高壓側(cè)母線取電電源的設(shè)計(jì)

高壓側(cè)母線取電電源的設(shè)計(jì)

1工作電源的校核源電子通信傳感器采用羅戈夫斯基線圈和低能耗線圈作為傳感器，并使用標(biāo)準(zhǔn)旁路變換模塊（即遠(yuǎn)端模塊）收集和處理傳感器輸出的信號(hào)，而遠(yuǎn)端模塊必須有相應(yīng)的電源。因此，可靠的工作負(fù)載應(yīng)該是基于源電子通信傳感器的擴(kuò)展方案的關(guān)鍵。目前常用的供電方式主要有低壓側(cè)激光供電和高壓側(cè)母線取電電源供電兩種方式,本文中針對(duì)高壓側(cè)母線取電電源進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。2低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)b的保持高壓側(cè)母線取電和控制原理圖如圖1所示。高壓側(cè)母線單匝穿過(guò)鐵心,在該鐵心上繞制兩種線圈,一個(gè)為取能線圈,匝數(shù)為N2,通過(guò)的電流為I2,其低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2供電源模塊取電用;另一個(gè)為控制線圈,匝數(shù)為N2k,通過(guò)的電流為I2k。當(dāng)取能線圈的整流模塊整流后的電壓Udc大于某一設(shè)定值時(shí),控制模塊起作用,使控制線圈投入使用,以提供反向磁通和進(jìn)行分流。根據(jù)變壓器磁勢(shì)平衡原理,高壓側(cè)磁勢(shì)和低壓側(cè)磁勢(shì)的相量和為勵(lì)磁磁勢(shì)I0N1,則有:從式(1)可以看出,當(dāng)高壓側(cè)電流I1變化時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)控制模塊的開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通、斷開(kāi)的時(shí)間,來(lái)調(diào)節(jié)控制線圈投入使用的占空比K(占空比K即一個(gè)周波時(shí)間內(nèi)控制線圈導(dǎo)通投入使用的時(shí)間與一個(gè)周波時(shí)間的比例),即可調(diào)節(jié)控制線圈磁勢(shì)I2kN2kK的大小,從而調(diào)節(jié)反向磁通的大小,使鐵心中的主磁通Φ0保持不變,從而使取能線圈磁勢(shì)I2N2保持不變,進(jìn)而使低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2保持在一定的范圍不變。這就是控制線圈提供反向磁通和進(jìn)行分流控制的原理。根據(jù)電磁感應(yīng)定律有:式中Φ0———鐵心中的主磁通幅值,WbE2———低壓側(cè)感應(yīng)電勢(shì)有效值,Vf———額定頻率,Hz從式(2)中可以看出,對(duì)于繞制好的互感器,當(dāng)鐵心中的主磁通Φ0保持不變,低壓側(cè)感應(yīng)電勢(shì)E2也保持不變。又由磁路定律:可推導(dǎo)出:式中B———磁通密度幅值,TSc———鐵心有效截面積,m2Lc———鐵心的平均磁路長(zhǎng)度,m從式(3)中可以看出,低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2的大小與取能線圈匝數(shù)N2、鐵心磁導(dǎo)率μ、鐵心有效截面積Sc、勵(lì)磁安匝數(shù)I0N1成正比,與鐵心的平均磁路長(zhǎng)度Lc成反比。高壓側(cè)母線取電的難點(diǎn)有兩個(gè),一是當(dāng)母線電流較小時(shí),取能線圈仍能感應(yīng)足夠大的電動(dòng)勢(shì)供電源電路正常工作,在此筆者把電源電路能正常工作時(shí)的母線最小電流作為啟動(dòng)電流;二是當(dāng)母線電流較大時(shí),取能線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)過(guò)大,需及時(shí)使控制線圈投入使用,以進(jìn)行反向勵(lì)磁,降低鐵心中的磁通和進(jìn)行分流,從而避免取能線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)過(guò)大而損害整流模塊和穩(wěn)壓模塊。因此,應(yīng)合理設(shè)計(jì)鐵心的尺寸、線圈匝數(shù),選擇性能良好的鐵心材料。由于鐵基納米晶材料的初始磁導(dǎo)率較高,可以使取能線圈在母線電流較小時(shí)仍能感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì);又由于其飽和磁通密度較低,為1.25T,在母線電流過(guò)大時(shí)(比如發(fā)生過(guò)流故障時(shí)),使鐵心進(jìn)入飽和狀態(tài),可限制低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2發(fā)生過(guò)大變化,為此本文中選用鐵基納米晶材料作為鐵心材料。從式(2)可知,當(dāng)增大鐵心截面積Sc時(shí),可使低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2增大,啟動(dòng)電流降低,但取能線圈的體積也會(huì)增大,給安裝帶來(lái)不便。對(duì)于取能線圈匝數(shù)N2,若較多,可以使電源在母線電流較小時(shí)正常工作,但母線電流較大時(shí),低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大,同時(shí)取能線圈的帶負(fù)載能力也會(huì)下降;若較小,啟動(dòng)電流會(huì)增大,不利于電源在母線電流較小時(shí)的正常工作,但在母線電流較大時(shí),低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不會(huì)發(fā)生較大變化。對(duì)于控制線圈匝數(shù)N2k,若較多,則在母線電流較大時(shí),可有效實(shí)現(xiàn)反向勵(lì)磁和分流,避免取能線圈的低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過(guò)大,但控制線圈自身產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)過(guò)大,這對(duì)控制模塊的開(kāi)關(guān)元器件提出很高的耐壓要求;若過(guò)少,控制線圈自身產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不會(huì)很大,降低了對(duì)開(kāi)關(guān)元器件耐壓要求,但在母線電流較大不能有效實(shí)現(xiàn)分流時(shí),取能線圈的低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)過(guò)大。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)式(3)、啟動(dòng)電流大小、電源正常工作時(shí)所需要的低壓側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2,合理選取鐵心的尺寸、線圈匝數(shù)。3控制線圈的保護(hù)本文中采用鐵基納米晶材料作為鐵心材料,設(shè)計(jì)了取能線圈和控制線圈以及電源電子電路模塊,并進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)采用的電源負(fù)載為75Ω電阻,實(shí)際需求電源輸出電壓為3.69V。試驗(yàn)結(jié)果表明,電源輸出電壓為3.69V,當(dāng)母線電流在18A~5000A范圍變化時(shí),電源可正常工作,從而滿足電源在母線電流寬范圍內(nèi)變化時(shí)仍能正常工作的實(shí)際應(yīng)用需求。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示;圖2、圖3和圖4為母線電流分別為12A、18A和1800A時(shí)的整流電壓波形。圖2、圖3和圖4中C1為控制線圈的整流電路整流電壓波形Udck,C2為取能線圈的整流電路整流電壓波形Udc。從圖2可以看出,當(dāng)母線電流為12A時(shí),控制線圈的整流電壓Udck波形為平穩(wěn)的直流電壓波形,說(shuō)明控制線圈還沒(méi)有進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。從圖3可以看出,當(dāng)母線電流為18A時(shí),控制線圈的整流電壓Udck波形為方波,說(shuō)明控制線圈開(kāi)始投入使用;當(dāng)母線電流開(kāi)始增加時(shí),控制線圈的導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)始逐漸增加,即導(dǎo)通占空比K增加,從而控制線圈的整流電壓Udck開(kāi)始減小。從圖4可看出,當(dāng)母線電流為1800A時(shí),控制線圈的整流電壓Udck幾乎處于零電位狀態(tài),說(shuō)明控制線圈開(kāi)始進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。由表1和圖2~圖4波形試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。(1)當(dāng)母線電流為18A時(shí),電源可輸出實(shí)際需求電壓3.69V,說(shuō)明啟動(dòng)電流為18A。(2)當(dāng)母線電流從18A增大到8000A時(shí),控制線圈投入使用,Udc在9.778V到12.65V之間,經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊,電源輸出電壓保持3.69V不變。(3)當(dāng)母線電流從8000A增大到10000A時(shí),取能線圈整流電路輸出電壓從19.6V減小到19V,說(shuō)明鐵心開(kāi)始進(jìn)入深度飽和區(qū)。保證了當(dāng)有很大的瞬時(shí)母線電流時(shí),由于鐵心進(jìn)入深度飽和區(qū),低壓側(cè)不會(huì)感應(yīng)出高電壓,從而保證電源電子電路的安全和穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中為了使電子式互感器高壓側(cè)遠(yuǎn)端模塊可在母線電流小于18A時(shí)也有電源供電,可采取低壓側(cè)激光供電和高壓側(cè)母線取能供