（机械设计及理论专业论文）电力机车电源综合柜试验台的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 论文主要是为韶山( s s ) 电力机车电源综合柜研制一种新型的电源插件测试 试验台，为被试验对象( 可控硅触发板和斩波板) 设计主电路，模拟其工作环境， 通过改变其输入电压，提供相应的显示仪器观察其输出电压，用以检测被试验 对象是否满足设计要求。 电源综合柜的主电路为半控桥式整流电路，输入为铁路系统的交流电压，其 输出的整流电压经电抗器，电容滤波后，向蓄电池充电，并向机车控制电路供 电。触发板( 2 1 5 8 ) 由同步信号、电源、调压器和移相触发等环节组成，采用 同步移相控制技术和可控硅技术，具有输入过、欠压保护、输出过载保护功能， 使输出的电压稳定在l l o v 。通过调节调压器改变触发板的输入电压，观测其输 出是否稳定，以检测触发板是否具有稳压功能；通过调节其反馈电流观测其 是否具有过流保护保护功能。 斩波板( z 1 5 7 、z 3 3 ) 采用脉宽调制( p 枷) 开关电源技术，工作频率达l o o k h z ， 并具有输入、输出过流、过压以及欠压保护等功能。斩波板的输出性能测试可 以用两个电阻并联来实现。当其中一个电阻断开时，以额定电流输出，当该电 阻闭合时，以过流输出，然后检测是否实现过漉保护。 需要检测的模拟量信号共1 0 路，包括主电路上两个电压值，斩波板( z 1 5 7 ) 负载上1 5 v 、2 4 v 和4 8 v 等3 个输出电压值，以及斩波板( z 3 3 ) 负载上5 v 、1 5 v 和2 4 v 等5 个输出电压值。选择单片8 位1 6 路a d 转换芯片。 微处理器选用有8 kr o m 和2 5 6 br a m 的a t m e l 8 9 c 5 2 芯片，其扩展包括8 2 5 5 a 并行i 0 口芯片，6 2 8 4 r , 饼存储器芯片8 2 7 9 可编程键盘和显示器专用接日芯 片，锁存器7 4 l s 3 7 3 ，地址译码器7 4 l s l 3 8 ，分频器7 4 l s 7 4 等构成计算机系统。 为了完成人机交互需要有l e d 数字显示器、键盘、打印机接口。 关键词：电力机车电源插件微处理器脉宽调制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 弛st h e s i sd e s i g n sat e s t h e df o rs y n t h e t i c a lp o w e rc u p b o a r do fs h a o s h e ne l e c t r i c l o c o m o t i v e d e s i g nt h em a i nc i r c u i tf o re x p e r i m e n t a ls u b j e c t s ( t h es i l i c o nc o n t r o l l e d b o a r da n dt h es t e a d i e d - w a v eb o a r d ) ，a n ds u p p l yt h es t a t eo fs i m u l a t i o n b y 也e m e d i u mo f c h e n g i n gt h e n p u tv o l t a g e , o f f e r i n gc o r r e s p o n d i n g s h o w i n gi m m a n e n t , t o t e s tt h et a r g e t sw h e t h e rc o n f o r mw i t ht h ed e s i g nr e q 咖e n t s 硼帕d r c n i to fc o n t r o l l i n gs y n t h e s i z ep o w e rc u p b o a r di sh a l fb r i d g ec o n t r o l l i n g r e c t i f i c a t i o nc i 砧u i t , w h o s ei n p u ti sa l t e r n a t i n gc u r r e n tf o r mr a i l w a ys y s t e m 1 1 h e o u t p u to f r e c t i f i c a t i o nc i r c u i tp a s s e st h ec i r c m tc o n s i s t i n go f ar e s i s t o ra n dac a p a c i t o r , w h i c hi sav o l t a g ew a v ef i l t e r a f l e ft h ew a v ef i l t e rc i r c u i t ，i tc h a r g e st h el o c o m o t i v e b a t t e r y , a n ds u p p l i e sp o w e rt ot h ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h es i l i c o nc o n t r o l l e db o a r d c o n s i s t so f t h es y n c h r o n i s ms i g n a l ，p o w e r , v o l t a g er e g u l a t o r , m o v e - t o u c ho f f f o r m i t h a st h ep r o t e c t 她f u n c t i o ni nc a s eo f t h e i n p u to ro u t p u tv o l t a g ei se x a g g e r a t e d i t 咖 s t e a d yt h eo u t p u tv o l t a g ea til o v b ya d j u s t i n gt h ei n p u tv o l t a g et ot e s ti tw h e t h e r w o r ks t a b l y b ya d j u s t i n gt h ef e e d b a c kc u r r e n tt ot e s ti tw h e t h e rw o r k ss a f e l yi nt h e e a s eo f f a u l t 1 1 1 es t e a d i e d - w a v eb o a r dw o r k sb yt h et e c h n o l o g yo fp w me n dt h y r i s t o r i tc a n w o r ka t1 0 0k i - i zf r e q u e n c y i th a st h ep r o t e c t i n gf u n c t i o ni nc a s eo ft h ei n p u to r o u t p u tv o l t a g ei se x a g g e r a t e d i tc 矗r tp r o t e c te v e r yo u t p u tc h a n n e l t od e t e c tt h e f u n c t i o no ft h es t e a d i e d w a v eb e a r d , t h eo u t p u to ft h es t e a d i e d - w a v eb o a r do a l lb e c o n n e c t e dw i t ht w op i e c e so f a h u n t w o u n dr e s i s t o r s w b i l ca c t i n ga st h ed i s c o n n e c t i o n o fa 舱s i s t o rm n o n gt h e m ，t h es t e a d i e d - w a v eb o a r dw o r k so nt h er a t i n gs t a t e w h e l l t h i sr e ：s i s t o ri st u r n e do n , t h es t e a d i e d - w a v eb o a r dw o r k so ne x a g g e r a t e dc u r r e n ts t a t e , t h e n m e 耻s u r ea n dt e s tw h e t h e rc o n f o r mw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h em c u s y s t e mm a i n l yt e s t s1 0p i 姻o fa n a l o gs i g n a l s ，i n c l u d i n g1 5 v 2 4 v a n d4 8 vv o l t a g e sf o r mt h ez 1 5 7 ，e n d5 v , 1 5 、2 4 vv o l t a g e sf o r mt h ez 3 3 i n g e n e r a l 。i ti sm o r es u i t a b l et os e l e e ta d c 0 8 1 6f o ru s e t h et e s t b e du s e sa t m e l 8 9 c 5 2m i c r oc o n t r o l l e ru n i tw i t h8 kr o m a n d2 5 6 br a m i t s 懿p a u s i o ni n c l u d e si 0e x p a n d i n gc h i p8 2 5 5 a ，m e m o r yc h i p6 2 6 4 ，p r o g r a m m a b l e k e y b o a r da n dd i s p l a yi n t e r f a c ec h i p8 2 7 9 ，7 4 l s 3 7 3 ，d e c o d e r7 4 l s l 3 8 ，a n d7 4 l s 7 4 武汉理工大学硕士学位论文 t h ec o m p u t e rs y s t e mc o m p r i s e sw i t ht h e m i no r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o no f i n t e r c o m m u n i c a t i o nw i 也h u m a n , t h et e s t b e do u g h tt oa f f o r dt h el e dd i s p l a y , t h e k e y b o a r d ，a n dt h ei n t e r f a c eo f t h ep r i n t e ra tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，p o w e ri n s e r t , m c u , p w m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景 第一章绪论 铁路机车车辆工业的高速发展，不仅满足国内铁路运输的需要，而且出口 的数量也越来越多，并不断缩小与世界先进水平的差距。铁道部明确指出：今 后机车车辆工业的技术改造要坚持高起点、高效益；要与国际先进水平接轨； 要择优扶强，突出重点；要适应专业化、规模化、社会化大生产要求；要紧扣 土质量、上水平、上档次的目标，提高产品的科技含量。 韶山( s s ) 系列国产电力机车进入第三代以后，交直流传动相控整流电力 机车技术日趋成熟，因此提出了电力机车的标准化、型谱化、模块化“1 ，这对推 动电力机车性能、质量的稳步发展具有重要意义。 已经标准化、模块化的电源综合柜( 包括控制电源柜和电子控制柜) 是电力 机车上的重要部分，专门为电力机车提供所需的各种电压和控制信号，关系到 机车上整个电子系统的工作质量。控制电源柜担负着整个电力机车控制系统的 1 1 0v 、4 8v 、2 4v 、1 5 v 直流电源的供电任务，包括车内仪器仪表、照明以及 信号显示屏用电。控制电源柜主要由三部分组成：整流主电路、插件箱中的触 发板( z 1 5 8 ) 、插件箱中的斩波板( z 1 5 7 ) 。对电源控莉柜的检测主要是针对 两个电源插件的检测- 机车电子控制柜主要由牵引控制，电制动控制，空转、 滑行保护控制等部分组成。电源插件( z 3 3 ) 为这些控制插件提供稳定的直流电 源，保证其正常工作。因此对它的准确检测就显得特别重要。 根据对s s 4 b 型电力机车进行跟踪采样。电源综合柜的无故障工作时间的平 均值为3 6 0 0 d , 时左右。以前对机车皂源综合柜及其播件的检测基本上都是人工 进行的，工作量很大。而且准确度和工作效率都不高，因此经常发生在车下检 测正常的电子控制柜放到车上不能够正常工作的情况。例如：西安机务段在2 0 0 3 年2 月里就发生了1 7 起电源柜不正常工作事故。在这种形式下。研制一种新型的 机车电源综合柜试验台显得十分必要。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内现状 铁路计算机应用起步于2 0 世纪6 0 年代，四十年来，取得了较大发展，也积 累了宝贵的经验和教训。按照机务段机车检测的要求，这些电源插件在上车之前 一定要确认它们是否能够正常工作。为此必须有专门的检测设备对这些电源插件 进行全砸的试验和检查，以保证这些电源插件具有预计的各项功能。 国内的科研院所也研制出对电源插件进行试验的测试系统，如1 9 9 9 年广州 铁路( 集团) 公司研制的电子控制柜检测与分析系统，专门针对电子控制柜的 电源插件z 3 3 进行检测：西南交通大学2 0 0 0 年研制的机车控制电源柜测控系统， 专门针对控制电源柜的电源插件z 1 5 8 、z 1 5 7 进行检测。机务段内部现在也有电 源模块的试验台，但是还没有针对电源控制柜和电子控制柜的3 个电源插件进 行集成测试的试验台。即使这样，现有的试验台也存在着诸多缺陷： 1 ) 试验台自动化程度不高，不提供自动记录存储数据功能； 2 ) 测试时没有提供电子负载，结果不够客观可靠； 3 ) 只能测试单板或只能测试整箱，功能单一； 4 ) 插件箱设计不够合理，不便于插件拆装。 检测手段的落后将直接影响铁路系统的安全运行，影响铁路行业的运行成 本，不利于构建节约型社会。而测试手段的复杂和功能的单一也与铁道部提出 的电力机车标准化、型谱化、模块化相背离。 现用试验台的插件箱设计不合理，人性化不够理想，所以经常发生因为拆 装插件时用力过猛过大，待测插件被损坏的情况。正是基于对现存状况充分考 虑的情况下。本论文研制开发了一种以计算机为核心的电力机车电源综合柜试 验台。 1 3 论文的课题来源和主要内容 课题来源：武汉铁路局武昌南机务段。 首先介绍机车电源综合柜的结构，然后以电力电子学和可控硅技术为基础， 分析电源插件的电路特点和工作原理。结合电源插件的工作环境和电气参数， 给出了机车电源综合柜试验台的研制方案和试验台的检溺要求，进而确定试验 台的工作流程。 2 武汉理工大学硕士学位论文 电源综合柜试验台主要由电源插件测试用外围强电电路和测试计算机系统 两个部分组成。试验台本身构成个完备测试的系统，为了在试验台上集中对 各个电源模块的测试功能，为被试验对象( 触发板和斩波板) 提供主电路。模拟其 工作环境和状况。设计插件接口，以方便插件与主电路连接与分离。试验台工 作时，通过控制调压器手柄来调节电源电压，可以满足各电源插件的试验条件， 可以测试电源插件在规定的电压变化范围内，输出电压是否稳定可靠，即可以 判断被测电源插件的性能。试验台采用数字仪表显示各电压值， 计算机系统提供电压信号采集处理功能，并通过i o 扩展技术，实现数字显 示并提供微型打印机接口。试验台的工作环境条件比较恶劣，对整个系统的抗 干扰性要求很高，一般的电缆通讯手段难以满足要求，所以本论文研究开发一 种可以抵抗强干扰和强污染的基于光纤的串行通信方法，并提供了测试程序。 另外电源综合柜试验台柜体和操作面板应具有操作简单，设计美观，使用方 便等特点。 主要研究内容： 1 ) 脉宽调制( p 州) 开关电源技术 2 ) 电源插件外围试验电路 3 ) 电源插件输出量显示及自动记录功能实现 4 ) 基于光纤的串行通信 5 ) 系统干扰分析 3 武汉理工大学硕士学位论文 第二章 电力机车电源综合柜结构及试验要求 2 1 概述 电力机车上的电源综合柜有控制电源柜和电子控制柜两个部分，两者是组装 在一起的。其中控制电源柜专门为机车上的电子控制柜和其他的电子设备提供 工作电源。控制电源柜可以为机车系统提供直流1 1 0 v 、4 8 v 2 4 v 和1 5 v 电源。 为了满足这些要求，机车上的控制电源柜中集中了一些电源功能模块插件，专 门产生所需电压，其中的电源功能模块主要有z 1 5 8 稳压触发板和z 1 5 7 控制斩 波板“1 。电予控制柜中有z 3 3 控制斩波板，产生5 v 、1 5 v 、4 - 2 4 v 电压。为了 保证电源综合柜工作的可靠性和安全系数，在电源综合柜内的每一块电源板插 件都有一个块备用板。 电源综合柜是电力机车上的重要部分，关系到机车上整个电子系统的工作质 量。按照机务段机车检修的要求，这些电源板在上车之前一定要确认它们是否 能够正常工作。为此必须有专门的检修设备对这些电源板进行全面的试验和检 查，以便保证这些电源模块具有预计的各项功能。 2 2 机车控制电源柜 电力机车上的t ) c l l 0 v 电源是由控制电源柜及蓄电池组构成。在通常运行情 况下，两者并联为机车提供稳定的1 1 0 v 电源；在降弓。情况下蓄电池供机车做 低压实验和照明用；在运行中电源柜故障情况下，蓄电池作维持机车故障运行 的控制电源。 2 2 1 基本构成 柜体分高低两部分，高柜内上层是电控插件箱及其双风扇机，低框的上方 安装机车的电子控制柜，如图2 一l 中虚线部分。低柜内上层装有晶闸管整流桥， 整流桥的后面是阻容板及晶闸管的触发装置。低柜下层装有电源变压器6 7 0 t c ， 电抗器6 7 1 l “1 。高柜低端是该柜对外连线的两个2 0 芯插座。高柜内上层是电控 插件箱及双风机，电控播件箱中装有4 块插件及一个a 、b 组转换的开关，其中 两块是l l o v 电源的“稳压触发”板( z 1 5 8 ) ，两块是“电源”擂件( 即1 1 0 3 变 4 武汉理工大学硕士学位论文 4 8 v 、2 4 v 、1 5 v 辅助控制斩波电源( z 1 5 7 ) ) 。中层的开关板上装有电压表和电流 表，照明灯泡，小开关，全车的l l o v 控制电路自动开关，交流的取暖、窗加热、 图2 1 电源柜结构示意图 1 、电控插件箱( 含辅助控制电源插件) 2 、照明灯3 、电流表4 、电子控制柜5 、 整流器组装6 、电抗器7 、电源变压器8 、接线端子9 、对外连接插座1 0 、接 地开关1 1 、稳压电源输出开关1 2 、蓄电池组开关1 3 、自动开关板1 4 、照明灯 开关1 5 、电压表 5 武汉理工大学硕士学位论文 空调、电炉的自动开关。这些自动开关均为自动脱扣手动恢复。 开关板上还装有2 个开关：l 整流输出开关，即整流桥输出与蓄电泡相连接 的开关。2 负载开关，即i i o v 电路的总负载开关。 2 2 2 控制电源主电路 电力机车i i o v 电源柜主电路原理图如图2 2 所示，电源的主电路为一半 控桥式整流电路，其输出的整流电压经电抗器，电容滤波后，向蓄电池充电， 并向机车控制电路供电。 电源变压器6 7 0 t c 的原边通过低压柜的转换开关接到牵引变压器辅助绕组 上，得到3 9 6 v 单相交流电，随网压变化，其次边输出2 2 0 v 送到半控桥，经v l v 4 整流，再经6 7 1 l 电抗器，6 6 3 c 电容滤波后，成为较平稳的直流电压。6 7 1 l 为带铁心的电抗器，电感值约l o r a h , 6 6 3 c 为电解电容器c d l 3 型1 0 0 0 i lf 3 5 0 v ( 装 在开关板后面) ，二级管v 3 、y 4 兼起续流作用。通常情况下，l l o v 电源柜与蓄 电池并联运行，向机车控制电路提供1 i o v 电源，蓄电池也相当于一个数千微法 的电容，在线路上兼起滤波作用，从而保证静态电压脉动小于5 v 。 整流电压的平均值u 。，由公式u o = 0 4 5 u ( 1 + c o sa ) 啪可知，与整流桥的输 入电压u 和晶闸管的移相角n 由关，当u i 随网压变化时，可通过自动调节a 角 达到稳压的目的。当出现过电流也可以通过自动调节a 角降低u 达到限流的目 的。 变压器次边的k b c ，k b r “1 是用来吸收操作过电压的，整流管及晶闸管两端 的c 1 、r l 、c 2 、r 2 、c 3 和c 4 用来保护元件，吸收换向过电压。由输出端引出 1t o y 正电压反馈信号，供控制系统进行稳压自动调节。电阻6 3 5 r 引出负的电流 反馈信号，供控制系统进行限流自动调节。 电路中蓄电池的功能是：整流输出通过双刀( 单投) 开关1 与蓄电池并联， 然后再通过双刀( 单投) 开关2 接通负载。其优点是：如果整流桥出现故障， 拉开双刀开关l ，整流桥全部脱离蓄电池，当负载出现故障时，拉开双刀开关2 ， 可同时切断与电源正。负两端的联系，避免了s s 。s s 。型机车电源柜只拉开接地 闸门，而负载带有悬浮正电位的弊端，此电位对查找故障是非常不利的。在i i o v 电源输出回路加装了整流二极管，它的作用是：当一节车电源柜故障，需另节 车的电源柜重联瑚运行时，可防止处在工作中的d c i i o v 电源柜负载过重，甚至 达到限流值，用二极管阻断了对故障端蓄电池组的充电，同时也保护蓄电池不 6 武汉理工大学硕士学位论文 受外来高电压及反向电流冲击。 6 7 0 t 图2 2 电源柜主电路全波半控整流原理图 2 3 电源插件z 1 5 8 工作原理及检测要求 2 3 1z 1 5 8 控制原理及检测要求 z 1 5 8 控制电源插件保证电源综合柜主电路输出电压稳定在直流1 1 0 v 左 右，其稳压控制系统由同步信号、电源、调压器和移相触发等环节组成电力 机车电源插件z t 5 8 稳压电源电子控制原理方框图如图2 3 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 雷2 3z 1 5 8 插件电子控镯框胬 z 1 5 8 是通过电压调节器和电流调节器，自动改变晶闸管触发脉冲移相控制 角，达到稳定输出电压，限流保护的目的。调节器的电匝给定及电流给定由内 部电源环节设定。电压给定为一恒定负值，电压反馈信号取自输出电压经电阻 分压器得到，两者在调节器输入端进行比较；电流给定信号为一恒定正值，电 流反馈信号取自l l o v 电源回流线上的信号电阻r ，两者在电流调节器的输入端进 行比较，当未达到的电流限制值时，触发脉冲的前移与后移( 也就是直流电压 的增加与减少硒) 将由电压调节器的来控融。只要电莲给定恒定不变，直流输出 电压也将保持不变。当负载电流达到限制值时，电漉调节器的输出将取代电压 调节器的输出，并控制触发脉冲后移，减少整流输出电压值，维持最大输出电 流不超过5 5 a i 0 。 当限流工况消失时，系统自动恢复倒稳定状态下工作。电力机车电源综台 柜i i o v 稳压电源的外特性见图2 4 。 电力机车电源综合柜试验台对z 1 5 8 检测的一项指标就是测试其是否具有稳 压功能，是输出电压稳定在i i o v ；另一项指标测试z 1 5 8 是否具有限流保护功能， 8 武汉理工大学硕士学位论文 输出电流大于5 5 a 时起到保护作用，关闭所有输出端口。 u 1 图2 - - 4z 1 5 8 稳压电源外特性 2 3 2z 1 5 8 触发工作原理 z 1 5 8 电子控制电路主要有三个环节组成，即电源及同步信号、调节器和移 相触发，电路见图2 - 5 图，半部分是电源及调节器部分；下半部分是同步信号 及移相触发部分。 1 ) 电源及同步信号 同步变压器的原边接电源变压器6 7 0 t c 的次边，其次为7 5 2 ，7 5 3 分成二路。 一路经v 1 、v 2 、v 3 、v 4 整流桥由l m 7 8 1 5 及l m 7 9 1 5 三端稳压器产生稳定的1 5 v 电源，供本插件使用( 插件面板上的绿色反光二极管亮，表明1 5 v 电源工作正 常，红色发光二极管为交流指示) ，此电压较为精确，不受温度影响，经电阻r 7 、 r 9 、r i o 、r i i ，电位器r p l 、r p 2 ，分别形成电流及电压给定，就是前面所说的 内部电源设置的给定；第二路是：向y s f 3 、c 1 8 、r 3 7 r 4 1 y s f 4 、c 1 9 、r 4 z 4 6 组成的低通滤波器供电，从1 脚输出个超前网压9 0 。的同步余弦信号，7 脚输出一个与i 脚输出相位差1 8 0 。的同步信号，分别通过电阻r 4 9 ，r 5 2 送到移 相环节； 2 ) 调节器 本调节器由y s f i 和y s f 2 组成，其中y s f i 组成恒压控制环节，y s f 2 组成限 流环节。调节”的主要功能在于：将1 i o v 电源输出的电压和电流与插件内给 9 武汉理工大学硕士学位论文 定值相比较，向“移相触发器”送出移相控制电压。控制电源柜的直流输出电 压为l l o v ( 5 ) ，直流输出电流为5 5 a ( 1 0 ) 。 插件中的电压给定值是负极性的，由一1 5 v 经v 3 6 再次稳压后给定，可以 用r p 2 调节，其值最大约为- - 4 v 左右。正极性电压反馈由2 0 7 线，经由r 1 7 、r 1 8 分压供给。这两路电压分别经r 2 4 ，r 2 5 及r 1 6 ，r 2 2 在y s f i 的同相输入端进行电 流综合，y s f i 的输出值直接控制1l o v 电源的触发电路。由于y s f i 放大倍数很 大，故能保证晶闸管输出直流电压稳定。 y s f 2 构成电流调节器，电流反馈信号由反馈电阻6 3 5 r 上的压降通过2 0 6 线 提供，当电流为5 5 a 时，信号电压约为0 4 v 。限流给定值( 正值) 可由r p i 处 调整，现调整为+ 4 v ( 相应限流值为5 5 a ) ，2 0 6 线的电压和r p i 的给定值通过 各自的电阻在y s f 2 反相端进行电流综合。当负载电流未达到限制值时，y s f 2 的 输出是负饱和( 约一1 3 v ) ，此电压低于y s f i 的输出，v i o 起了隔离作用，y s f 2 不起调节作用。当负载电流大于5 5 a ，y s f 2 的输出由负饱和逐渐向正饱和变化， 此值就会大于y s f i 的输出，v l o 正向导通，y s f 2 的输出电压将控制触发脉冲后 移，减小整流桥的输出电压。y s f 2 的放大倍数很大，可使负载电流最大值维持 5 5 a 。 3 ) 移相触发 移相触发电路的功能使根据调节电路送来的移相控制电压，产生相应的触 发脉冲，去触发电源框主回路的晶闸管。 该电路由完全对称的上、下两部分组成，分别在正、负半波内发生触发脉 冲，控制半控桥正、负半波晶闸管。现就个半波的工作情况( 上半部分) 简 单说明如下： 控制移相角产生的环节主要由晶闸管v 4 1 、v 4 3 、v 4 5 及其附属电路构成。 v 4 1 与v 4 3 及v 4 3 和v 4 5 分别组成互补复合管，以求得到较大的电流放大倍数， 提高其工作灵敏度。两v 4 1 与v 4 3 组成一个“与”门电路，只有两个管子都截 止时，才能产生移耜脉；申。v 4 1 的基极电路送入两个控制信号： 1 ) 同步余弦信号，由y s f 3 的1 脚送出超前网压9 0 。的同步余弦信号： 2 ) 移相控制电压信号，由前面叙述的调节电路y s f i 或1 | s f 2 送来。电压范 围在+ 1 2 v 一1 2 v 之间。 上述甄个信号由共同接地点，可通过r 4 9 、1 1 5 0 电流综合叠加方式。加到v 4 1 的基极上，以控制其导通或截止。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - - 5 电源综合柜i l o v 电源控制电路图 当两信号之和 o 时，使v 4 1 处于正向偏置，v 4 1 导通，当v 4 3 亦导通时， v 4 7 截止，v 4 9 截止，不产生触发脉冲。当两个信号之和0 时，v 4 1 由导通变 成截止，7 4 5 亦截止，7 4 3 截止，这时+ t 5 7 经7 1 8 使v 4 7 导通，强行对c 2 4 充 电，使v 4 9 导通，发出触发脉冲。移相控制电压趣正，穆相控制角越接近1 8 0 。，触发脉冲也就越后移。同步移相控制电压和触发脉冲相位关系m 见圈2 - - 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 由于v 4 5 的基极所加的电压u t ”与网压( 即与所控制的晶闸管的阳极电压) 同步，相位刚好反相，即晶闸管阳极为正时，v 4 5 刚好进入负向电压，v 4 5 截止 ( 注：产生超前网压9 0 。的同步移相信号是用u 。，) 。v 4 3 亦截止，v 4 7 导通迫使 v 4 9 瞬时导通，产生脉冲。由于此时晶闸管两端电压已变正，故此脉冲使最阐管 导通。当u ，s z 电压由负变正时，v 4 5 由截止变导通，此时不产生脉冲。 由于c 2 4 及c 2 5 的作用，使输出脉冲为一负窄脉冲，宽度为2 0 0 ps 。 u v l 基 u2 2 e 图2 6 同步移相控制电压和触发脉冲相位关系示意圈 i t 同步余弦电流，由u 7 5 3 、u 7 5 2 产生：i 控一由移相控制电压产生； n 移相控制角，由1 8 0 。0 。变化：i 控l 为正。i 控2 、i 控3 为负。 2 4 脉宽调制( p w m ) 开关电源技术 t t t t z 1 5 7 、z 3 3 电源插件采用脉宽调带9 僦( p 硼) 开关电源技术。工作频率达1 0 0 k h z ， 并设用输入、输出过漉过压保护功脂。 斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关 电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直 j 2 武汉理工大学硕士学位论文 流输出电压。电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产 生的脉冲信号，用以控翩调整开关的导通时间和截止时间的长短和开关的工作 频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分所 提供的取样信号来进行工作的。 2 4 1 串联型开关稳压电源的结构原理 串联型开关稳压电源嘲的原理框图由图2 - 7 可见，串联型开关稳压电源的 基本电路是由一次整流和滤波，开关晶体管t ，续流二极管d 。储能电感l 和滤波 电容c 组成的。复杂的串联型开关稳压电源还包括取样、基准、放大、调节和 驱动等电路。 图2 7 串联开关型稳压电路原理图 图2 - 7 中v ，是整流滤波电路的输出电压，y - 是比较嚣的输出电压。利用v b 控制调整管t ，将v t 变成断续的矩形波电压。当v v t 时，v 。为高电平，t 饱和 导通，输入电压v t 经t 加到二极管d 两端，此时二极管d 承受反向电压丽截止， 负载r l 中有电流通过，电感l 储存能量，同时向电容器c 充电。输出电压u 。略 有增加。当u u 。比较放大器输出电压v 。为负值，v 。与固定频率三角波电压v 。相比较，得 到的v 。波形，其占空比q 5 0 ，使输出电压下降到预定值v 。同理，v ，下降时， u 也下降，v f 5 0 ，输出电压u 。上升到预定值。 总之，当v 。或负载r l 变化使u o 变化时，自动调整脉冲占空比使输出电压恒定。 2 4 2 开关稳压电源的控制、驱动和保护电路 2 4 2 1 控制电路 不论是串联型开关稳压电源还是并联型开关稳压电源，要能够保证其正常 工作。都需要有相应的，要求严格的控制信号来控制和调节驱动器所产生的驱动 信号，从而使开关晶体管v 能够安全，可靠的按照我们对输出电压的要求导避与 截止。产生这种控制信号的电路即为控制电路。控制电路包括取样、比较、基 准电压、脉冲振荡、脉宽调制器( 或频率调制器) 等电路。目前。新型的和较为先 进的开关稳压电源电路还包括有误差检测和误差放大部分。它们把输出端的不 稳定因素检测出来并放大后送到调制电路中，最后使调制电路通过调节脉冲宽 度或频率来消除这些不稳定因素，整个电路形成一个自动控制的反馈闭环回路。 对自激式开关稳压电源来说控制电路起着从主电路中取出驱动信号的任 务：对他激式开关稳压电源来说，控制电路则起着要产生控制信号的作用；对于 脉冲宽度调整型开关稳压电源来说，则要求控制电路能够产生两个相位差为 1 8 0 6 、有一定死区问隔、脉冲宽度可以调整的控制脉冲信号。对于不同类型的开 关稳压电源来说，控制信号的要求是各不相同的。 2 4 2 2 驱动电路 开关稳压电源中的开关管v 要求在关断时就能迅速关断，并能维持关断期间 的漏电流近似等于零：在导遁对要能迅速导通，并能维持导通期间的管压降也近 似等于零。开关管v 趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的快慢是 降低开关晶体管v 损耗功率，提高开关稳压电源效率的主要因素。要缩短这两个 时间，除选择高反压、高速度、大功率开关管以外，主要还取决于加在开关管基 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 极的驱动信号。 对于驱动波形的要求有以下几点： ( 1 ) 驱动信号波形的正向边缘一定要陡，幅度要大。以便减小开关管趋于正 向导通时的上升时间。 ( 2 ) 在维持导通期间内，要能保证开关管处在饱和导通状态，以减小开关管 正向导通管压降，从而降低导通期间开关管的集电极功率损耗。 ( 3 ) 正向驱动结束时，驱动幅度要减小，以便使开关管能很快的脱离饱和区， 以减小关闭存储时间。 ( 4 ) 驱动信号波形的下降边缘也一定要陡，幅度要大，以便减小开关管趋于 截止时的下降时间。 2 4 2 3 保护电路 保护电路有过流保护和过压保护电路两种。 ( 1 ) 过流保护电路 当开关电源输出电流超过额定值或负载出现短路时，能保护电源本身不受 破坏的一种电路称为过流保护电路。这种保护电路的特点是只能保护电源的自 身或自身的一部分；缺点是不能保护供电系统。它又可以分为限流式保护和截 止式保护两种形式。限流式保护电路在过流现象消除餍，可自动的让电源恢复工 作：截止式则不能，必须等过流现象消除后再重新启动。实现过流保护的方法有 许多种，电路也灵活多样。 ( 2 ) 过压保护电路 过压保护电路是一种当电源的输出电压超过所要求的额定电压值时，就能 输出一个控制信号使电源中的开关管立即停止工作的电踌。实现过压保护的电 路多种多样，最常用的一种电路是采用稳压值与电源额定输出电压值相符的稳 压二极管直接并接于电源的输出端。这种形式的过压保护电路结构简单，安全可 靠，成本较低，但不适于在输出电压较高和功率较丈的电源电路中使用。过压保 护电路的特点是可以使负载系统不致因过压而受到破坏从而得到保护但不能 保护其自身。 过流保护电路与过压保护电路相互结合，相互补充，取长补短就能形成一套 完整的既能保护自身，又能保护负载系统的安全保护系统；使开关稳压电源中的 开关功率管工作在接近极限电流附近，并且也能在由于负载损坏或短路而引起 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 的各种故障条件下，使开关稳压电源免遭破坏。此外，过流和过压保护电路在电 源工作的过程中，若输出出现欠流或欠压( 一般欠压是由于过流或欠流引起的) 现象时，也能同样的输出一个控制信号来调节开关电源的工作状态，以达到稳定 输出的目的。 2 5z 15 7 、z 3 3 电源插件工作原理及检测要求 z 1 5 7 插件输入为i l o v 直流电压，经斩波整流，分别产生1 5 v 、2 4 y 、4 8 v 直 流电压。电源插件采用脉宽调制( p 咖) 开关电源技术，工作频率达1 0 0 k h z ，并 设用输入、输出过流过压保护功能。 z 1 5 7 由两个完全独立的电源电路组成，一部分产生1 5 v 、2 4 v 直流输出，一 部分产生4 8 v 直流输出。本电源具有输入过，欠压保护，辅助电源欠保护，各 路输出过流保护及过、欠压保护功能。当输入出现过、欠压或辅助电源欠压故 障时，保护电路, - y e p 关闭各路输出，当任何一路输出出现过或欠压故障并长达 0 5 s 时，保护电路则关闭各路输出。试验台要检测z 1 5 7 是否具有上述性能。 首先介绍1 1 0 y i s v ，2 4 y 斩波电源工作原理，方框图见图2 8 。 图2 8 1 1 0 v 1 5 v 、2 4 v 斩波电源方框图 1 6 出 武汉理工大学硕士学位论文 1 l o v 直流供电电压经过开关s 1 保险f l 后，送至l c 滤波器，从而获得一个 比较平稳的没有外界干扰的直流电压，该直流电压通过开关的开通合关断控制， 使得变压器原边获得一个l o o k h z 的推挽方波电压。通过耦合，变压器的两次 边绕组是亦获得电流方波电压，两组电压经过各自的的整流滤波电路从而分别 获得i s v 及2 4 v 直流输出。由于两路输出之间是靠电感耦合的，所以再对1 5 v 输出电压进行反馈调整的情况下，2 4 v 输出也能获得比较理想的精度。u 1 ，u 2 为 安装于电源版面受上的两块电压表，其作用可使用户随时对输出电压进行观察。 电压调节环节将i s v 输出电压的偏差值进行放大，并送至脉宽调制驱动电 路，该电路根据偏差电压的大小自动调整送至开关关脉冲宽度的大小，从而实 现1 5 v 输出电压的稳定。同时1 5 v 输出电压又送至1 5 v 过、欠压检测电路，而 2 4 v 输出电压送至2 4 v 过、欠压检测电路，这两种检测电路检测到的故障信号 同送至过、欠压保护执行电路，然后再送至延时0 5 s 执行电路。当任何一路输 出出现过压或欠压故障并维持o 5 s ，执行电路便永久地送出一个关闭信号至脉 宽调制驱动电路去关闭开关管的脉冲，使电源不能输出电压。此后若想使电源 正常工作，必须断开开关s i ，然后再重新闭合s l 。此时电源又可获得电压工作。 辅助电源直接由1 i o v 输入电源供电，经串联线性稳压电路送出一个1 0 8 1 3 1 v 地辅助电压给脉宽调制驱动电路及延时0 g s 执行电路供电，另一方面辅 助电压和电源输入同时送入过、欠压及辅助电源欠压检测电路之中去进行检测。 故障时，该电路则送出一信号至脉宽调制驱动电路去关闭送给开关管的脉冲， 从而停止向外供电。 整流管电流检测电路( 或开关管) 电流检测电路时i s v 输出整流管( 或开 关管) 中的电流进行检测。当i s v 输出整流管( 或开关管) 中的直流达到给定 值时，脉宽调试驱动电路自动减小送至开关管的脉冲宽度。从而限制i s v 输出 整流管( 或开关管) 中的电流，即实现对1 5 v 直流输出回路的过流保护( 或2 4 v 直流输出回路的近似过流保护) 。 ll o v 4 8 v 斩波电源的工作原理与1 1 0 v 1 5 v 、2 4 v 工作原理完全一致。 z 3 3 在电子控制柜中，为电子柜供给所需电源，该插件输入为i i o v 直流电 压，经斩波整流，分别产生5 v 、1 5 、+ 2 4 v 直流电压。控制及保护模块采用 s m t 工艺“。控制原理和z 1 5 7 一致。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第三章试验台系统结构及方案 3 1 系统简介 通过为待测对象提供其需要的可调输入电压，模拟待测对象工作状况，通 过调节待测对象的输入电压，再用数字仪表监视主电路输入电压值。由模数转 换芯片采集各路的电压值信号，用计算机将该信号转换处理后显示并且用打印 机记录。观察被测试对象的输出，检测被测试电源插件是否具有应有的性能。 电源综合柜试验台由电源板测试用强电电路、计算机系统、数字显示仪表、插 件箱、整箱测试航插等部分组成。其中电源板测试用外围强电电路和计算机系 统为核心部分。试验台的系统结构如图3 1 所示： 图3 - - 1 试验台的系统结构框图 自耦调压器“o 可同时为触发板和两块斩波板提供电源。自耦调压器输出的 电压一路经过隔离变压器后为触发板的主电路提供交流电源：另一路经过隔离 变压器后再经过整流桥，将交流电交为斩波援所需要的直流电源；从雨可以通 过调节自耦调压器的调节手柄来调节触发扳和斩波板输入电压。可以满足各电 源板的试验条件，可以测试电源板在一定电源电压范围内工作时的输出电压是 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 否稳定，即可以判断待测电源板功能性能是否满足设计要求。自耦调压器比较 大，为了方便操作可以独立安装在试验台操作平台上( 如图3 4 ) 。 设计电位器调压旋钮，通过改变电位器阻值调节电压，来调节z 1 5 8 的反馈 电流大小，可以测试z 1 5 8 是否具有限流作用。设计在操作面板如图( 3 2 ) 上。 设计过载输入按钮，输入开关量。按下按钮，输入开关量，通过光电隔离 电路“”然后驱动继电器，控制负载电阻切换至过载电阻。可以检测z 1 5 7 和z 3 3 在过载情况下是否具有保护功能。过载输入按钮可以设计在操作面板上。 设计测试按钮。输入开关量。按下按钮，输入开关量，通过光电隔离电路 然后驱动继电器，负载电阻为正常工作状态( 非过载状态) 。进而可以调节自耦 调压器，来改变z 1 5 7 、z 3 3 的输入电压，检测z 1 5 7 和z 3 3 在过载情况下是否具 有保护功能。过载输入按钮可以设计在操作面板上。 各路电压值由智能数字电压表直观显示，数字电压表安排在正面板上( 如 图3 4 ) ，测试人员可以方便的进行读数测试。 计算机系统完成模数转换、记录