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電容型高功率脈沖電源控制電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2012-03-09

中心議題:
  • 探討電容型高功率脈沖電源控制電路設(shè)計(jì)
解決方案:
  • 本文選用SSR進(jìn)行了PPS控制電路設(shè)計(jì)
  • 通過模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)基于SSR設(shè)計(jì)的控制電路進(jìn)行試用和改進(jìn)

1 引 言

高功率脈沖電源(PPS)是為脈沖功率裝置負(fù)載提供電磁能量的裝置。由多個(gè)脈沖電容器組為儲(chǔ)能單元并聯(lián)組成的PPS,具有儲(chǔ)能簡單,造價(jià)低、波形靈活可調(diào),所需充電功率小,抗干擾能力強(qiáng),方便運(yùn)輸?shù)韧怀鰞?yōu)點(diǎn),在電熱化學(xué)炮(ETcG)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)研究用的PPS通常由充電子系統(tǒng)、脈沖成形子系統(tǒng)、匯流排及大功率傳輸線、控制與測試子系統(tǒng)、屏蔽與接地子系統(tǒng)等幾部分組成。為了避開ETCG發(fā)射時(shí)劇烈的機(jī)械震動(dòng)和強(qiáng)烈的電磁干擾,實(shí)驗(yàn)研究時(shí)PPS的控制子系統(tǒng)的電路通常采用遠(yuǎn)方方式設(shè)計(jì)和使用。隨著ETCG朝實(shí)用化方向發(fā)展,需要ETCG與PPS諸系統(tǒng)集成一體,從而要求控制電路必須具有優(yōu)良的抗機(jī)械震動(dòng)性能,并能在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中使用。

2 控制電路功能

PPS工作時(shí),由控制電路對(duì)系統(tǒng)各階段狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測情況發(fā)指令進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。

控制電路主要功能是實(shí)現(xiàn)PPS的充、放電電控制。

通常,充電子系統(tǒng)內(nèi)部配有過電流、過電壓和過熱等故障保護(hù)或異常告警裝置。但這些裝置的保護(hù)范圍一般僅限于充電子系統(tǒng)內(nèi)部,PPS放電時(shí)浪涌電壓等外部因素仍可能造成充電設(shè)備損壞。因此,在儲(chǔ)能單元和充電子系統(tǒng)間還需配置一些隔離和保護(hù)電路。圖1給出了用于ETCG研究的PPS所配置的充電隔離及保護(hù)電路。圖1中,充電隔離開關(guān)(Kc)和地絕緣隔離開關(guān)(Kg)在充電結(jié)束后打開,用以防止PPS放電時(shí)由負(fù)載等因素產(chǎn)生的浪涌高電壓通過充電子系統(tǒng)對(duì)地放電,可以避免因此所造成的充電設(shè)備絕緣損壞;充電輸出終端并聯(lián)了一小容量電容器(Cp)及其安全釋能電路(開關(guān)Kp、電阻Rp),目的在于防止空載誤充電,以避免在此情況下充電電路末端電壓急劇升高損壞充電設(shè)備。

圖1 充電隔離保護(hù)電路
圖1 充電隔離保護(hù)電路


脈沖電容器儲(chǔ)能后,由控制電路發(fā)送命令進(jìn)行觸發(fā)放電(ETcG發(fā)射)。ETCG發(fā)射精度和一致性與PPS儲(chǔ)能量密切相關(guān),電容器儲(chǔ)能大小與其充電電壓的量值平方成正比,因此控制電路必須能精確控制充電電壓量值,這可以通過與被充電容器組并聯(lián)"分壓器一電壓繼電器組"來實(shí)現(xiàn),見圖2。

圖2 充電電壓測控與安全釋能電路
圖2 充電電壓測控與安全釋能電路

 


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工作中有可能因安全因素或異常情況需要取消ETCG發(fā)射,這種情況下電容器可能已經(jīng)儲(chǔ)存了大量電能。此外,ETCG發(fā)射后電容器一般仍存儲(chǔ)著一些剩余電能。因此,如圖2所示,PPS安裝了儲(chǔ)能安全釋放電路,Kd是安全釋能開關(guān),其狀態(tài)受控于控制電路,Rd為安全釋能電阻。

因此,控制電路應(yīng)具備如下基本功能:

(1)高壓繼電開關(guān)狀態(tài)控制??刂齐娐繁仨毮苁垢鞲邏豪^電開關(guān)通斷狀態(tài)正確對(duì)應(yīng)于PPS的不同工作階段,見表1;(2)充電啟、??刂?。充電設(shè)備將根據(jù)控制電路命令啟動(dòng)或停止充電;(3)放電控制。在正常情況下,電容器組儲(chǔ)能結(jié)束后,PPS將根據(jù)控制電路命令啟動(dòng)觸發(fā)放電(ETCG發(fā)射);(4)急??刂?。工作中,若系統(tǒng)某個(gè)部分(器件)發(fā)生異?;虺霈F(xiàn)安全隱患,控制電路應(yīng)具有使充電設(shè)備緊急停車功能,并能使電容器安全釋能。

表1 被控繼電開關(guān)狀態(tài)

表1 被控繼電開關(guān)狀態(tài)

 
3 控制器件選用

ETcG發(fā)射特點(diǎn)不僅是高電壓、強(qiáng)電流,而且伴隨著強(qiáng)烈的機(jī)械震動(dòng)。因此,選用控制器件時(shí)必須兼顧器件的電磁兼容(EMC)性能和抗震動(dòng)性能。

實(shí)驗(yàn)研究用PPS的控制電路一般為遠(yuǎn)方模式,可以采用單片機(jī)等微控制器(MCU)或者電磁式繼電器(EMR)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。但系統(tǒng)一體集成時(shí),ETCG發(fā)射所引起的強(qiáng)震動(dòng)、強(qiáng)電磁干擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞,同樣,由于具有金屬線圈和機(jī)械觸點(diǎn),EMR也難免發(fā)生誤動(dòng)作或損壞。

調(diào)查發(fā)現(xiàn),固態(tài)繼電器(SSR)可在強(qiáng)震動(dòng)工況下使用。作為一種由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)器件,SSR近年來在民用工控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它是依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電、光特性來完成隔離和繼電切換功能的。由于沒有電磁線圈,且不含運(yùn)動(dòng)零部件,因而它不怕劇烈的機(jī)械震動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]所進(jìn)行的電磁抗干擾能力測試與給出的EMC抗干擾標(biāo)準(zhǔn),SSR也具有良好的EMC性能,在類似于ETCG工況的電磁環(huán)境中使用完全合適。因此,電路設(shè)計(jì)時(shí)控制器件選用了SSR.

4 控制電路設(shè)計(jì)

圖3是基于PPS控制功能要求,采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的控制電路。需要指出,為了讓被控繼電開關(guān)通斷狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地反饋于控制環(huán)節(jié),系統(tǒng)中使用的高壓繼電開關(guān)(Kc、Kg、Kd、Kp)均帶有位置行程輔助開關(guān)。

圖3(a)中,KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。系統(tǒng)上電后,通過按鈕SB1啟動(dòng)KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動(dòng)作,隨后Kc、Kg、Kp也相繼動(dòng)作,為下一步進(jìn)行的充電工作做好了準(zhǔn)備。圖3(b)中,Kc和Kg啟動(dòng)采用了位置接點(diǎn)Kdl,同樣Kp啟動(dòng)也采用了位置接點(diǎn)Kcl和Kgl,這樣設(shè)計(jì)目的是使控制電路具有了邏輯動(dòng)作與防誤閉鎖功能。此時(shí)只要充電設(shè)備自檢正常(圖3(a)中"充電機(jī)正常"接點(diǎn)閉合),則燈HI 1指示可以進(jìn)行充電,通過按鈕SB2啟動(dòng)KM3便可對(duì)脈沖電容器組進(jìn)行充電。脈沖電容器電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后,KV動(dòng)作,常閉接點(diǎn)KV1斷開致使KM2失電,則Kc、Kg、Kp相繼返回,同時(shí)Kp返回又使KM3失電,這樣Kc、Kg斷開,充電機(jī)停止工作,滿足了系統(tǒng)放電前提。此時(shí)燈HL1熄滅、KV2接通,燈HL2指示充電完畢,通過按鈕SB3啟動(dòng)KM4則可進(jìn)行ETCG發(fā)射。


圖3 基本控制電路

圖3 基本控制電路
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若遇到異常需要工作急停,僅需通過按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd復(fù)位閉合,脈沖電容器中存儲(chǔ)的能量便通過電阻Rd安全釋放;同時(shí),由于位置接點(diǎn)Kdl斷開,Kc、Kg、Kp相繼復(fù)位,系統(tǒng)從而完全停止運(yùn)行。在ETCG發(fā)射完畢后SB4還被用作狀態(tài)復(fù)位按鈕。

5 電路試用及改進(jìn)

將圖3電路組裝于鋼箱內(nèi),安裝在電容8 000uF、脈沖成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上,通過模擬ETCG工況對(duì)電路進(jìn)行了試用。

試用期間電路出現(xiàn)了SSR誤動(dòng)作問題。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)SSR誤動(dòng)的工作次數(shù)約占總工作次數(shù)的7%.分析表明,SSR誤動(dòng)作的原因來自PPS充放電所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾,與機(jī)械震動(dòng)無關(guān)。SSR通常因DC輸入側(cè)或AC輸出負(fù)載側(cè)出現(xiàn)了較大電磁噪音(或浪涌)而誤動(dòng)作。PPS中,被控高壓繼電開關(guān)(Kc、Kg、Kd、Kp)采用的是大功率電磁鐵開關(guān),線圈通斷電和強(qiáng)電磁干擾必然會(huì)生成電磁噪音或浪涌。此外,控制電源、控制線路也會(huì)因強(qiáng)電磁干擾而出現(xiàn)諧波與噪音。

如圖4所示,針對(duì)PPS充放電所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾,在控制電路中為SSR增裝了浪涌吸收等輔助保護(hù)電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來防止負(fù)載所造成的SSR誤動(dòng);Ru用于吸收SSR斷開時(shí)繼電開關(guān)線圈的殘存能量以及因電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)能量,能有效抑制因此所產(chǎn)生的電磁噪音與浪涌;Rs~Cs是SSR負(fù)載側(cè)浪涌吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開時(shí)具有相同電位,能防止輸入側(cè)噪音所引起的SSR誤動(dòng)。

控制電路改進(jìn)后試用沒有再次出現(xiàn)SSR誤動(dòng)作,這說明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。

圖4 控制輔助電路

圖4 控制輔助電路
6 結(jié)束語

根據(jù)PPS控制電路功能要求和ETCG實(shí)用化方向發(fā)展要求,本文選用SSR進(jìn)行了PPS控制電路設(shè)計(jì),并通過模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)基于SSR設(shè)計(jì)的控制電路進(jìn)行了試用和改進(jìn)。與其他控制器件相比,SSR具有優(yōu)良的抗震動(dòng)性能和較強(qiáng)的電磁兼容能力,應(yīng)用于強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下的電控領(lǐng)域前景廣闊。
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