新型電渦流測功機大功率直流線性穩壓電源

張續凱　張文明　周海勇

摘 要:根據電渦流測功機試驗過程中的技術要求,設計了一種直流線性穩壓電源。基于可控整流電路并結合模擬電子技術設計,采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調整兩個控制環聯合控制的方法,輸出可調的線性直流電壓。設計了過載保護電路、缺相保護電路、過熱保護電路等措施,以保障設備的正常使用。經連續負載試驗,該設備輸出電壓線性可調,輸出電壓穩定度符合電渦流測功機要求。在系統過載、輸入三相電源缺相以及設備過熱等模擬故障條件下均可迅速切斷電源。采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調整兩個控制環聯合控制方法設計的電源可以滿足電渦流測功機對加載器輸入電壓的要求。

關鍵詞:電渦流測功機;直流線性穩壓;二級電壓控制;模擬故障

中圖分類號:TP274文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)10-189-04

New Type of High-power Linear DC Voltage-stabilized Power

Source in Eddy Current Dynamometer

ZHANG Xukai,ZHANG Wenming,ZHOU Haiyong

(Shanghai Internal Combustion Engine Research Institute,Shanghai,200438,China)

Abstract:A new type of power source used for excitation voltage control in eddy current dynamometer in designed.Based on the SCR rectification circuit and analog technology,using the fully three phase position controlled bridge of SCR and power MOSFET regulation to output linear DC voltage.Over-load protection circuit,open-phase protection circuit and thermal-shutdown circuit are designed for equipment reliability.Experimental results show that the equipment can output linear DC voltage and the voltage stablilty fulfil the needs of eddy dynamometer.The equipment also can quickly shutdown when at fault status such as over-loads,open-phase and overheat.The power source designed by the fully three phase position controlled bridge of SCR and power Mosfet regulation can fulfil the needs of voltage of eddy dynamometer.

Keywords:eddy dynamometer;DC linear voltagecd

stabilized;secondary voltage control;analog fault

測功機是發動機臺架檢測系統中重要的組成部分,用于測量發動機的有效功率。對測功機來講,為了滿足發動機所有轉速和負荷范圍內都保持穩定運轉工況,并且可以平順且精細地調節負荷,需要一個穩定的加載器來滿足發動機實驗的要求,需要對加載器提供穩定且可線性變化的電源。在電渦流測功機中,需要對勵磁電機提供的直流電源進行驅動,以完成發動機臺架檢測。

由于電渦流測功機勵磁電機要求磁場恒定,故要求電源提供的負載電壓恒定不變,而且磁場一般都是穩定的,還要求有較好的電壓穩定度,即要求即使輸入電壓發生一定變化時,輸出電壓應保持不變。

為了達到平順調節負荷的目的,輸出電壓應有適當的線性調節范圍,并且還要有一定的保護措施。根據設計需要,該電源輸出電壓的變化范圍為0～180 V,要求最大負載功率為5.4 kW,輸出電壓穩定度應優于1%。

1 工作原理

由于要求的電壓調節范圍較寬,要求的功率較大,目前電渦流測功機勵磁加載電源采用較多的方法是可控整流器,在此通過控制晶閘管的導通角進行調壓。其工作原理是對晶閘管的控制極進行控制,通過改變晶閘管的導通角,可以在輸出端獲得平均值和有效值都隨導通角變化而變化的直流脈動電壓。采用該原理設計的電源可以達到很高的輸出功率,但是電壓穩定性差,而且控制呈顯著的非線性,不適合電渦流測功機對電壓的要求。因此,該電源采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調整兩個控制環聯合控制的方法,使輸出電壓可以滿足大功率、高穩定度和可寬范圍線性調節的要求。

1.1 系統方框圖

由于該電源要求功率較大,并且對電壓穩定度也有較高的要求,所以采用如圖1所示的電源方框圖。

1.2 可控整流原理

如圖2所示,通過控制晶閘管的導通角,可以在整流電路輸出端獲得隨控制電壓變化的電壓。

可控整流電路是指在輸入交流電壓的波形和幅值一定時,輸出電壓的平均值可以通過調節晶閘管的導通角進行調節。采用可控整流電路可以提高變壓器的初、次級利用率,具有較大的功率因數和較小的脈動率,因此選作為主回路。

由于采用整流濾波電路以及穩壓電路構成兩級控制環。因此選擇對整流濾波電路要考慮兩點:考慮調整管的工作狀態,確保調整管能工作在線性放大區;考慮交流電網波動的影響。交流電網的波動會反映到整流濾波電路的輸出電壓上。按照國家有關規定,在沒有特定說明的情況下,一般按變化±10%來考慮。這就要求當電網電壓變化±10%時,調整管要處于線性放大區,從而使穩壓電路能保持正常工作。在該電源設計中,由于負載容量較大,使用單相電源會造成三相電網的不平衡,影響電網中其他設備的正常工作,所以采用的是三相橋式全控整流調節方式。三相可控整流的脈動頻率比單相高,紋波因數顯著低于單相。三相全控橋式整流電路電路可以在負載上得到比三相半控橋式整流電路更為均勻的波形。

采用市場上常見的三相整流功率模塊,集成了晶閘管三相橋式整流電路以及觸發電路,通過對模塊的輸入電壓進行控制,即可完成整流與調相功能。通過在功率模塊輸入端連接三相隔離變壓器,將輸出電路與交流輸入隔離。隔離變壓器具有電壓變換功能及有源濾波抗干擾功能。隔離變壓器在交流電源輸入端的特點為: 若電網三次諧波和干擾信號比較嚴重,采用隔離變壓器,可以去掉三次諧波和減少干擾信號;

采用隔離變壓器可以產生新的中性線,避免由于電網中性線不良造成設備運行不正常;非線性負載引起的電流波形畸變(如三次諧波)可以隔離而不污染電網。

隔離變壓器在交流電源輸出端的特點為:防止非線性負載的電流畸變影響到交流電源的正常工作及對電網產生污染,起到凈化電網的作用;在隔離變壓器輸入端采樣,使得非線性負載電流的畸變不影響取樣的準確性,得到能反應實際情況的控制信號。

對于小功率或者中等功率的使用場合,可以采用單相橋式半控的方法作為其整流主回路。電路組成可以選擇晶閘管模塊作為主回路,使用KC04芯片作為晶閘管模塊的移相觸發電路。通過調節KC04的控制電壓控制晶閘管的導通角,從而得到隨控制電壓變化的直流脈動電壓。

1.3 串聯反饋晶體管電路

可控整流輸出的電壓經電容整形濾波后的電壓仍然具有較大的紋波,波動很大,而且很容易受電網電壓的影響,并且單純控制晶閘管的導通角得到的輸出電壓呈明顯的脈動和非線性。這就要求系統在可控整流電壓輸出端添加串聯反饋調整電路,使輸出電壓達到設計要求。其穩壓原理是調整元件的動態電阻,它是隨輸出電壓的變化而自動變化的。當負載電阻變小使輸出電壓降低時,調整元件的動態電阻便會自動變小,從而使調整元間兩端的壓降降低,確保輸出電壓趨近原來的數值。串聯反饋調整電路的框圖如圖3所示,包括調整管、取樣電路、基準電壓源和比較放大器等部分。輸入電壓經過調整元件調節后,變成穩定的輸出電壓,取樣電路與基準電壓相比較,并把比較后的誤差信號送入放大器,增強反饋控制效果。采用串聯反饋調整型穩壓電路,輸出電壓范圍不受調整元件本身耐壓的限制,而且各項技術指標均可以做得很高。但是過載能力差,瞬時過載會使調整元件損壞,需要添加過載保護電路。

1.4 調整元件控制電路設計

在該電源系統中,采用大功率MOSFET作為調整元器件,與三相橋式移向控制一起組成輸出電壓控制環。

1.4.1 三相調壓模塊的控制

由于采用三相調壓模塊,所以只需對調壓模塊進行控制,即可完成整流輸出功能。盡管三相模塊中控制電壓與晶閘管的導通角呈線性關系,如圖2所示,晶閘管的輸出電壓與晶閘管導通角的變化卻呈非線性關系;同時,為了保證電源功率輸出調整管集-射級之間的電壓差基本穩定,便于控制功耗,提高電源安全性,需要使電源功率調整管的輸入電壓基本呈線性變化。這里采用對控制電壓進行非線性處理后,再輸入到三相整流模塊控制端的方法。控制輸入電壓經過二極管后作用到運算放大器,利用二極管的非線性特性與三相模塊的非線性進行匹配,基本上可以使計算機輸出的控制電壓與晶閘管整流輸出的電壓呈現線性比例關系。電壓輸入/輸出特性如圖4所示,線路如圖5所示。

1.4.2 功率MOSFET的控制

該電源選用功率MOSFET作為調整元件,為電壓控制型器件,在驅動大電流時無需驅動級,具有高輸入阻抗,工作頻率寬,開關速度高以及優良的線性區。為了保證電源的可靠性與安全性,需要將強電控制部分與弱電控制部分進行隔離。在此采用光電耦合器完成地的隔離,具體過程如圖6所示。

MOSFET的控制電壓由計算機提供,經過F/V變換器、光電耦合器、V/F變換器變換后與取樣電路取來的電壓信號同時作用在比較放大器的輸入端,通過與基準電壓進行比較,比較放大器將輸出相應的電壓去控制MOSFET,以穩定輸出電壓。由于負載電流較大,因此MOSFET需采用并聯連接方式,增加輸出電流,確保在大電流情況下電源的正常工作。并聯運用時,各管的參數盡量一致,可以在發射極串聯均流電阻,利用負反饋減小電流分配的不均勻。電路如圖7所示。

2 監控管理設計

2.1 電源保護電路

由于采用串聯反饋型穩壓電路作為電壓控制環,因此在測功機發生短路或者過載時會有很大的電流流過調整管MOSFET,并且所有輸入電壓幾乎都加在調整管的集-射級之間,很容易將其燒壞,因此添加保護電路是必需的。常用的過電流保護電路有限流型、截止型和減流型。這里采用晶體管截止型保護電路,其原理是當負載電流達到限流值,過電流保護電路使穩壓電源進人截止狀態,并不再恢復,使穩壓電源與負載得到有效的保護。其優點是:這時的電源調整管功耗為零,最大缺點是:屬沖擊性負載時,容易誤動作,使穩壓電源進人過流保護

狀態,且一旦進入過電流保護狀態后,即使過電流狀態解除,也不能自動復位。具體線路如圖8所示,當電流超過額定負載時,采樣電阻R4兩端電壓上升,使晶閘管SCR導通,晶體管NPN1導通,NPN2截止,這時MOSFET的柵級輸入電壓(即R3處的電壓)被強制拉底,使MOSFET輸出為零;同時,串聯在過載保護線路中的光耦導通,使三相功率整流模塊的控制信號輸入端接地,串聯反饋穩壓線路的輸入電壓為零,起到保護元件的作用。

由于電網自身原因或者電源輸入接線不可靠,電源有可能會運行在缺相的情況下,而且掉相運行不易被發現。當電源缺相運行時,整流橋上的電流會不平衡,容易造成損毀,因此必須加入缺相保護電路,以進行缺相保護。電路原理圖如圖9所示,當ABC三相有一相發生缺相時,其對應的電源指示燈熄滅,缺相指示燈亮起,并且通過光耦輸出信號到繼電器驅動,此時繼電器吸合,將三相功率模塊的控制輸入與地短接,使可控整流輸出為零,起到保護電源的作用。

2.3 過熱保護

在電源處于長時間大電流工作狀態或者工作環境比較惡劣時,電源的內部溫度很高,會影響電源的可靠性。有資料表明,電子元器件溫度每升高2 ℃,可靠性下降10%,這就意味著溫度升高50 ℃時的工作壽命只有溫度升高25 ℃時的1/6。因此,為了避免功率器件過熱損壞,必須對電源的溫度進行控制。通過控制MOSFET的管壓降可以控制MOSFET上的功率,從而減少發熱量,降低溫度的升高。

在電路設計中增加一個光電耦合器反饋可以完成這個目的,當MOSFET兩端管壓降過高時,光耦導通,光耦輸出信號反饋至三相調壓模塊的控制輸入,使其輸出的控制電壓降低,從而降低MOSFET兩端的管壓降,在保證電源正常工作的前提下,使MOSFET的功率保持在額定范圍以內。

當使用環境較為惡劣或者出現電路故障時,即使對MOSFET兩端電壓進行控制,MOSFET的管芯也可達到很高的溫度,這就需要對MOSFET進行散熱處理,并在MOSFET附近安裝溫度繼電器;當溫度高于溫度繼電器的額定值時,溫度繼電器導通,通過一個光耦將導通信號傳遞到三相功率模塊的輸入端,使其輸入為零,從而使電源功率調整管的輸入電壓為零,起到保護調整元件的作用。當溫度回到正常時,電路可自動恢復工作。

各種保護電路與主回路的關系如圖10所示。

3 結 語

經連續負載試驗,該設備各項指標均達到技術要求。經過不斷的完善和改進,使其性能穩定,工作可靠。采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調整兩個控制環聯合控制,可以有效提高電源的穩定度,降低電源的紋波;采用三相隔離變壓器接入電網,可以提高電源的安全性,降低對電網功率的要求;采用集成三相功率調壓模塊,減少了電路的復雜程度;通過添加各種保護電路,在設備出現不正常運轉時,及時切斷三相輸入,保護元件不受到損壞。由于采用截止型保護電路,電源不能自動復位,所以在環境條件允許的情況下,可以采用開關型過電流保護,解決了限流型的高功率損耗,減流型的鎖定效應和截止型的手動復位等問題。該電源主要用于需要大功率線性調壓的場合,也可用作大功率高穩定度線性穩壓電源使用。

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