毕业设计（论文）高频通信开关电源的研究与设计.doc

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1、 毕 业 设 计 论 文 题 目 高频通信开关电源的研究与设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 应用电子技术 班级 0211 学号 0201241115 学生姓名 导师姓名 完成日期 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 高频通信开关电源的研究与设计 姓名 苏升卫 系别 电气与信息工程系 专业 应电 班级 0211 学号 15 指导老师 浣喜明 教研室主任 刘望军 一、基本任务及要求： 本课题研制48V5KW高频通信开关电源模块，通过理论和实验研究，完成电路设计并试制样机，要求： 1、采用全桥移相和软开关技术，开关频率100KHz，实现损耗低、噪声小、重量轻、体积小； 2、

2、采用电压环和电流环实现双环控制，以提高控制性能； 3、实现多模块并联扩容； 4、具有过流保护、输出过压、欠压保护。 主要技术参数： 输入电压：380V波动范围15; 输出电压：标称48V; 调节范围：4548V; 输出电流：额定值50A; 保护与报警：1、输入线电压低于310V或高于450V，自动关机、声光报警；2、输出直流电压大于60V或输出电流54A时，直接关机，输出直流电压小于40V时，发出报警; 谐波幅度：小于等于150mV; 效率与功率因数：效率不小于91；功率因数不低于0.93。 二、进度安排及完成时间： （1）第8周至第9周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第10周：总

3、体方案的确定； （3）第11周至第15周：主电路设计与元器件的选择；软件设计； （4）第16周：装置工艺设计； （5）第17周至第18周：撰写设计说明书 （6）第19周：毕业设计答辩 前 言随着电信技术的飞速发展，电信网络结构日益复杂，作为通信系统的动力组成部分，即通信系统的心脏通信电源系统的重要性日益体现出来。今天，通信大发展已使我国电信网的总体规模居于世界各国前列，更加需要有一个与此相适应的通信电源来支撑这个大网的安全可靠运行。这几年来，通信网与通信业务处理、传输以及移动、卫星、数据通信等设备的技术发展很快，大多数已达到或接近世界先进技术水平。但通讯电源设备的技术却相对地落后了。从全国范围

4、看，电源系统中七十年代技术水平的设备还占一定比例，尤其在经济较落后的地区，技术先进的设备相对较少，而传统通信电源无论从供电制式或是从电源设备的技术性能指标方面看，都远满足不了日新月异的电信网的技术要求。通信电源设备与上述种类通信装备的技术档次不仅不协调，而且技术水平差距还在继续扩大，这对今后通信网的协调发展是十分不利的。从提高工作可靠性、扩容能力等方面出发，应采用分散式供电制式逐步取代集中式供电；为满足通信网的技术要求，也为了适合在分散式供电中使用，应大力推广高频开关电源等一批新电源设备以取代传统的晶闸管相控电源。论文的第一部分介绍了高频开关电源的基本工作原理、高频逆变开关管的几种常见的类型，

5、并且比较之下选择了改进型移相全桥ZVS DC-DC变换器，对变压器的设计及其选择也做了一定的说明。第二部分介绍了PWM软开关的设计，采用了的芯片是UC3875，对PWM电流模式控制的变换器进行了较为深入的探讨，与传统的电压模式控制，电流控制模式有着明显的优越性，具体的分析过程见第四章。第三部分介绍了保护电路和辅助电源的设计。 课题简述研究课题的意义目前，直流电源主要包括三种：相控电源、线性电源、开关电源。相控电源即相位控制型稳压电源，它的主要原理就是将市电直接经过整流滤波提供直流，由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压，所以如果采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流

6、变化自动调整，整流器的输出电压就能稳定不变。线性电源也是一种常用的稳压电源，通过串联调整管可以连续控制，它的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大器、反馈采样部分以及基准电压部分。开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高，由于开关工作频率高，变压器的体积大大减小，滤波电感、电容数值较小。在目前的电力系统中；大部分用的都是相控电源，但是，相控电源用的是工频变压器，体积大，而且输出电压的纹波系数大，监控系统不完善，采用主从备份方式，用户使用不方便，对电力系统新的要求也达不到标准，另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，纹波系数较大，会出现蓄

7、电池脉动充电放电，影响蓄电池的使用寿命。而高频开关电源体积小、重量轻、频率高、输出纹波小、模块叠加、N+1备份设计、便于计算机管理等优点，符合现代电源的潮流。所以，电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。本课题的研究方法我们知道，高频开关电源性能优于相控整流电源，它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性，特别是输出直流电压较高时应能可靠工作。除元器件及生产工艺等因素外，开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法。在本系统中，我们先通过对高频开关电源的主电路拓扑结构的分析，并结合系统的技术参数，确定系统的主电路拓扑，设计出主电路；然后结合系统的具体情况，设计出滤波、整流、软

8、启动和保护控制部分。本课题所要研究的就是一种用于通信系统的智能高频开关电源。系统要达到的技术指标如下：输入电压：380V波动范围15%;输出电压：标称48V;调节范围：4548V;输出电流：额定值50A;保护与报警：1、输入线电压低于310V或高于450V，自动关机、声光报警；2、输出直流电压大于60V或输出电流54A时，直接关机，输出直流电压小于40V时，发出报警;谐波幅度：小于等于150mV（020mHz）;效率与功率因数：效率不小于91%；功率因数不低于0.93。基本计算为了便于后面的设计计算，先作如下计算： 1 设整机效率为 （其中功率PFC的效率为0.93，DC/DC的效率为0.98

9、4）2 最大输出功率： 额定输出功率： 3 最大输入功率额定输入功率4 最大输入电流额定输入电流5 电流母线电压： 6 变压器变比：要求在最低输入直流电压时也能输出最高电压。设整流管压降，绕组和线路压降最高为，DC/DC最大占空比，则倍流整流电路要求变压器副边的最低输出电压为：变压器变比n： 目 录 前言1摘要 1 Abstract 1 第1章 高频通信开关电源的基本原理与整体方框图3 1.1 高频开关电源的基本原理 3 1.2 整理设计框图 4 第2章 三相电源AC-DC变换电路设计5 2.1 EMI滤波电路的设计5 2.2 输入整流滤波电路设计6 2.2.1 二极管整流桥选择7 2.2.2

10、 输入滤波电容选择8第3章 DC-DC转换电路设计.9 3.1 DC-AC变换电路设计与分析9 3.2 高频变压器设计11 3.2.1逆变变压器的设计原则 11 3.2.2 电磁理论知识 11 3.2.3 变压器的设计方法和步骤 12 3.3 输出整流滤波电路设计 16 3.3.1 整流电路分析16 3.3.2 开关电源输出滤波电路分析17第4章 软开关PWM设计 19 4.1 PWM工作原理及分类 20 4.2 软开关分类 20 4.2.1 零电压开关20 4.2.2 零电流开关22 4.3 移相全桥型零电压开关PWM电路分析 22第5章 功率因数校正电路分析 29 5.1 功率因数定义 2

11、9 5.2 功率因数校正实现方法 295.3 有源功率因数校正方法分类 29 5.4 有源功率因数校正实现 30第6章 反馈和保护电路316.1过压保护 316.3 限流保护措施 316.4 死区时间设置 31 6.4.1 电流控制电路型开关变换器31 6.4.2 电压环电路设计32第7章 辅助电源的电路设计33 总 结 34 致 谢 35 参考文献 36 附 录 37高频通信开关电源的研究与设计摘要：本文分析了国内外高频开关电源的发展和现状，研究了高频开关电源的基本原理以及高频开关电源在电力电子直流操作电源系统中的应用，设计出一种使用与电力电子的高频开关电源，以取代传统的相控电源。该系统以I

12、GBT作为功率开关器件，构成全桥式开关电路，采用脉冲调制（PWM）技术，PWM控制信号由集成控制器UC3875产生，从输出实时采样电压反馈信号，以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间通过变压器或光电耦和器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。通过实验证明该系统能安全、可靠运行，达到设计要求。关键词：高频开关电源，开关变换器，PWM ，IGBT，软启动和过流保护。 High frequency communication switch research and devise of power Abstract: The paper analyze the present situation

13、 and development of hige frequency switching power supply(HF SPS) domestically and overseas,study and research the basal principle of HF SPS and its application in electric power system, then design HF SPS applied in electric power system in order to replace the old supply controlled by phase angle。

14、The full-brige converter is made up of four IGBT, and the theory of PWM is used.。The signal of PWM is offered by controller UC3875。The feedback voltage Achieved from output is used to control the change of the output。The primary circuit and the control circuit and the control circuit are insulated b

15、y transformer or photocoupler。The soft-start and the over current self-protection are also designed。The experimental results show that the system can work safe and reliably。keywords: High frequency power , swith frequency, pwm, GBT 第1章 高频通信开关电源的基本原理与整体方框图1.1 高频开关电源的基本原理 高频开关电源是将交流输入（单相或三相）电压变成所需的直流电

16、压的一种装置。它主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。1.2 整体设计框图通信开关电源整流模块实际上是一类直流输出电源变换器,即ACDC,其基本电路结构框图如开题报告所示，现就它的详细内容介绍如下： （1） 第一行为主电路,是本次设计的重点,下面的部分为控制回路或控制电路。（2）

17、 整流模块的主电路主要分为输入整流滤波、逆变开关电路、逆变变压器和输出整流滤波几部分。（3） 输入交流电压：通信开关电源整流模块的输入为单相220VAC或三相380VAC，并允许有一定的变化范围。（4） 输出直流电压：标称电压一般为-48V或-24V，可在一定的范围内连续可调。（5） EMI滤波器是电磁兼容的需要，可以采用电源滤波器。（6） 输入滤波及PFC电路可采用无源滤波或有源PFC。（7） 整流模块的主电路最主要的部分是逆变开关电路和逆变变压器。（8） 整流模块功率变换方式可以采取调频方式（PFM）或调脉宽方式（PWM）。（9） PWM方式可采用电压模式控制或者电流模式控制。整体方框图如

18、下图所示： 图1-1 整体方框图第2章 三相电源AC-DC变换电路设计2.1 EMI滤波电路设计 开关电源由于在体积、重量、效率三个方面具有传统线性电源无可比拟的优点，发展异常迅速，已广泛应用于各个领域。特别是现代新型开关器件IGBT等的出现，IGBT是由晶体管和MOSFET结合而成的，是一种能快速动作和自关断的新型电力电子器件，可以大大提高了工作效率。但令人惋惜的是此类非线性电源所产生的谐波干扰使整个电网的谐波污染状况愈来愈严重，特别对通信系统和计算机系统等有较大影响。这些干扰的三要素是发射体、接受体和传播途径。开关电源的干扰主要来源：开关电源的大功率开关管工作在高压大电流的切换状态，由导通

19、切换为关断状态时形成浪涌电压，或由关断切换为导通时形成浪涌电流，它们的高次谐波成分通过向空间发射或通过电源线的传导构成干扰源。关断切换为导通状态时，开关变压器副边的整流二极管受反方向恢复特性的限制，产生尖峰状的反向电流，它与二极管结电容以及引线电感形成阻尼正弦振荡，也含有大量的谐波成分，构成干扰。典型的像电磁干扰（EMI），电磁干扰的传播途径又叫做耦合途径，可分为两大类：传导传播和辐射传播，前者是指有两个构件或导线之间的电阻性连接引起的传播，干扰信号沿导体传播的途径都是传导传播，传导传播对外界的干扰信号，民间标准是在150kHz30MHz频率范围内，而实际上从工频到30MHz的传播干扰都存在。

20、后者是指干扰源通过空间辐射将干扰传递给接受器的传播，辐射传播的基础是“场”，随时间变化的电场和磁场都会产生电磁能量的辐射，而且频率很高，辐射能力就越强。一般情况下，交变电磁场高于10kHz为辐射频率的起点，都会产生干扰。辐射耦合传播的干扰信号按民间标准在30MHz1000 MHz频率范围内。针对这些情况，在交流输入信号后，我们采用的是EMI电源滤波器。说直接点，它是以工频为导通对象的低通滤波器。根据此次设计的要求，消除来自电网的各类干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰；同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。一个典型的三相输入电网滤波器如图1-1所示：

21、图2-1 三相电网滤波器示意图2.2 输入整流滤波电路设计将电网输入的交流电进行EMI滤波后，接下来的工作是不控整流滤波，为变换器提供较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。对三相交流电输入，在电容滤波的三相不可控蒸馏电路中,最常用的是三相桥式结构，其典型电路如图2-2所示： 图2-2 输入整流滤波器电路图（1） 基本原理该电路中，当某一对二极管导通时,输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和V

22、D1开始同时导通的时刻为时间零点,则线电压为 而 在wt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通相互换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在处恰好衔接了起来，id恰好连续.由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在的时刻“速度相等”恰好发生

23、，则有可得这也就是临界条件。和 V 分别是电流id断续和连续的条件。对于一个确定的装置来说,通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是 。 （2） 主要数量关系 1 输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为：。随着负载的加重,输出电压平均值减小，至进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值是。可见, 在2.342.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比, 的变化范围小很多,当负载加重到一定程度后，就稳定在2.34U2不变了。2 电流平均值 输出电流平均值IR为与单相电路情况一样

24、,电容电流平均值为零,因此在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为Id的1/3，即(3) 二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为 。2.2.1 二极管整流桥的选择家用单相输入的电压为220V，其上限电压值为，其幅值电压可以达到左右。又因为整流桥中的二极管在承受反向电压时由两只二极管串联承担，因此，可以选取耐压为400、电流为50A的整流桥。 2.2.2 输入滤波电容的选择当交流电源停电或漏掉一个周期波形时，一般希望输出电压能维持一段时间后再开始下降，设计时取电源输出的保持时,整流输出电压从下降到150V时，输出才开始下降

25、，根据能量守恒定律，在期间输出的能量是由输入滤波电容释放的能量供给的，所以：取3000 uf，实际上采用400V/750 uf的电解电容作为输入滤波电容。交流输入滤波器的选择交流输入滤波器由型滤波器组的效率=，则交流输入功率应为： ,在交流电网降为电压时，模块输入的交流电流为：，由此我们选用DL-10K1滤波器，其工作电压为单相交流220V、50-60HZ，电流为10A。第3章 DC-DC转换电路设计3.1 DC-AC逆变电路设计 在对于此类电路的分析后，我采用的是移相全桥ZVS DC-DC变换电路，其电路图如图3-1所示：图3-1 改进型移相全桥ZVS电路图移相全桥开关PWM电路的控制方式有

26、几个特点：（1） 在一个开关周期内，每个开关管处于通态和断态的时间是固定不变的。导通的时间略小于，而关断的时间略大于。（2） 同一个半桥中，上下两个开关不能同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都需要经过一定的死区。（3） 分析互为对角的两对开关Q1-Q4和Q2-Q3的开关函数波形可知，Q1的波形比Q4超前，而Q2比Q3的波形超前，记超前的时间为，则移相全桥型零电压开关PWM电路的占空比为 下面按时间段分析电路的工作过程，在分析过程中假设开关是理想的，并忽略电路中的损耗。时段：在这一时段内，开关Q1和Q4都处于通态，直到时刻，Q1关断。时段：时刻，开关Q1关断后，电容与电感、构成谐振回路，

27、其中二次电感折算到一次回路参与谐振，如图3-2所示，在谐振过程中，不断下降，直到=0，Q2导通，电流通过续流。 图3-2 阶段的等效电路时段：时刻，开关Q2开通，由于此时其反并联二极管正处于导通状态，因此Q2开通时电压为零，开通过程中不会产生开关损耗，Q2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到时刻，Q4关断。 时段：时刻，开关Q4关断后电路的状态转为如图3-3所示，这时变压器一次和二次电压均为零，相当于短路，因此变压器一次侧与构成谐振回路。谐振过程中，谐振电感的电流不断减小，点电压不断上升，直到Q3的反并联二极管导通。这种状态维持到时刻，开关Q3开通。Q3开通时，导通，因此Q3是在零电压的条件

28、下开通的，开通损耗为零。 图3-3 阶段的等效电路3.2 高频变压器的设计 逆变变压器是通信开关电源整流模块的重要组成部分,它对电源模块的效率和工作可靠性,以及输出电气性能起着非常重要的作用,因此逆变变压器的设计就显得很重要,不过要做到精确地设计却是不容易的。设计过程中要按照一定的原则和方法、步骤和细心地核算，才可能设计出符合要求的逆变变压器。3.2.1 逆变变压器的设计原则根据逆变变压器的输出功率容量，充分考虑电力电子开关器件和电路的发展现状和趋势，合理设计出逆变变压器的工作频率，以使变压器具有可实现性和合理的成本。确定的工作频率、铁磁材料的发展现状和逆变变压器的安装方式，选择合适的铁芯材料

29、和其形状，以使逆变变压器具有可生产性和合理的成本。定铁芯窗口利用系数，要充分考虑逆变主电路的拓扑形式，输出电路形式，可达到的绕制工艺，而这些都与逆变变压器的负载、输入、输出电源等级、输出容量、可靠性指标等有很大关系。 定合适的最大工作磁通密度，要根据铁芯和材料、变压器最高温升、工作环境和散热技术等诸多因素，既要使铁芯具有合理的使用率，又限制了铁芯损耗。确定铜线的电流密度，要根据逆变电路的工作频率，充分考虑导线的形状和集肤效应，以合理设计导体的截面积和合适的铜耗，做到既节省材料，又限制了铜耗。3.2.2 电磁理论知识 磁路的基本定律主要有磁通连续性原理、安培环路定律、磁路欧姆定律和法拉第电磁感应

30、定律等，这些都是变压器铁芯磁路的基础理论，这里所涉及到的几个公式如下： 式中：V为变压器绕组电压（V）；为变压器绕组匝数； 为磁通量，=；为铁芯工作磁通密度（）；为变压器励磁电感（）；为真空磁导率；表示铁芯的有效横截面积；表示平均磁路长度（）。 变压器铁芯材料的磁滞回线也是变压器设计的最常见依据之一，磁滞回线是磁通密度磁感应强度H之间的关系曲线。铁芯磁通密度B和磁通感应强度H之间的关系，也就是磁滞回线的切线斜率，叫做铁芯磁导率，用表示，即 式中： 3.2.3 逆变变压器的设计步骤我们所用到的变压器，其两个半周期都用同一个原边绕组，磁芯和绕组使用率都比较高。为了减少磁化电流，最好原边绕组匝数较多

31、，电感量大，为此，选用高导磁率合金材料的磁芯是合适的，而且磁芯不带气隙。具体设计步骤如下：3.2.3.1 选择铁芯型号根据输出功率、效率求出输入功率。我们设计的电源为48V、50A的直流电源，用于通信系统的直流操作电源系统。输出功率为： 效率按91%计算，则输入功率： 又知工作频率为100KHZ，所以由铁芯选择图可以选择合适的磁芯。3.2.3.2 选择最佳磁感应强度变压器设计为求有最佳效率，均从铜耗等于铁耗出发的。对于每一个设计，有一个最佳磁感应强度幅值Bopt，它依赖于工作频率、铁芯损耗，所加的电压和原、副边的匝数比等等。3.2.3.3 线圈匝数计算原边线圈匝数： 式中： 原边线圈所加直流电

32、压，在有波动时取小值（）； 最大导通时间（）； 一总磁感应强度增量（）； 磁芯有效面积（）。从上面分析可以确定每伏所需匝数输出回路压降大小加上输出额定电压Vo即为副边电压Vs根据这两个参数可以确定副边线圈的匝数。对于高频变压器的设计，常用的有两种方法，第一种是先求出磁芯窗口面积Aw与磁芯有效截面积Ae的乘积 AP（AP= Aw*Ae称磁芯面积乘积）。根据AP值，查表找出所需磁性材料的编号，称为AP法。第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计，称为Kg法。本设计采用面积乘积法,即AP法。先求出磁窗口面积Aw磁芯有效面积Ae的乘积AP(AP=Aw*Ae),根据AP值,查表找出所需的材料

33、之编号。窗口利用系数Kc取0.2；变压器的效率取0.985； 选用OD型微晶合金，Bm取0.25；占空比为1；波形系数K取4；Ke =1 假设输出整流部分的效率是0.975，则变压器输出功率为 原边匝,副边Ns匝的变压器在上以电压工作时,根据法拉第定律: (1) -开关工作频率 -工作磁通 -磁芯有效面积 -波形系数,有效值与平均值之比.正波时为4.44,方波时为4。 (2) 铁心窗口面积乘上使用系数为有效面积,该面积为原边绕组占据的窗口面积与副边绕组Ns占据的窗口面积之和。 (3) -窗口使用系数(1); -原边绕组每匝所占用面积; -铁心窗口面积; -副边绕组每匝所占用面积.每匝所占用面积

34、与流过该匝的电流值I和电流密度J有关,如下式所示： , 整理（1,(2),(3),各式得即 (4)上式表明,工作磁通密度，开关工作频率窗口面积使用系数,波形系数和电流密度J都影响到面积的乘积.电流密度J直接影响到温升,也影响到。即 -电流密度比例系数;X-常数.由所用磁芯确定; 整理得: 值取0.2。，X可在磁芯结构常数表中查得,求出,可查表确定铁心型号,还可查出磁芯有效面积。原边绕组匝数: 其中:V1为原边电压原边绕组电流 电流密度 裸线面积 由导线规格表中查得导线直径,再计算副边绕组匝数,直径,铜耗等参数。3.2.3.4 变压器绕制中的几个常见问题开关电源变压器的绕制主要就是指其绕组的制作，主要是考虑两个问题：一是尽量减小漏感，二是尽可能地减小导体的涡流损耗。这两方面对控制变压器的发热、提高转速、减小电路中的电压尖峰毛刺、提高逆变开关管的可靠性等都是很重要的。 瞬时饱和效应假设有一对功率管在饱和点附近工作，如果负载瞬时增加，控制电路使脉仲宽度快速增加，以补偿损耗和增加电流，这样，铁芯出现单向饱和，一对功率管可能流过突发性的过电流。如果功率管有独立的、快速反应的限流装置，那么