磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流后備電源設(shè)計(jì)

摘

要：針對(duì)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下MRD減振系統(tǒng)斷電失效問題，研究設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流后備電源。系統(tǒng)采用超級(jí)電容器模組作為系統(tǒng)備用儲(chǔ)能單元，利用LM311電壓比較器監(jiān)測(cè)主電源電壓，通過場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)主電源斷電時(shí)向備用儲(chǔ)能單元的快速切換。實(shí)驗(yàn)表明，旁路切換時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，斷電切換過程中，磁流變阻尼器力學(xué)性能不受斷電情況的影響。關(guān)鍵詞：磁流變阻尼器；不間斷電源；超級(jí)電容0

引言在各類工程現(xiàn)場(chǎng)，電網(wǎng)和配電系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的斷電情況時(shí)常發(fā)生。對(duì)于短時(shí)間電網(wǎng)“晃電”狀況，大型機(jī)電設(shè)備由于較大電磁慣性和機(jī)械慣性，通常不會(huì)受到明顯影響，但在一些重要的工業(yè)檢測(cè)和控制場(chǎng)合，任何形式的斷電故障都將給系統(tǒng)安全帶來威脅。MR（Magneto-rheological）阻尼器是利用磁流變液體在磁場(chǎng)作用下的流變效應(yīng)提供可控阻尼力的半主動(dòng)控制器件，具有出力大、響應(yīng)快、耗能低、工作穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)良特性?，F(xiàn)代拉索橋減振控制工程中廣泛使用磁流變阻尼器作為阻尼元件實(shí)現(xiàn)拉索振動(dòng)控制。但是，拉索橋易受極端天氣侵?jǐn)_，導(dǎo)致斷電事故發(fā)生概率陡增，因此必須配備可靠的后備電源系統(tǒng)。工程中多使用交流不間斷電源作為后備電源，但前級(jí)逆變?cè)黾恿四芰繐p耗，同時(shí)受制于繼電器延時(shí)作用，只能達(dá)到毫秒級(jí)的切換速度，不能滿足效率高和響應(yīng)速度快的雙重要求。超級(jí)電容是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型儲(chǔ)能裝置，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大的特點(diǎn)，越來越多地被應(yīng)用于綠色高效電源系統(tǒng)。本文研究設(shè)計(jì)了一種磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流不間斷電源，并在磁流變阻尼器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)不間斷電源斷電情況下的電能補(bǔ)償性能進(jìn)行了驗(yàn)證。1

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由電壓比較模塊、功率場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路和DC/DC充電模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。2

模塊電路設(shè)計(jì)2.1

電壓比較模塊設(shè)計(jì)電壓比較模塊采樣主電源和儲(chǔ)能單元端電壓，經(jīng)過阻抗隔離后，將采樣電壓送入集成電壓比較器LM311實(shí)現(xiàn)電壓比較，并將比較器輸出電壓送入場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，控制場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路進(jìn)行旁路切換。2.2

開關(guān)電路模塊開關(guān)電路模塊以場(chǎng)效應(yīng)IRF540作為開關(guān)器件、IR2101作為驅(qū)動(dòng)器。場(chǎng)效應(yīng)管源極分別與主電源輸入端和儲(chǔ)能單元輸入端相連接，漏極共同與磁流變阻尼器驅(qū)動(dòng)電源輸入端相連。由于場(chǎng)效應(yīng)管作為斷電時(shí)的旁路開關(guān)起作用，無需進(jìn)行高頻開關(guān)動(dòng)作，因此不需要設(shè)計(jì)散熱裝置。2.3

反向DC/DC充電模塊反向DC/DC充電模塊在主電源正常時(shí)為儲(chǔ)能單元充電，主電源斷路時(shí)充電模塊自動(dòng)關(guān)閉。充電模塊主電路采用BUCK基本拓?fù)洌ㄟ^PWM方式實(shí)現(xiàn)控制，PWM控制采用集成控制芯片SG2524D實(shí)現(xiàn)，SG2524D是美國德州儀器公司生產(chǎn)的集成電源控制芯片，輸入電壓8～40V。3

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建完成電路設(shè)計(jì)后，利用Protues完成原理圖設(shè)計(jì)和PCB板布線并制作系統(tǒng)電路硬件。實(shí)驗(yàn)采用MTS型電液伺服拉力試驗(yàn)機(jī)配合力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)磁流變阻尼器力學(xué)性能變化情況，通過霍爾電流傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)能單元斷電切換瞬間的輸出電流上升速度。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。主電源端接額定12V/6A開關(guān)電源，開關(guān)電源輸入端通過空氣開關(guān)接單相220V交流市電，選用儲(chǔ)能單元為12V/500F超級(jí)電容模組。3.2

實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果分析MR阻尼器通過夾具固定在MTS拉力試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)節(jié)電流驅(qū)動(dòng)器以1A電流供電，在試驗(yàn)機(jī)上位機(jī)軟件界面上設(shè)定頻率0.5Hz、振幅10mm運(yùn)行，阻尼器通過振幅零點(diǎn)時(shí)斷開空氣開關(guān)，得到MR阻尼器阻尼力-振幅曲線如圖3所示。通過雙通道示波器分別采集主電源端電壓和霍爾電流傳感器輸出波形曲線如圖4所示。由圖3、圖4可見，斷電后，主電源端電壓迅速下降，超級(jí)電容輸出電流迅速躍升，說明電源輸入端迅速由主電源切換至后備電源端，磁流變阻尼器輸出阻尼力亦未受影響。調(diào)整圖4測(cè)量標(biāo)度得到超級(jí)電容器端電流上升過程動(dòng)態(tài)過程參數(shù)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，雖然超級(jí)電容輸出電流超調(diào)較大，但是能夠在250μs內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定值。從上述分析可知，在對(duì)于電源響應(yīng)性能要求高的場(chǎng)合，以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能單元能夠提高系統(tǒng)的電流響應(yīng)速度，縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。4

結(jié)語通過本文研究得到以下結(jié)論：（1）本文設(shè)計(jì)的直流不間斷電源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)磁流變阻尼器控制系統(tǒng)斷