一种具有自动故障检测功能的工业开关电源的制作方法

本发明属于电力电子和电源，具体涉及一种具有自动故障检测功能的工业开关电源。

背景技术：

1、在现代工业应用中，开关电源是电力转换和供电的关键组成部分，广泛应用于各种电子设备和系统中。随着工业自动化和智能制造技术的发展，对开关电源的性能要求也日益提高，特别是在电源的稳定性、效率、安全性及故障检测能力方面。传统的开关电源系统往往采用基本的保护机制，如过压、过载和短路保护，这些机制虽然能够在一定程度上保障电源和负载的安全，但在故障预测、实时监测和自适应调节方面存在局限。

2、对于工业开关电源而言，能够实时监测系统状态并自动调整输出以适应负载变化的能力，对于提高系统的可靠性和效率至关重要。此外，随着系统复杂性的增加，故障检测与保护机制需要更加智能化，以便能够精确识别和响应各种潜在的故障情况，减少系统停机时间，延长设备使用寿命。

3、尽管现有技术提供了一些解决方案，包括使用多种传感器进行系统监测以及采用基本的控制策略来调整电源输出，但这些方案往往缺乏足够的灵活性和智能化，不能充分满足高效率、高稳定性和高可靠性的综合要求。特别是在故障预测、自适应输出调整和远程监控方面，仍有较大的改进空间。

4、因此，研发一种集成了先进故障检测与保护机制、能够自适应调节输出并通过智能控制优化性能的工业开关电源，对于提升工业电源解决方案的整体性能和可靠性具有重要意义。这种开关电源应能够实现更高效的功率转换，提供更稳定和安全的输出，同时具备智能故障诊断和预测能力，以支持现代工业应用的需求。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种具有自动故障检测功能的工业开关电源，通过综合应用先进的控制技术和智能算法，实现了工业开关电源的高效率、高稳定性和高可靠性，同时提供了强大的故障检测与保护能力，为现代工业应用提供了一种优化的电源解决方案。

2、为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

3、一种具有自动故障检测功能的工业开关电源，包括：输入滤波器、功率因数校正电路、主开关电路、输出调节与滤波模块、微处理器控制单元、传感器网络、故障检测与保护机制、通讯接口、辅助电源以及机械结构；其中，所述输入滤波器连接至功率因数校正电路；所述功率因数校正电路连接至主开关电路；所述主开关电路通过输出调节与滤波模块连接至输出端；所述微处理器控制单元通过输入/输出接口与传感器网络以及故障检测与保护机制相连；所述通讯接口用于支持远程监控和控制；所述辅助电源为微处理器控制单元和传感器网络提供电源。

4、其中，所述功率因数校正电路通过电子开关与主开关电路相连，以优化从电网吸收功率的效率并提供稳定的直流输出至主开关电路。

5、其中，所述主开关电路包含至少一个开关器件和变压器，用于将功率因数校正电路的直流输出转换成高频交流输出，然后通过输出整流和滤波模块转换成稳定的直流输出电压。

6、其中，所述传感器网络包括与电源的输入端、输出端和关键组件位置相连接的电压、电流和温度传感器，用于实时监控电源的关键性能参数并将数据发送至微处理器控制单元。

7、其中，所述故障检测与保护机制直接与主开关电路和输出模块相连，用于在检测到过压、过载、短路或过温等故障时，自动断开输出或采取其他保护措施。

8、其中，所述通讯接口包括与微处理器控制单元相连的以太网或无线网络模块，使电源能够发送故障报告并接收远程控制命令。

9、其中，所述微处理器控制单元配置有与辅助电源相连的电源管理接口，以确保在主电源故障时传感器网络和故障检测机制仍能继续工作。

10、其中，所述故障检测与保护机制根据从传感器网络接收到的故障类型信息，决定采取的具体保护措施，包括但不限于断开输出、限制输出电流或调整输出电压。

11、其中，所述故障检测与保护机制包括自适应调节功能，该功能配置有用于实时监测输出电压和电流的传感器网络，并通过微处理器控制单元分析监测数据，自动调整输出电压和电流的限制值，以适应负载的实际需求和电源的工作条件，从而优化电源性能并减少故障发生的概率；所述微处理器控制单元配置有自适应算法，该算法考虑负载需求的波动、电源的效率和安全运行边界，基于从传感器网络收集的长期和实时数据对电源输出的最优电压和电流值进行预测和调整。

12、其中，所述自适应算法包括反馈控制，所述反馈控制包括电压调整算法和电流调整算

13、法；所述电压调整算法的公式为：

14、

15、所述电流调整算法的公式为：

16、

17、其中，kvp，kvi，kvd，kip，kii，kid是pid控制器的比例、积分、微分系数，需要通过实验或仿真来优化；公式的初始化参数包括：vtarget：目标输出电压；itarget：目标输出电流；vactual：实际输出电压；iactual：实际输出电流；kv：电压调整系数；ki：电流调整系数；△t：控制周期；verror：电压误差；ierror：电流误差。

18、所述自适应算法还包括基于历史数据的简单预测模型，用于预测短期内负载需求的变化，包括负载需求预测算法；所述负载需求预测算法的公式为：

19、loadpredict＝α·loadactual+(1-α)·loadprevious；

20、其中，loadpredict是预测的负载需求，loadactual是当前实际负载需求，loadprevious是上一控制周期的负载需求，α是平滑系数，介于0和1之间；

21、根据反馈控制和预测模型的结果，动态调整输出电压和电流的设置值，以适应负载变化和保护电源免受故障。

22、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

23、本发明提出了一种具有自动故障检测功能的工业开关电源，它整合了先进的监测技术、智能控制策略和自适应调节机制。这种开关电源设计不仅针对提高能效和稳定性，还致力于增强故障预防和诊断能力，带来以下有益效果：

24、1.提高电源效率和稳定性

25、功率因数校正(pfc)电路的应用优化了电网功率的使用，减少能量浪费，提高了电源的整体效率。

26、自适应调节功能通过实时监控输出电压和电流，并根据负载需求自动调整，确保了电源输出的稳定性，同时适应不同工作条件的需求。

27、2.增强故障检测与保护能力

28、传感器网络的引入使得电源能够实时监控关键性能参数，如电压、电流和温度，从而实现快速准确的故障检测。

29、故障检测与保护机制直接与主开关电路和输出模块相连，能够在检测到过压、过载、短路或过温等故障时，迅速采取保护措施，减少系统损坏的风险。

30、3.优化性能调节

31、p id控制器和自适应算法的应用允许电源根据实时和历史数据智能调整输出参数，优化性能，同时预测负载变化，提前做出调整，减少响应时间。

32、通过动态调整输出电压和电流的设置值，电源能够更加精确地满足负载需求，提高了系统的响应性和可靠性。

33、4.支持远程监控和控制

34、通讯接口的加入支持了远程监控和控制功能，使得用户可以远程配置电源参数，及时接收故障报告和系统状态更新，便于及时维护和故障排除，提高了管理效率和便捷性。

35、5.提升系统安全性和寿命

36、辅助电源的设计确保在主电源故障时，传感器网络和故障检测机制仍能继续工作，增加了系统的安全性。

37、通过减少故障发生的概率和迅速响应故障，显著提高了设备的使用寿命和稳定运行时间。

38、6.环境适应性

39、设计中的智能散热系统和emc监控进一步提高了电源在不同环境条件下的稳定运行能力，确保了在温度变化大和电磁干扰环境下的高效和可靠性。

40、总而言之，本发明通过综合应用先进的控制技术和智能算法，实现了工业开关电源的高效率、高稳定性和高可靠性，同时提供了强大的故障检测与保护能力，为现代工业应用提供了一种优化的电源解决方案。