張續(xù)凱　張文明　周海勇

摘 要:根據(jù)電渦流測功機(jī)試驗(yàn)過程中的技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了一種直流線性穩(wěn)壓電源。基于可控整流電路并結(jié)合模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì),采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調(diào)整兩個(gè)控制環(huán)聯(lián)合控制的方法,輸出可調(diào)的線性直流電壓。設(shè)計(jì)了過載保護(hù)電路、缺相保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路等措施,以保障設(shè)備的正常使用。經(jīng)連續(xù)負(fù)載試驗(yàn),該設(shè)備輸出電壓線性可調(diào),輸出電壓穩(wěn)定度符合電渦流測功機(jī)要求。在系統(tǒng)過載、輸入三相電源缺相以及設(shè)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(diào)整兩個(gè)控制環(huán)聯(lián)合控制方法設(shè)計(jì)的電源可以滿足電渦流測功機(jī)對加載器輸入電壓的要求。

關(guān)鍵詞:電渦流測功機(jī);直流線性穩(wěn)壓;二級電壓控制;模擬故障

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)是發(fā)動機(jī)臺架檢測系統(tǒng)中重要的組成部分,用于測量發(fā)動機(jī)的有效功率。對測功機(jī)來講,為了滿足發(fā)動機(jī)所有轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況,并且可以平順且精細(xì)地調(diào)節(jié)負(fù)荷,需要一個(gè)穩(wěn)定的加載器來滿足發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)的要求,需要對加載器提供穩(wěn)定且可線性變化的電源。在電渦流測功機(jī)中,需要對勵磁電機(jī)提供的直流電源進(jìn)行驅(qū)動,以完成發(fā)動機(jī)臺架檢測。

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

為了達(dá)到平順調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的,輸出電壓應(yīng)有適當(dāng)?shù)木€性調(diào)節(jié)范圍,并且還要有一定的保護(hù)措施。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,該電源輸出電壓的變化范圍為0～180 V,要求最大負(fù)載功率為5.4 kW,輸出電壓穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于1%。

1 工作原理

由于要求的電壓調(diào)節(jié)范圍較寬,要求的功率較大,目前電渦流測功機(jī)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(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)壓。其工作原理是對晶閘管的控制極進(jìn)行控制,通過改變晶閘管的導(dǎo)通角,可以在輸出端獲得平均值和有效值都隨導(dǎo)通角變化而變化的直流脈動電壓。采用該原理設(shè)計(jì)的電源可以達(dá)到很高的輸出功率,但是電壓穩(wěn)定性差,而且控制呈顯著的非線性,不適合電渦流測功機(jī)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(diào)整兩個(gè)控制環(huán)聯(lián)合控制的方法,使輸出電壓可以滿足大功率、高穩(wěn)定度和可寬范圍線性調(diào)節(jié)的要求。

1.1 系統(tǒng)方框圖

由于該電源要求功率較大,并且對電壓穩(wěn)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(dǎo)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(shí),輸出電壓的平均值可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(shù)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(wěn)壓電路構(gòu)成兩級控制環(huán)。因此選擇對整流濾波電路要考慮兩點(diǎn):考慮調(diào)整管的工作狀態(tài),確保調(diào)整管能工作在線性放大區(qū);考慮交流電網(wǎng)波動的影響。交流電網(wǎng)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(guān)規(guī)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(dāng)電網(wǎng)電壓變化±10%時(shí),調(diào)整管要處于線性放大區(qū),從而使穩(wěn)壓電路能保持正常工作。在該電源設(shè)計(jì)中,由于負(fù)載容量較大,使用單相電源會造成三相電網(wǎng)的不平衡,影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常工作,所以采用的是三相橋式全控整流調(diào)節(jié)方式。三相可控整流的脈動頻率比單相高,紋波因數(shù)顯著低于單相。三相全控橋式整流電路電路可以在負(fù)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(fā)電路,通過對模塊的輸入電壓進(jìn)行控制,即可完成整流與調(diào)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(diǎn)為: 若電網(wǎng)三次諧波和干擾信號比較嚴(yán)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(chǎn)生新的中性線,避免由于電網(wǎng)中性線不良造成設(shè)備運(yùn)行不正常;非線性負(fù)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(wǎng)。

隔離變壓器在交流電源輸出端的特點(diǎn)為:防止非線性負(fù)載的電流畸變影響到交流電源的正常工作及對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,起到凈化電網(wǎng)的作用;在隔離變壓器輸入端采樣,使得非線性負(fù)載電流的畸變不影響取樣的準(zhǔn)確性,得到能反應(yīng)實(shí)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(fā)電路。通過調(diào)節(jié)KC04的控制電壓控制晶閘管的導(dǎo)通角,從而得到隨控制電壓變化的直流脈動電壓。

1.3 串聯(lián)反饋晶體管電路

可控整流輸出的電壓經(jīng)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(wǎng)電壓的影響,并且單純控制晶閘管的導(dǎo)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(tǒng)在可控整流電壓輸出端添加串聯(lián)反饋調(diào)整電路,使輸出電壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其穩(wěn)壓原理是調(diào)整元件的動態(tài)電阻,它是隨輸出電壓的變化而自動變化的。當(dāng)負(fù)載電阻變小使輸出電壓降低時(shí),調(diào)整元件的動態(tài)電阻便會自動變小,從而使調(diào)整元間兩端的壓降降低,確保輸出電壓趨近原來的數(shù)值。串聯(lián)反饋調(diào)整電路的框圖如圖3所示,包括調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器等部分。輸入電壓經(jīng)過調(diào)整元件調(diào)節(jié)后,變成穩(wěn)定的輸出電壓,取樣電路與基準(zhǔn)電壓相比較,并把比較后的誤差信號送入放大器,增強(qiáng)反饋控制效果。采用串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電路,輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制,而且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均可以做得很高。但是過載能力差,瞬時(shí)過載會使調(diào)整元件損壞,需要添加過載保護(hù)電路。

1.4 調(diào)整元件控制電路設(shè)計(jì)

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

1.4.1 三相調(diào)壓模塊的控制

由于采用三相調(diào)壓模塊,所以只需對調(diào)壓模塊進(jìn)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(dǎo)通角呈線性關(guān)系,如圖2所示,晶閘管的輸出電壓與晶閘管導(dǎo)通角的變化卻呈非線性關(guān)系;同時(shí),為了保證電源功率輸出調(diào)整管集-射級之間的電壓差基本穩(wěn)定,便于控制功耗,提高電源安全性,需要使電源功率調(diào)整管的輸入電壓基本呈線性變化。這里采用對控制電壓進(jìn)行非線性處理后,再輸入到三相整流模塊控制端的方法?？刂戚斎腚妷航?jīng)過二極管后作用到運(yùn)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(jìn)行匹配,基本上可以使計(jì)算機(jī)輸出的控制電壓與晶閘管整流輸出的電壓呈現(xiàn)線性比例關(guān)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(diào)整元件,為電壓控制型器件,在驅(qū)動大電流時(shí)無需驅(qū)動級,具有高輸入阻抗,工作頻率寬,開關(guān)速度高以及優(yōu)良的線性區(qū)。為了保證電源的可靠性與安全性,需要將強(qiáng)電控制部分與弱電控制部分進(jìn)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(jì)算機(jī)提供,經(jīng)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(shí)作用在比較放大器的輸入端,通過與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,比較放大器將輸出相應(yīng)的電壓去控制MOSFET,以穩(wěn)定輸出電壓。由于負(fù)載電流較大,因此MOSFET需采用并聯(lián)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(lián)運(yùn)用時(shí),各管的參數(shù)盡量一致,可以在發(fā)射極串聯(lián)均流電阻,利用負(fù)反饋減小電流分配的不均勻。電路如圖7所示。

2 監(jiān)控管理設(shè)計(jì)

2.1 電源保護(hù)電路

由于采用串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路作為電壓控制環(huán),因此在測功機(jī)發(fā)生短路或者過載時(shí)會有很大的電流流過調(diào)整管MOSFET,并且所有輸入電壓幾乎都加在調(diào)整管的集-射級之間,很容易將其燒壞,因此添加保護(hù)電路是必需的。常用的過電流保護(hù)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(hù)電路,其原理是當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值,過電流保護(hù)電路使穩(wěn)壓電源進(jìn)人截止?fàn)顟B(tài),并不再恢復(fù),使穩(wěn)壓電源與負(fù)載得到有效的保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是:這時(shí)的電源調(diào)整管功耗為零,最大缺點(diǎn)是:屬沖擊性負(fù)載時(shí),容易誤動作,使穩(wěn)壓電源進(jìn)人過流保護(hù)

狀態(tài),且一旦進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)后,即使過電流狀態(tài)解除,也不能自動復(fù)位。具體線路如圖8所示,當(dāng)電流超過額定負(fù)載時(shí),采樣電阻R4兩端電壓上升,使晶閘管SCR導(dǎo)通,晶體管NPN1導(dǎo)通,NPN2截止,這時(shí)MOSFET的柵級輸入電壓(即R3處的電壓)被強(qiáng)制拉底,使MOSFET輸出為零;同時(shí),串聯(lián)在過載保護(hù)線路中的光耦導(dǎo)通,使三相功率整流模塊的控制信號輸入端接地,串聯(lián)反饋穩(wěn)壓線路的輸入電壓為零,起到保護(hù)元件的作用。

由于電網(wǎng)自身原因或者電源輸入接線不可靠,電源有可能會運(yùn)行在缺相的情況下,而且掉相運(yùn)行不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電源缺相運(yùn)行時(shí),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(hù)電路,以進(jìn)行缺相保護(hù)。電路原理圖如圖9所示,當(dāng)ABC三相有一相發(fā)生缺相時(shí),其對應(yīng)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(qū)動,此時(shí)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(hù)電源的作用。

2.3 過熱保護(hù)

在電源處于長時(shí)間大電流工作狀態(tài)或者工作環(huán)境比較惡劣時(shí),電源的內(nèi)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(shí)的工作壽命只有溫度升高25 ℃時(shí)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(jìn)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(fā)熱量,降低溫度的升高。

在電路設(shè)計(jì)中增加一個(gè)光電耦合器反饋可以完成這個(gè)目的,當(dāng)MOSFET兩端管壓降過高時(shí),光耦導(dǎo)通,光耦輸出信號反饋至三相調(diào)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(nèi)。

當(dāng)使用環(huán)境較為惡劣或者出現(xiàn)電路故障時(shí),即使對MOSFET兩端電壓進(jìn)行控制,MOSFET的管芯也可達(dá)到很高的溫度,這就需要對MOSFET進(jìn)行散熱處理,并在MOSFET附近安裝溫度繼電器;當(dāng)溫度高于溫度繼電器的額定值時(shí),溫度繼電器導(dǎo)通,通過一個(gè)光耦將導(dǎo)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(diào)整管的輸入電壓為零,起到保護(hù)調(diào)整元件的作用。當(dāng)溫度回到正常時(shí),電路可自動恢復(fù)工作。

各種保護(hù)電路與主回路的關(guān)系如圖10所示。

3 結(jié) 語

經(jīng)連續(xù)負(fù)載試驗(yàn),該設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。經(jīng)過不斷的完善和改進(jìn),使其性能穩(wěn)定,工作可靠。采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調(diào)整兩個(gè)控制環(huán)聯(lián)合控制,可以有效提高電源的穩(wěn)定度,降低電源的紋波;采用三相隔離變壓器接入電網(wǎng),可以提高電源的安全性,降低對電網(wǎng)功率的要求;采用集成三相功率調(diào)壓模塊,減少了電路的復(fù)雜程度;通過添加各種保護(hù)電路,在設(shè)備出現(xiàn)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),及時(shí)切斷三相輸入,保護(hù)元件不受到損壞。由于采用截止型保護(hù)電路,電源不能自動復(fù)位,所以在環(huán)境條件允許的情況下,可以采用開關(guān)型過電流保護(hù),解決了限流型的高功率損耗,減流型的鎖定效應(yīng)和截止型的手動復(fù)位等問題。該電源主要用于需要大功率線性調(diào)壓的場合,也可用作大功率高穩(wěn)定度線性穩(wěn)壓電源使用。

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