輸電線路高壓側(cè)有源電子設(shè)備供能電源的設(shè)計(jì)

輸電線路高壓側(cè)有源電子設(shè)備供能電源的設(shè)計(jì)

目前，高壓線相關(guān)部件的能源供應(yīng)主要集中在高壓帶的高壓側(cè)，如電子電流傳感器、高壓在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高壓線雪壓圖的裝置。由于傳統(tǒng)的CT取能線圈主要采用CT鐵芯線圈的飽和特性,抑制副邊電壓的增長(zhǎng),從而為有源電子裝置供能。但是,由于當(dāng)鐵芯線圈飽和后,母線電流再繼續(xù)增大,感應(yīng)出來(lái)的二次電壓將會(huì)逐漸畸變成非常窄的脈沖狀,不能提供足夠的能量,同時(shí)隨著飽和程度的加深,鐵芯溫度會(huì)急劇上升,極易把CT取能線圈燒毀。針對(duì)這種情況本文選用了飽和磁導(dǎo)率高、成本低的硅鋼片作為鐵芯材料,并在接口處設(shè)計(jì)了專用的外套來(lái)固定兩個(gè)C型鐵芯,使其安裝方便,具有很高的性價(jià)比。同時(shí)由于該特制鐵芯上面開(kāi)有空氣氣隙,可以使鐵芯線圈在母線電流較高的情況下不至于過(guò)早進(jìn)入飽和狀態(tài),從而為高壓側(cè)有源電子設(shè)備提供穩(wěn)定的能量。1ct取能銅芯的工作原理本文設(shè)計(jì)的CT取能電源工作原理如圖1所示。通過(guò)特制CT取能線圈從高壓母線上感應(yīng)交流電壓,然后經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓后為高壓側(cè)有源電子設(shè)備提供能量。供能部分要保證在母線大電流狀況下能為后端電路提供足夠的能量,使其有穩(wěn)定的電壓輸出,同時(shí)也要保證鐵芯不至于過(guò)早進(jìn)入飽和狀態(tài),使其溫度維持在正常范圍內(nèi)。本文提出了在鐵芯上開(kāi)有空氣氣隙,以增大鐵芯的磁阻,同時(shí)為了限制CT取能線圈在母線大電流狀態(tài)下的電壓和電流的輸出,提出了通過(guò)直接限制和反饋控制相結(jié)合的方式。直接限制方式通過(guò)在CT取能線圈的輸出端和整流橋之間加入平波電感阻抗元件分擔(dān)鐵芯線圈感應(yīng)的大部分電壓,反饋控制方式則通過(guò)繼電器控制如圖1中所示的6Ω小電阻的投入來(lái)把多余的能量泄放。2設(shè)計(jì)電源參數(shù)的原則2.1鐵芯磁阻的確定由于本電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是既要保證母線電流在20~8000A范圍內(nèi)變化時(shí)能為有源電子裝置提供足夠的能量又要保證在較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度H下,鐵芯線圈不過(guò)早進(jìn)入飽和狀態(tài),同時(shí)又應(yīng)避免取能線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)過(guò)大而損害后端電路的整流模塊和穩(wěn)壓模塊。因此,應(yīng)選擇性能良好的鐵芯材料并合理設(shè)計(jì)鐵芯的尺寸和線圈匝數(shù)?？紤]到無(wú)取向硅鋼片的磁化曲線,在磁場(chǎng)強(qiáng)度約為300A/m時(shí),磁化曲線出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn),拐點(diǎn)以后的磁化曲線仍然以較高的斜率向上延伸,在9000A/m時(shí)還沒(méi)有達(dá)到飽和,同時(shí)為確保CT取能線圈在母線電流為幾十安培時(shí)也能提供足夠的能量,文中選用型號(hào)為50W470的低鐵損無(wú)取向硅鋼片作為鐵芯材料,其最大鐵損僅為4.7W/kg。根據(jù)磁路歐姆定律:式中:φ為鐵芯中的主磁通;N為母線匝數(shù),此處取1;I為流過(guò)母線的電流;R為鐵芯的磁阻。從式(1)中可以看出,在相同的磁勢(shì)下,磁阻越大,通過(guò)鐵芯的磁通就越小,所以增大磁阻可以減小穿過(guò)鐵芯的磁通,從而使得鐵芯在較大的母線電流下不至于過(guò)早的飽和。在鐵芯上開(kāi)有如圖2(a)所示的空氣氣隙。由于空氣氣隙的長(zhǎng)度很小,磁漏可以忽略,所以穿過(guò)空氣氣隙截面面積的磁通與穿過(guò)鐵心截面面積的磁通近似相等,因此總磁阻就由剩余鐵芯部分的磁阻和氣隙部分的磁阻組成,即:所以(1)式變?yōu)?式中:L0為單個(gè)空氣氣隙的長(zhǎng)度;m0為氣隙部分的磁導(dǎo)率,因?yàn)榭諝鈿庀恫糠值拇艑?dǎo)率m0相對(duì)于鐵芯的磁導(dǎo)率m非常小,所以即使空氣氣隙很小時(shí),其產(chǎn)生的磁阻也非常大。根據(jù)所選擇硅鋼片的磁化曲線,當(dāng)母線電流較大,即磁場(chǎng)強(qiáng)度H較大時(shí),m越來(lái)越小,所以總磁阻R變大,進(jìn)一步降低了穿過(guò)鐵芯的磁通,使鐵芯線圈感應(yīng)的電壓隨母線電流的增大變化較小。因此,當(dāng)鐵芯開(kāi)空氣氣隙后,不僅使大部分磁通降落在了空氣氣隙處,延緩了鐵心的飽和,而且母線流經(jīng)大電流時(shí)鐵芯線圈感應(yīng)的電壓也不會(huì)太大,從而保護(hù)了后面的整流模塊和穩(wěn)壓模塊。對(duì)于鐵芯而言,空氣氣隙處向外擴(kuò)張的距離d隨著氣隙寬度L0變化,基本遵循d=(1-2)L0,在氣隙寬度L0較小時(shí),邊緣磁導(dǎo)對(duì)中間部分磁導(dǎo)的比值小,當(dāng)氣隙寬度L0較大時(shí),邊緣磁導(dǎo)對(duì)中間部分磁導(dǎo)的比值大。為了安裝方便,本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)C型鐵芯,并在鐵芯上開(kāi)了多個(gè)小的空氣氣隙來(lái)弱化邊緣效應(yīng)減少磁泄漏。由于硅鋼片材料質(zhì)地脆,不易在上面開(kāi)復(fù)雜的空氣氣隙,本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的3種形狀的鐵芯,其中開(kāi)口形狀為半開(kāi)口的矩形鐵芯(b)和V型鐵芯(c)其分析原理與全開(kāi)口鐵芯(a)類似,只是磁阻的計(jì)算方式不同。2.2第二,帶負(fù)載的確定由于線圈匝數(shù)的設(shè)計(jì)原則是當(dāng)母線電流在數(shù)千安培時(shí)保證依據(jù)圖2所設(shè)計(jì)的鐵芯線圈二次側(cè)的感應(yīng)電壓不能過(guò)大,不會(huì)給后續(xù)電源變換電路帶來(lái)大的負(fù)擔(dān),同時(shí)使電源的啟動(dòng)電流最小。因?yàn)殡娏鳛镮的導(dǎo)線所傳輸?shù)哪芰空扔陔娏鞯钠椒?等效為:式中:L為母線等效電感。因此,當(dāng)母線電流確定時(shí),傳遞給線圈的最大能量也就確定了,能量通過(guò)電磁耦合的方式傳遞給感應(yīng)線圈,并最終轉(zhuǎn)換成電能傳遞給供能電路板。線圈的輸出電壓隨副邊線圈匝數(shù)的增加而增大。但由于母線電流確定時(shí)所能提供的能量恒定,當(dāng)輸出電壓高時(shí)輸出的最大電流就相對(duì)變小,同時(shí)帶負(fù)載能力也會(huì)下降,所以提高線圈匝數(shù)并不一定降低最小啟動(dòng)電流。如何選擇線圈匝數(shù)是供能部分所需要解決的重要問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)所要求的最小啟動(dòng)電流、電源正常工作時(shí)所需要的最低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),通過(guò)供能部分的帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)來(lái)確定,負(fù)載為高壓側(cè)有源電子裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以50W電阻作為負(fù)載,在DC-DC壓降模塊輸出3.3V電壓的條件下,匝數(shù)為200匝時(shí)能取得最佳的最小啟動(dòng)電流。2.3橋式濾波電路由于所設(shè)計(jì)的CT取能線圈主要工作在線性階段,感應(yīng)電壓隨母線電流的變化范圍比較大,對(duì)后邊整流濾波電路產(chǎn)生較大的沖擊。因此本文選用了在整流電路前加入一個(gè)平波電感阻抗元件來(lái)保證電源在大電流狀態(tài)下的正常工作。平波電感阻抗元件不僅具有限流作用還可以分擔(dān)二次感應(yīng)的大部分電壓,所以極大的降低了整流橋及其后端電路的耐壓要求?？紤]到線圈從母線上感應(yīng)出來(lái)的是交流電壓,而后端電路所需要的是直流電壓,因此從鐵芯線圈感應(yīng)出來(lái)的電壓首先需要經(jīng)過(guò)整流。由于橋式整流電路具有轉(zhuǎn)換效率高,紋波電壓小的特點(diǎn),因此本文選用正向?qū)▔航递^小的肖特基二極管組成橋式整流電路,以保證在母線電流較小的情況下,因整流橋正向?qū)▔航刀鴵p失的能量小,從而使鐵芯線圈從母線上獲得的能量得到充分利用。由于供能電源要求的直流電壓波動(dòng)小、平滑度高,通過(guò)分析計(jì)算本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的復(fù)式濾波電路,其中電感起到延緩電壓突變的作用。為保證前端電容的耐壓性能,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了將濾波電路的前端兩個(gè)電容串聯(lián),并增加兩個(gè)電阻來(lái)平均分配降落在兩個(gè)電容上的電壓的濾波方案。2.4dc-dc模塊電壓的設(shè)計(jì)由于本次設(shè)計(jì)的CT取能線圈主要工作在不飽和階段,線圈感應(yīng)的電壓和能量隨母線電流的增加而持續(xù)增大,但是DC-DC變換模塊的輸出功率基本恒定,因此多余的能量將會(huì)通過(guò)DC-DC模塊的發(fā)熱而散發(fā)出去。為了保護(hù)DC-DC模塊,必須把DC-DC模塊的輸入電壓和輸入功率限制在模塊技術(shù)要求的范圍內(nèi)。本文在DC-DC模塊的輸入端專門設(shè)計(jì)了如圖1中所示的能量泄放電路。繼電器輸入端由穩(wěn)壓管及電阻控制啟動(dòng)電壓,當(dāng)特制線圈感應(yīng)的電壓較高時(shí),達(dá)到預(yù)先設(shè)定的繼電器的工作電壓,繼電器滿足工作要求,通過(guò)將輸出端短路從而投入耗能電阻的方式來(lái)釋放多余的能量。當(dāng)特制線圈感應(yīng)的電壓較低時(shí),繼電器不工作,因此不會(huì)影響電源的最小啟動(dòng)電流。特制CT取能線圈從一次母線感應(yīng)出的交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波處理后,將得到寬范圍的直流電壓。為此本論文選用了型號(hào)為L(zhǎng)M2576HV-3.3的具有高轉(zhuǎn)換效率和寬輸入范圍的DC-DC模塊。該模塊電路主芯片為PWM降壓型整流器件,可將6~63V的輸入電壓變換成+3.3V的輸出電壓。最大輸出電流為3A。同時(shí),為了抑制因泄放電路造成的輸入電壓瞬間跌落,在DC-DC模塊的輸入端安裝了維持電容,它可在一定時(shí)間內(nèi)給模塊提供維持電壓,并吸收電壓尖峰。為了降低電源電路的紋波,需要對(duì)電路板進(jìn)行合理布局,并根據(jù)電路調(diào)試情況合理設(shè)置濾波電感和電容的數(shù)值,從而使紋波控制在理想范圍之內(nèi)。根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)的電路板在其輸入端加上不同幅值的正弦交流電壓,其DC-DC模塊輸入端和輸出端的電壓數(shù)值關(guān)系,如圖3所示。從圖中可以看到當(dāng)輸入電壓在0~160V范圍內(nèi)變化時(shí),經(jīng)整流濾波后DC-DC模塊輸入端電壓可以維持在0~35V以內(nèi)。當(dāng)輸入電壓大于6V時(shí),DC-DC模塊輸出端可以穩(wěn)定的輸出3.3V的電壓。3鐵芯線圈c時(shí)出現(xiàn)的電壓轉(zhuǎn)變的問(wèn)題本實(shí)驗(yàn)采用了圖2所示的由型號(hào)為50W470的無(wú)取向硅鋼片制成的鐵芯,外徑90mm,內(nèi)徑60mm,高20mm。其中,鐵芯a:開(kāi)口寬度d為0.5mm;鐵芯b:開(kāi)口寬度d為1mm,深度h為8mm;鐵芯c:開(kāi)口寬度d為1mm,深度h為10mm;取線圈匝數(shù)為200匝。利用升流器模擬線路電流,在開(kāi)路時(shí)測(cè)得繞組兩端的感應(yīng)電壓最大值如表1所示。從表1中可以看出,在含有不同氣隙形狀的三種鐵芯線圈中,鐵芯線圈a和b在母線電流低于30A時(shí)感應(yīng)的電壓比較小,經(jīng)后端的整流濾波電路無(wú)法達(dá)到DC-DC模塊輸入電壓的要求,且在母線大電流階段感應(yīng)電壓跳變比較大,不易于做后續(xù)處理。鐵芯線圈c在母線電流為20A時(shí)可以獲得9.2V的感應(yīng)電壓,經(jīng)后續(xù)電路的處理,可以滿足DC-DC模塊6V最小輸入電壓的要求,從而經(jīng)過(guò)電壓變換模塊可以穩(wěn)定的輸出3.3V的電壓。同時(shí),在母線大電流階段感應(yīng)電壓變化比較緩慢,對(duì)后端的電壓處理電路沖擊比較小,所以開(kāi)V型氣隙的鐵芯c能更好的滿足要求。利用匝數(shù)為200匝的鐵芯線圈c,以50Ω電阻作為模擬負(fù)載,做本論文設(shè)計(jì)電源的整體實(shí)驗(yàn),在常溫下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)表明在后端的電壓處理電路中,主要采用了PWM降壓型DC-DC模塊,只要輸入電壓高于6V,輸出端就可以穩(wěn)定的輸出+3.3V的電壓,并能提供不低于200mW的輸出功率。從表中可以看出,當(dāng)母線電流達(dá)到1000A時(shí),能量泄放電路開(kāi)始工作,有效的保護(hù)了DC-DC模塊。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)室常溫環(huán)境下測(cè)得鐵芯線圈在母線電流為8000A時(shí)連續(xù)工作2h溫度變化在10℃以內(nèi)。4無(wú)取向硅鋼片級(jí)封裝工藝為解決高壓