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逆變電源配電系統的雷電防護產品優化設計中價

文章來源:穩壓電源公司,時間:2020-02-10 13:00    點擊量:

在防雷產品的研發中,利用價值分析的方法,通過對組合型電涌保護器關鍵元器件的功能分析和功能評價,重新認識各元器件的主要功能,了解各元器件之間的實際配合情況,從而優化設計,降低成本,提高產品的價值。在整個功能分析的過程中,還會有突破傳統思維的新發現。
 
在逆變電源配電系統的雷電防護中,根據規范[1]的要求應在不同的雷電防護區域分別采用不同類型的電涌保護器(surge protection device, SPD)進行保護,從而達到雷電流逐級泄放、逐級降低殘壓的目的。
 
但是所安裝的多級SPD需要在一定距離下才能實現能量協調,進而達到有效保護設備的目的,而空間狹小或者安裝受限的場所無法滿足要求。常規SPD采用單一的防雷元器件,若獨立使用,則無法滿足大通流、低殘壓的要求。
 
目前有兩種方案可以解決距離的問題:①在兩級SPD之間加裝退耦裝置;②開發兩級或者兩級以上的組合型SPD,同時滿足大通流和低殘壓的要求。
 
本文通過進行功能分析,對某組合型的SPD設計方案提出優化,同時降低成本,以期為客戶提供價值更高的產品。
 
1  價值分析
 
價值是指功能的性能和獲得其成本之間關系的定性或定量表示,用公式表示V=F/C。功能分析是價值分析和價值工程的核心,它是由美國通用電氣公司(GE)采購工程師麥爾斯首先提出的,從功能方面研究提高價值和節約資源的關系。所有提供給客戶的產品或服務的本質是功能,而不是產品有形的物質結構。因此,通過分析和評價產品的功能,利用最低的壽命周期成本向客戶提供產品所具備的功能,從而提高產品價值。
 
SPD是一種過電壓保護器件,被安裝在逆變電源配電系統中,主要用于限制瞬態過電壓和泄放電涌電流,從而達到保護設備的目的。下面以壓敏電阻(metal oxide varistors, MOV)和瞬變電壓抑制二極管(transient voltage suppressors, TVS)為核心元器件的組合型SPD為例來分析各元器件的功能和關系。通過測試分析得出,該種組合型SPD價值較低,需要進行優化。
 
2  組合型SPD的價值分析
 
2.1  組合型SPD的設計目的和方案
 
組合型SPD的設計目的是設計一種Class B+C組合型SPD,設計標稱放電電流為20kA(8/20?s),最大通流量為100kA(8/20?s),組合波測試殘壓為6kV@3kA。為了滿足參數的要求,第一級保護采用4片標稱通流量為20kA、最大通流量為50kA的MOV并聯,目的是獲得較大的通流量;第二級采用通流量為10kA的大功率TVS,利用TVS箝位準、低殘壓的特性,達到使整個SPD低殘壓的目的。MOV和TVS之間的串聯電阻作為退耦元件,滿足兩器件之間能量協調的要求。
 
2.2  組合型SPD價值分析對象的選擇
 
組合型SPD價值分析對象的選擇方法有因素分析法、帕累托(activity based classfication, ABC)法、強制決定法和最合適區域法。下面從成本和功能兩個角度出發,利用帕累托法和最合適區域法兩種方法來確定價值分析的對象。 
 
從產品的物料清單(bill of material, BOM)可以看出,組成該產品的物料種類有56種,但是TVS模塊盒和MOV模塊盒的成本占了總成本的89.2%,其他輔助材料和功能僅占總成本的10.8%。因此,將該產品的物料歸為三大類,即TVS模塊盒、MOV模塊盒和其他,如圖1所示。
 
根據帕累托原理,因為兩種模塊盒所占的成本超過了80%,而且TVS模塊盒的成本超過了總成本的70%,所以將TVS作為價值分析的重點分析對象。
 
逆變電源配電系統的雷電防護產品優化設計中價值工程的應用
圖1  價值工程之前產品成本的比例分析
 
上述僅從成本的角度選擇價值分析的對象,而沒有從功能的角度去評價。SPD的主要功能是泄放雷電流,并且獲得較低的殘壓,因此MOV和TVS作為泄放電流的主要元器件,發揮著主要的功能。
 
另外,為了保證MOV與TVS能量協調,兩器件之間串聯的電阻也起著重要的能量作用,沒有它,MOV和TVS兩器件無法滿足能量協調的要求,即無法正常工作。
 
雖然該元件的成本較低,但是也應該將其與MOV和TVS一并視為價值分析的對象。其他如遠程告警、脫扣等功能均為輔助功能,所占成本的比例較低,不作為價值分析的對象。
 
2.3  組合型SPD的功能分析
 
根據SPD的設計目的,畫出SPD的功能分析圖,如圖2所示。由此可見,主要功能由MOV、TVS、退耦電阻R三種元器件共同完成。由于TVS占總成本的72%,且TVS的價格隨著功率或通流的增大而增加,該設計方案中采用的是10kA、40kW的大功率TVS,因此將通過測試驗證3種元器件配合的合理性(是否滿足設計要求)、流過MOV和TVS電流的分配關系和決定因素,從而降低TVS的功率,達到降低成本的目的,這也是價值工程和價值分析重點要改進的地方。
 
逆變電源配電系統的雷電防護產品優化設計中價值工程的應用
圖2  產品功能組成
 
3  組合型SPD的優化設計測試
 
3.1  TVS分配電流與退耦電阻阻抗和靜態電壓的關系驗證
 
組合型SPD的電路原理如圖3所示。退耦電阻R采用高精度的采樣電阻,在工頻電流下呈現出非線性特性,但是在沖擊電流下表現為線性電阻。用3次不同大小的電流對其沖擊,根據示波器采集到的電壓,通過歐姆定律計算得出該電阻的阻值為47.7mΩ,考慮到測量誤差,認為與該電阻的標稱值50mΩ一致,如圖4所示。
 
因此,可以通過測量MOV和TVS兩端的電壓U1和U2,算出電阻R的電壓,通過歐姆定律I=U/R算出流過TVS的電流I2,從而求出在不同沖擊電流下流過TVS的最大電流。
 
 
圖3  組合型SPD的電路原理圖
 
 
圖4  流過采樣電阻的電流和電壓關系
 
對組合電路分別沖擊3kA、5kA、10kA、15kA、20kA這5組電流,用示波器分別采集退耦電阻為50mΩ?和100mΩ時流過TVS的電流。結果發現,當增加退耦電阻的阻抗時,TVS分配到的電流減小。按照設計方案,當退耦電阻為50mΩ時,沖擊20kA電流,TVS分配的電流最大為3.92kA;而當退耦電阻為100mΩ時,沖擊20kA電流,TVS分配的電流最大只有2.76kA。
 
將TVS的靜態電壓由設計方案的270V降到240V,沖擊同樣5組電流,結果發現,在退耦電阻不變的情況下,靜態電壓越高,TVS分配到的電流越少。如圖5所示,在5組沖擊電流下,當退耦電阻為100mΩ時,靜態電壓為270V的TVS分配的電流均小于靜態電壓為240V TVS分配的電流。
 
3.2  有無退耦時MOV與TVS響應與配合驗證
 
在MOV與TVS之間沒有退耦電阻的情況下,當沖擊電流為20kA時,TVS靜態出現異常,說明有過載的可能性。通過測試波形圖可以發現,如果沒有退耦電阻,TVS就會首先響應,SPD的殘壓表現為TVS的最高點的轉折電壓,如圖6所示。
 
當有退耦電阻時,前面的測試已經證明MOV與TVS可以滿足能量協調要求,通過TVS的電流小于5kA,且MOV會首先響應,SPD的殘壓表現為MOV的最大殘壓,3kA下的殘壓小于600V,如圖7所示。
 
 
圖5  不同沖擊電流下退耦電阻和靜態電壓對TVS分流的影響
 
 
圖6  沒有退耦電阻時雷電沖擊的響應特性
 
 
圖7  有退耦電阻時雷電沖擊的響應特性
 
以上測試證明,MOV與TVS并聯使用時必須加退耦電阻,否則TVS可能會過載,期望通過TVS實現低殘壓的目的是無法達到的。測試證明,TVS對于SPD的殘壓沒有任何貢獻,殘壓主要表現為MOV的殘壓。因此,該設計方案中的TVS屬于低價值的功能,可將該TVS省去。如果必須保留TVS,那么可以用通流為6kA的TVS來替代10kA的TVS,這樣可使TVS模塊盒的成本下降79.5%,整個SPD的成本下降57.29%,價值工程之后產品成本的比例分析如圖8所示。
 
 
圖8  價值工程之后產品成本的比例分析
 
結論
本文通過采用價值工程的方法對某組合型SPD進行原理和功能分析及其測試驗證,得出以下結論:
 
1)無法通過TVS獲取較低的殘壓。
2)在價值分析中,TVS屬于價值低的功能,甚至可以去掉。即便不去掉,將10kA的通流量降低到6kA也能滿足設計要求,且在最大通流時不會過載,從而提高產品的價值,降低成本。
3)在MOV與TVS并聯使用時,兩者之間必須加退耦裝置才能滿足能量協調的要求。對于在實際產品中的應用,由于殘壓是由MOV決定的,因此MOV與TVS的組合沒有實際意義。
 

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