高壓側(cè)母線取電電源的設(shè)計

高壓側(cè)母線取電電源的設(shè)計

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，并使用標準旁路變換模塊（即遠端模塊）收集和處理傳感器輸出的信號，而遠端模塊必須有相應(yīng)的電源。因此，可靠的工作負載應(yīng)該是基于源電子通信傳感器的擴展方案的關(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,本文中針對高壓側(cè)母線取電電源進行了研究和設(shè)計。2低壓側(cè)感應(yīng)電動勢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)母線單匝穿過鐵心,在該鐵心上繞制兩種線圈,一個為取能線圈,匝數(shù)為N2,通過的電流為I2,其低壓側(cè)感應(yīng)電動勢E2供電源模塊取電用;另一個為控制線圈,匝數(shù)為N2k,通過的電流為I2k。當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,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行分流。根據(jù)變壓器磁勢平衡原理,高壓側(cè)磁勢和低壓側(cè)磁勢的相量和為勵磁磁勢I0N1,則有:從式(1)可以看出,當高壓側(cè)電流I1變化時,通過調(diào)節(jié)控制模塊的開關(guān)元件的導通、斷開的時間,來調(diào)節(jié)控制線圈投入使用的占空比K(占空比K即一個周波時間內(nèi)控制線圈導通投入使用的時間與一個周波時間的比例),即可調(diào)節(jié)控制線圈磁勢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I2N2保持不變,進而使低壓側(cè)感應(yīng)電動勢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)電勢有效值,Vf———額定頻率,Hz從式(2)中可以看出,對于繞制好的互感器,當鐵心中的主磁通Φ0保持不變,低壓側(cè)感應(yīng)電勢E2也保持不變。又由磁路定律:可推導出:式中B———磁通密度幅值,TSc———鐵心有效截面積,m2Lc———鐵心的平均磁路長度,m從式(3)中可以看出,低壓側(cè)感應(yīng)電動勢E2的大小與取能線圈匝數(shù)N2、鐵心磁導率μ、鐵心有效截面積Sc、勵磁安匝數(shù)I0N1成正比,與鐵心的平均磁路長度Lc成反比。高壓側(cè)母線取電的難點有兩個,一是當母線電流較小時,取能線圈仍能感應(yīng)足夠大的電動勢供電源電路正常工作,在此筆者把電源電路能正常工作時的母線最小電流作為啟動電流;二是當母線電流較大時,取能線圈感應(yīng)的電動勢過大,需及時使控制線圈投入使用,以進行反向勵磁,降低鐵心中的磁通和進行分流,從而避免取能線圈感應(yīng)的電動勢過大而損害整流模塊和穩(wěn)壓模塊。因此,應(yīng)合理設(shè)計鐵心的尺寸、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率較高,可以使取能線圈在母線電流較小時仍能感應(yīng)出較大的電動勢;又由于其飽和磁通密度較低,為1.25T,在母線電流過大時(比如發(fā)生過流故障時),使鐵心進入飽和狀態(tài),可限制低壓側(cè)感應(yīng)電動勢E2發(fā)生過大變化,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,當增大鐵心截面積Sc時,可使低壓側(cè)感應(yīng)電動勢E2增大,啟動電流降低,但取能線圈的體積也會增大,給安裝帶來不便。對于取能線圈匝數(shù)N2,若較多,可以使電源在母線電流較小時正常工作,但母線電流較大時,低壓側(cè)感應(yīng)電動勢較大,同時取能線圈的帶負載能力也會下降;若較小,啟動電流會增大,不利于電源在母線電流較小時的正常工作,但在母線電流較大時,低壓側(cè)感應(yīng)電動勢不會發(fā)生較大變化。對于控制線圈匝數(shù)N2k,若較多,則在母線電流較大時,可有效實現(xiàn)反向勵磁和分流,避免取能線圈的低壓側(cè)感應(yīng)電動勢過大,但控制線圈自身產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會過大,這對控制模塊的開關(guān)元器件提出很高的耐壓要求;若過少,控制線圈自身產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不會很大,降低了對開關(guān)元器件耐壓要求,但在母線電流較大不能有效實現(xiàn)分流時,取能線圈的低壓側(cè)感應(yīng)電動勢會過大。在實際設(shè)計時,可根據(jù)式(3)、啟動電流大小、電源正常工作時所需要的低壓側(cè)感應(yīng)電動勢E2,合理選取鐵心的尺寸、線圈匝數(shù)。3控制線圈的保護本文中采用鐵基納米晶材料作為鐵心材料,設(shè)計了取能線圈和控制線圈以及電源電子電路模塊,并進行了試驗,試驗采用的電源負載為75Ω電阻,實際需求電源輸出電壓為3.69V。試驗結(jié)果表明,電源輸出電壓為3.69V,當母線電流在18A~5000A范圍變化時,電源可正常工作,從而滿足電源在母線電流寬范圍內(nèi)變化時仍能正常工作的實際應(yīng)用需求。試驗測試數(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,當母線電流為12A時,控制線圈的整流電壓Udck波形為平穩(wěn)的直流電壓波形,說明控制線圈還沒有進入導通狀態(tài)。從圖3可以看出,當母線電流為18A時,控制線圈的整流電壓Udck波形為方波,說明控制線圈開始投入使用;當母線電流開始增加時,控制線圈的導通時間開始逐漸增加,即導通占空比K增加,從而控制線圈的整流電壓Udck開始減小。從圖4可看出,當母線電流為1800A時,控制線圈的整流電壓Udck幾乎處于零電位狀態(tài),說明控制線圈開始進入完全導通狀態(tài)。由表1和圖2~圖4波形試驗數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。(1)當母線電流為18A時,電源可輸出實際需求電壓3.69V,說明啟動電流為18A。(2)當母線電流從18A增大到8000A時,控制線圈投入使用,Udc在9.778V到12.65V之間,經(jīng)過穩(wěn)壓模塊,電源輸出電壓保持3.69V不變。(3)當母線電流從8000A增大到10000A時,取能線圈整流電路輸出電壓從19.6V減小到19V,說明鐵心開始進入深度飽和區(qū)。保證了當有很大的瞬時母線電流時,由于鐵心進入深度飽和區(qū),低壓側(cè)不會感應(yīng)出高電壓,從而保證電源電子電路的安全和穩(wěn)定。在實際應(yīng)用中為了使電子式互感器高壓側(cè)遠端模塊可在母線電流小于18A時也有電源供電,可采取低壓側(cè)激光供電和高壓側(cè)母線取能供