工业电源的应用设计

工业应用场合中使用的电源系统有明显的特点：在这些系统中，为了满足空间的需求，常常需要使用功率密度较高的电源；有些工业应用场合例如采矿业常常面临恶 劣的操作环境，一旦出现电源故障，维护起来就十分艰难，这对电源系统的安全性、可靠性和耐用性提出了更高的要求；在用电设备众多的工业环境中，为了克服设备间的干扰，电源还必须有很强的抗干扰和电磁兼容能力……

本期专题，我们就将焦点对准‍‍工业电源的应用设计和趋势，看看应该如何综合考虑多方面因素，更好地把握工业电源的设计。

超级电容正在越来越多地用于工业电源系统

超级电容在工业电源系统中的使用越来越多。它的功率密度表现非常突出，还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。但目前单体电容器电压偏低，仅为1～3V，故必须采用多个电容器串并联，构成超级电容器储能组以满足电压能量的等级要求。

超级电容储能系统原理图如下。当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小（一般 0.5mm 以下），再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。

图1：超级电容储能原理图

超级电容在工业方面的两个典型应用包括：

1）可再生能源发电系统/分布式电力系统 

在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。采用超级电容器储能，可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点，既可以单独储能，也可以与其他储能装置混合储能。超级电容器与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯 等。超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发电系统，可以对系统起到瞬间功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性。

2）变频驱动系统的能量缓冲器 

超级电容器与功率变换器构成能量的缓冲器，可以用于电梯等变频驱动系统。当电梯上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需的峰值功率；在电梯减速下降过程中，吸收电机通过变频器向直流母线回馈能量。

在太阳能LED路灯系统中，超级电容就充当了重要的一部分。由光伏电池阵列、光伏控制器、超级电容、充电控制器、蓄电池、电流变换器、LED负载组成，连 接结构如下图所示。超级电容跨接在直流母线和地线之间，用于保持直流母线的电压，并缓冲光伏电池提供的过大能量，在适当的时候放电以满足蓄电池的充电需要和负载的供电需要。

图2：应用了超级电容的太阳能LED路灯系统

另一个应用实例就是智能水表。传统的智能水表在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此，由于智能水表都没有设计再充电电路,锂电池使用到一定时间后,将无法为控制电路提供能量,不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表,这对于水表生 产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。更危险的是，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量,将无法可靠的关断水阀,造成无 法计费、逃水现象等情况出现。为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，已有不少厂家尝试一种全新的方案,那就是用超级电容代替锂电池应用于智能水表。超 级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流从而为设备提供电源。