，向信号点灯、轨道电路、道岔表示等

交流信号设备供电；经过高频DC/DC变换为各种直流电源输出，模块并联均流输出，向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。模块单元采用热备N+1或N+M冗余备用方式。

此种电源系统实现了真正意义上的全高频化，全模块化。该电源系统的优点是：（a）此电源系统综合了第二种类型和第三种类型高频电源部分的特点，系统输入整流采用高频电力电子整流单元，并联均流输出，构成直流母线。高频整流单元由于采用了功率因数校正，功率因数在0.95以上，大大减少了输入谐波电流对电网的干扰，电源系统输入阻抗几乎接近纯阻性，减少了对电网的干扰；另外，整流后的直流母线电源电压稳定，谐波成分少，为后面的DC/AC、DC/DC变换模块提供纯净的直流电源，保证交、直流电源模块输出纯净、稳定、可靠的电源。因此，此电源系统可以称的上是真正的“绿色”电源。

（b）在两路电源切换时，输出交、直流电源不间断；同时，所有输出交、直电源模块全部采用并联均流方式，因此，真正做到了在任何转换条件下的“零秒”切换。

（c）由于交、直电源模块全部采用并联均流方式，因此，可组成任意容量的单、三相输入、输出电源。同时，模块可设计成标准尺寸、标准容量系列的电源模块，便于规模化生产，同时也方便备件的储备、更换。

（d）交流供电全面采用逆变技术，输入电源不受单相/三相的限制，同时，即可输出单相交流电源，也可输出三相交流电源。

（e）模块功能齐全，具有完善的输入、输出保护功能，可实现“在线”设定、修改各项指标，真正实现“综合管理”、“智能供电”。

（f）（g）由于结构实现了全模块化，系统的满足“状态修”的要求。

按照综合UPS的方案设计系统，增加后备电池，可实现三路电源供电，为高速铁路或重要枢纽站提供更加先进、可靠的供电系统。

该电源系统存在的问题是：（h）由于全部采用高频电力电子技术，在目前的技术和生产规模等条件制约下，存在着交流并联技术不成熟、输入输出抗干扰能力差、防雷性能低等，同时对电磁兼容要求高。

（i）目前此系统尚处于论证、研制阶段，没有经过现场运行验证。

以上是对目前四种类型的铁路信号智能化电源屏的配电系统组成方式及其技术、性能、结构做的简要分析，可以看出，智能化电源屏在不断地从工频器件向高频电力电子器件发展，以

满足不断发展的信号系统对供电技术指标新的要求。第四种类型即全高频完全模块化结构的铁路信号智能化电源屏代表了这一发展趋势的系统组合方式，与前三种类型的智能化电源屏相比，在技术、性能、结构、绿色环保方面都有本质的提高，具备综合管理化、供电智能化、模块组合化、结构标准化四项技术标准，在各个方面具有明显的先进性，是符合铁路运输管理向智能化、信息化、网络化运输指挥系统发展方向的，满足高速、扩能、安全的发展目标。

三、铁路信号智能化电源屏技术发展与可靠性的兼顾

随着铁路运输指挥系统智能化、信息化、网络化的要求，铁路信号电源系统的应用范围逐渐向智能化铁路运输指挥系统中通信、信号、信息管理的综合集中供电系统方向发展。铁路信号电源的含义已不是传统概念的信号供电设备，因此，应给铁路信号智能化电源屏的功能和性质重新进行定义。

目前，铁路信号电源屏输出电源按照供电对象性质应分为三种：

● 信号表示设备供电

-----主要包括信号点灯、轨道电路、道岔表示等供电 ● 动力设备供电

----主要是道岔转辙机

● 信息设备供电

----主要包括信息的产生和传输设备，如计算机联锁机及执行设备，自动闭塞移频信息设备，以及DMIS、CTC、微机监测等。

信号表示供电的特点：受传输距离的限制，一般情况下是从室内高电压输出到现场设备终端再变换为低电压使用，因此，要求输出电压稳定、可调。信号点灯电源要求隔离、分束输出，轨道电路电源要求相位一致等。

任何经过变换的电源模块可靠性均远不及电网的可靠性，因此，对于动力供电，在有可靠和供电质量高的站场，转辙机电源可采用工频隔离输出方式，特别是三相交流转辙机，对电源电压的波动范围要求比较宽。

信息设备，由于大量采用CPU、大规模集成电路等电子器件，因此，供电电源应具有浪涌和尖峰抑制、可靠的雷电防护、稳定纯净等高质量的特点。