高压侧母线取电电源的设计

高压侧母线取电电源的设计

1工作电源的校核源电子通信传感器采用罗戈夫斯基线圈和低能耗线圈作为传感器，并使用标准旁路变换模块（即远端模块）收集和处理传感器输出的信号，而远端模块必须有相应的电源。因此，可靠的工作负载应该是基于源电子通信传感器的扩展方案的关键。目前常用的供电方式主要有低压侧激光供电和高压侧母线取电电源供电两种方式,本文中针对高压侧母线取电电源进行了研究和设计。2低压侧感应电动势b的保持高压侧母线取电和控制原理图如图1所示。高压侧母线单匝穿过铁心,在该铁心上绕制两种线圈,一个为取能线圈,匝数为N2,通过的电流为I2,其低压侧感应电动势E2供电源模块取电用;另一个为控制线圈,匝数为N2k,通过的电流为I2k。当取能线圈的整流模块整流后的电压Udc大于某一设定值时,控制模块起作用,使控制线圈投入使用,以提供反向磁通和进行分流。根据变压器磁势平衡原理,高压侧磁势和低压侧磁势的相量和为励磁磁势I0N1,则有:从式(1)可以看出,当高压侧电流I1变化时,通过调节控制模块的开关元件的导通、断开的时间,来调节控制线圈投入使用的占空比K(占空比K即一个周波时间内控制线圈导通投入使用的时间与一个周波时间的比例),即可调节控制线圈磁势I2kN2kK的大小,从而调节反向磁通的大小,使铁心中的主磁通Φ0保持不变,从而使取能线圈磁势I2N2保持不变,进而使低压侧感应电动势E2保持在一定的范围不变。这就是控制线圈提供反向磁通和进行分流控制的原理。根据电磁感应定律有:式中Φ0———铁心中的主磁通幅值,WbE2———低压侧感应电势有效值,Vf———额定频率,Hz从式(2)中可以看出,对于绕制好的互感器,当铁心中的主磁通Φ0保持不变,低压侧感应电势E2也保持不变。又由磁路定律:可推导出:式中B———磁通密度幅值,TSc———铁心有效截面积,m2Lc———铁心的平均磁路长度,m从式(3)中可以看出,低压侧感应电动势E2的大小与取能线圈匝数N2、铁心磁导率μ、铁心有效截面积Sc、励磁安匝数I0N1成正比,与铁心的平均磁路长度Lc成反比。高压侧母线取电的难点有两个,一是当母线电流较小时,取能线圈仍能感应足够大的电动势供电源电路正常工作,在此笔者把电源电路能正常工作时的母线最小电流作为启动电流;二是当母线电流较大时,取能线圈感应的电动势过大,需及时使控制线圈投入使用,以进行反向励磁,降低铁心中的磁通和进行分流,从而避免取能线圈感应的电动势过大而损害整流模块和稳压模块。因此,应合理设计铁心的尺寸、线圈匝数,选择性能良好的铁心材料。由于铁基纳米晶材料的初始磁导率较高,可以使取能线圈在母线电流较小时仍能感应出较大的电动势;又由于其饱和磁通密度较低,为1.25T,在母线电流过大时(比如发生过流故障时),使铁心进入饱和状态,可限制低压侧感应电动势E2发生过大变化,为此本文中选用铁基纳米晶材料作为铁心材料。从式(2)可知,当增大铁心截面积Sc时,可使低压侧感应电动势E2增大,启动电流降低,但取能线圈的体积也会增大,给安装带来不便。对于取能线圈匝数N2,若较多,可以使电源在母线电流较小时正常工作,但母线电流较大时,低压侧感应电动势较大,同时取能线圈的带负载能力也会下降;若较小,启动电流会增大,不利于电源在母线电流较小时的正常工作,但在母线电流较大时,低压侧感应电动势不会发生较大变化。对于控制线圈匝数N2k,若较多,则在母线电流较大时,可有效实现反向励磁和分流,避免取能线圈的低压侧感应电动势过大,但控制线圈自身产生的感应电动势会过大,这对控制模块的开关元器件提出很高的耐压要求;若过少,控制线圈自身产生的感应电动势不会很大,降低了对开关元器件耐压要求,但在母线电流较大不能有效实现分流时,取能线圈的低压侧感应电动势会过大。在实际设计时,可根据式(3)、启动电流大小、电源正常工作时所需要的低压侧感应电动势E2,合理选取铁心的尺寸、线圈匝数。3控制线圈的保护本文中采用铁基纳米晶材料作为铁心材料,设计了取能线圈和控制线圈以及电源电子电路模块,并进行了试验,试验采用的电源负载为75Ω电阻,实际需求电源输出电压为3.69V。试验结果表明,电源输出电压为3.69V,当母线电流在18A~5000A范围变化时,电源可正常工作,从而满足电源在母线电流宽范围内变化时仍能正常工作的实际应用需求。试验测试数据结果如表1所示;图2、图3和图4为母线电流分别为12A、18A和1800A时的整流电压波形。图2、图3和图4中C1为控制线圈的整流电路整流电压波形Udck,C2为取能线圈的整流电路整流电压波形Udc。从图2可以看出,当母线电流为12A时,控制线圈的整流电压Udck波形为平稳的直流电压波形,说明控制线圈还没有进入导通状态。从图3可以看出,当母线电流为18A时,控制线圈的整流电压Udck波形为方波,说明控制线圈开始投入使用;当母线电流开始增加时,控制线圈的导通时间开始逐渐增加,即导通占空比K增加,从而控制线圈的整流电压Udck开始减小。从图4可看出,当母线电流为1800A时,控制线圈的整流电压Udck几乎处于零电位状态,说明控制线圈开始进入完全导通状态。由表1和图2~图4波形试验数据可得出以下结论。(1)当母线电流为18A时,电源可输出实际需求电压3.69V,说明启动电流为18A。(2)当母线电流从18A增大到8000A时,控制线圈投入使用,Udc在9.778V到12.65V之间,经过稳压模块,电源输出电压保持3.69V不变。(3)当母线电流从8000A增大到10000A时,取能线圈整流电路输出电压从19.6V减小到19V,说明铁心开始进入深度饱和区。保证了当有很大的瞬时母线电流时,由于铁心进入深度饱和区,低压侧不会感应出高电压,从而保证电源电子电路的安全和稳定。在实际应用中为了使电子式互感器高压侧远端模块可在母线电流小于18A时也有电源供电,可采取低压侧激光供电和高压侧母线取能供