（电机与电器专业论文）真空断路器永磁操动机构电源系统的设计.pdf

真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 d e s i g no np o w e rs u p p l ys y s t e mo f p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rf o r v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mi nc h i n a , t h ed e m a n do fe l e c t r i c a lp r o d u c t i o ni s b e c o m i n gm o r er i g o r o u s a sa l li m p o r t a n tp a r to fp o w e rs y s t e m ，v a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri sn o e x c e p t i o n n o w a d a y s ，t h ev a c u u mc i r c u i b b r e a k e ri st u r n i n gt o w a r dt ot h eh i g hv o l t a g e ，t h e m i n i a t u r i z e dd i r e c t i o nd e v e l o p s ，i nv i e w o ft h i st e n d e n c y , d o m e s t i ca n df o r e i g ne l e c t r i cp o w e r p r o f e s s i o nd e s i g nn e wt y p eo fv a c u b i nc i r c u i t - b r e a k e r a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n t o f n e wv a c u u l nc i r c u i t - b r e a k e rr e q u e s t st h ea d e q u a t er e l i a b i l i t y , t h el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h e m i n i a t u r i z e do ft h ee l e c t r i c i t ys o u r c c a st h ep o w e rs y s t e mf o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r , p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r , w h i c hi sp r i n c i p a l l ya c c o m p l i s h e st h ef u n c t i o no fo p e n i n g , c l o s i n go p e r a t i o n , i sm a i n l yu s e di nd e s i g no f n e wt y p ev a c u u mc i r c u i t - b r e a k e r i nt h es y s t e m ， p o w e rs u p p l yu s e st h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf o rt h ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o rc h a r g i n g e l e c t r o l y t i cc a p a c i t o rt r a n s f e r st h es t o r e de n e r g yt ot h ec o i lo ft h es y s t e m a n dt h ed e s i g na n d t h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l yi np e r m a n e n tm a g n e t i s ms y s t e mi sc o r et e c h n o l o g yw h i c hc a n s p r e a di n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lm o d eo f t h ef o r w a r d ， f l y - b a c k ，h a l f - b r i d g ea n df u l l - b r i d g ed c - d cc o n v e r t e r a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o n ，f l y - b a c k c o n v e r t e rh a sb e e nc h o s e na sac h a n g i n gp o w e r t h r o u g ht h ef o r m u l ao ff l y - b a c kc o n v e r t e r s d e d u c t e df o rd y n a m i cs t a t ep r o c e s sw i t hl a r g ec a p a c i t i v el o a d s ，i tf u l l ye x p l a i n st h es u p e r i o r i t y o ft h ec u r r e n tp o w e rs u p p l y f u r t h e r m o r e ，t h e o r e t i c a lb a s i si sg i v e nf o rt h ed e s i g no fc a p a c i t o r c h a r g ep o w e r a c c o r d i n gt ot h em e t h o do fg e t t i n gt h ep o w e r o nl i n ef o rt h es y s t e m ，p o w e r i n d u c t i o nc o i li su s e d t h ew o r kp r i n c i p l eo fp o w e ri n d u c t i o nc o i li sa n a l y z e da n da c c o r d i n gt o s u c has p e c i a lc o n d i t i o n , t h ee m p i r i c a lf o r m u l ah a sb e e ni m p r o v e m e n t b a s e do nt h e t h e o r e t i c a l ，an e wm e t h o do fd e s i g ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i nh a r d w a r ep a r t ，t h e a r r a n g e m e n to f p o w e rs y s t e m ，c h a n g i n gp o w e r c i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nd e s i g nr e q u i r e m e n t 1 1 1 em a j o rp a r a m e t e r so fc h a n g i n gp o w e ra n di n d u c t i o nc o i la r es h o w ni nt h ep a p e r t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ep r o t o t y p ep o w e rs y s t e mi si n s t a l l e da n da d j u s t e d 1 1 1 e w o r k i n gs t a t eo fp o w e ri n d u c t i o nc o i l a n ds y s t e mp r o t e c t i o nc i r c u i ta r ec h e c k e d ；k e y w a v e f o r m so fc h a r g i n gp o w e rs u p p l y , c h a n g eo fv o l t a g eo nt h ec a p a c i t o ra n dr i p p l eo fv o l t a g e a r es h o w n w ec a nd r a wac o n c l u s i o nb ye x p e r i m e n t a t i o nt h a tf l y - b a c kc o n v e r t e ri ss u i tf o r 大连理工大学硕士学位论文 c h a r g i n gc a p a c i t o r sw i t hv e r yl o wi n p u tv o l t a g e t h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp e r m a n e n t m a g n e t i cp o w e rs y s t e ma r ep r o v e d k e yw o r d s - p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ；f l y - b a c kc o n v e r t e r ；s w i t c hp o w e rs u p p l y ； p o w e ri n d u c t i o nc o l i i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：壅窒勃丝塑垒盗盗幽竺! 垦蟹落纱 7 7l 纱 ， 作者签名：笠圣日期：! 仝年生月兰日 导师签名 ： 幽叁 日期： 叟2 年鱼月乒尘日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 进入2 0 世纪以来，伴随着我国的经济发展和人民文化生活水平飞跃式的进步与提 高，电力的需求量也便日益加大。近几年来这种趋势尤为突出，因此，电网的不断扩大， 用户对供电质量和供电可靠性要求也越来越高。 断路器是电力系统中十分重要的电气设备它起着开断和关合正常与故障路的作用， 其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。在目前用于中压断路器的操动机 构主要的机构有弹操动机构和电磁式操动机构。但是电磁操动机构的缺点是操作电流 大，使用不方便。相比之下，弹簧操动机构能够获得较高的合闸速度，但是其零部件多， 工艺要求高。而近年来，一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机 构( 简称“永磁机构”) 备受关注。和传统的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一 种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故 障源少，具有较高的可靠性。相关文献介绍了永磁机构的工作原理，且提出了基于光控 模块的电源及控制系统多断口智能真空开关解决方案【l 】。 目前国内外研究新型的断路器日渐成为热点。新型真空断路器面向着高压化、高可 靠性、小型化发展，而新型真空断路器采用的机构大多数采用永磁机构。所以研究高压 空断路器永磁机构电源系统对于保证供电的可靠性、稳定性，改供电质量，切实提高企 业的经济效益和工作效率具有重要意义。 1 1 永磁机构发展与现状 永磁体在开关上的应用并不新鲜。它很早就在开关的脱口器中得到应用。2 0 世纪 6 0 年代中期就有人试图发展永磁机构，由于当时还没有合适的永磁材料，并没有制造出 具有商业价值的永磁机构。2 0 世纪8 0 年代出现了钕铁硼永磁材料具有极高的磁能积、 很高的矫顽力和剩磁；真正为永磁机构的发展创造了必要的条件的是稀土永磁材料的发 现。国外永磁机构技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末。1 9 8 9 年英国曼彻斯特大学( n e u n i v e r s i t yo f m a n c h e s t e r ) 系统与能量组为g e c 公司设计了一台永磁机构模型；1 9 9 5 年 英国的w h i p p & b o u r n e 公司进一步改进了结构；1 9 9 7 年a b bc a r l o re m a g 开关设备公司 在德刊上介绍了他们最新研制的v m l 型配永磁机构的真空断路器，接着于19 9 8 年在汉 诺威博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。a b b 公司的v m l 所配永磁 机构是一种双稳态双线圈结构，采用电容器作为充放电元件，可以实现重合闸操作【2 1 。 采用同样的工作原理、由英国i p e c 公司开发的用于中压开关装置的电磁驱动器 ( m a g a c t ) 也于几年前推向市场。该产品为系列化产品，保持力的范围1 0 0 0 1 0 0 0 0 n 。 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 与a b b 公司产品不同主要是因为该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时 所需的电能大为降低。在那以后a b b 公司又开发出的基于永磁机构的同步中压断路器。 国外其它一些开关制造企业也纷纷推出了新产品。如法国a l s t h o mt & de i bs a 公司推 出的中压断路器用的非对称磁力操动机构等等。 在国外永磁机构发展的大浪潮下，国内很快开发出了具有自主产权的永磁机构真空 断路器v s m 型真空断路器。该断路器的特点有零部件少、结构简单、可靠性高、 寿命长( 机械寿命高达1 0 万次) 、免维护等。外绝缘采用固体绝缘，利用环氧树脂固 封技术将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机的组合成为一个集成固封极柱，成 功地解决了真空断路器的环境耐受问题。二次控制回路采用集成化电子控制模块，电源 输入范围宽，传感器检测开关位置，输入输出光隔离，功耗低，可靠性高。由于全面采 用了上述高可靠技术，使永磁机械真空断路器成为真正意义上的免维护智能化断路器。 1 2 电容充电电源 永磁机构中重要组成部分便是它的能源，即电源系统。它在永磁机构中充当给其中 的分、合闸线圈通电，产生电磁吸力并驱动铁心运动，如想达到一定运动速度，分、合 闸线圈必须达到一定的励磁安匝数。电源系统需要在比较短的时间内为永磁机构中的线 圈提供给较大的脉动电流。如此一来，设计一个大电流的脉冲发生器是不经济、不合理 的，并且脉冲发生器结构杂，体积庞大，对于电源系统的设计要在可行性与可靠性以及 电源效率，多方面来综合考虑。 1 2 1基于永磁机构电源解决方案 较短的时间内获得较大的脉动电流，目前有两种方案可供选择。其一是采用电容器； 其二是采用蓄电池直接供电。这两种方案均可获得满意的结果。然而，蓄电池作为电源 需要考虑诸如过充电、过放电以及蓄电池的老化与维护等等问题，充电线路及保护电路 较为复杂。 用电容器作为电源与可充电蓄电池电源比较，具有许多的优点。比如电容的充、放 电周期几乎是无限的。电容器在使用中不存在化学污染或电极氧化问题，理论上可经受 无限次短路，并且当其放电至任意电平时都不会受到损坏。电力电容器的充电时间短， 充电电源结构可以简单。在此优点的基础上，电容器还可以很容易地并联使用，而不会 产生并联电池之间偏置电流那样的侧流效应问题。因此，户内永磁机构中的电源设计最 经济的方法是采用电容放电的方式。对于户外柱上的真空断路器，现场电源解决困难等 等问题的存在，推荐采用蓄电池或蓄电池加电容器配合使用的其他方式【3 】。在蓄电池的 大连理工大学硕士学位论文 充电电能来源方面，为了符合电器智能化、免维护化的趋势与方向。推荐使用感应线圈 直接从电网中取得电能。 1 2 2 电容充电器的种类介绍 电容充电器形式与拓扑结构的选择直接影响到了电容的充电效率与整体设备的可 靠性。目前电容充电器分为三大种类：带充电电阻器的高压直流电源、谐振充电电源、 高压变换器充电电源。 ( 1 ) 带充电电阻器的高压直流电源：电源相当于一个恒压电源如图1 1 ，为了限制给 电容充电时的短时的短路电流效应必须要在线路中加上限流电阻r 。当电容器c 的电压 等于电源的输出电压时，充电结束。此充电器结构简单、可靠、成本低。但是效率特别 低下，在理想状态下，充电过程中消耗在充电电阻上的能量与电容器的储存能量相同【4 】， 因此只有5 0 。 k 一厂 1 。_ j 高压 直流 电源 图1 1 高压直流电源 f i g 1 1h i g hv o l t a g ed ec h a n g i n gp o w e rs u p p l y +一 奉 图1 2 谐振充电电源 f i g 1 2r e s o n a n tc h a n g i n gp o w e rs u p p l y ( 2 ) 谐振充电电源：如图1 2 所示。谐振充电电源的原理是交流输入电源利用变压 器升压，经过整流后被电容器c 滤波，产生高压直流电压砜。晶闸管互出发后电流经 过电感l 和二极管d 1 ，从c 向c 1 传递能量。该技术简单有效，但是对于高电压可能需 要多个晶闸管串联，大容量的c 会提高成本。输出电压也会受到电容器漏电的影响与漂 秽5 1 。 ( 3 ) 高频变换器充电电源：高频变换器是利用一连串的脉冲或者是脉冲链给电容充 电，而不是单一的信号。因此它的输出电压稳定度得到良好的提高。变换器也可以工作 在然开关状态，技术先进而且损耗小、谐波分量小、频率高、储能元件体积小。 对于以上电源类型的分析和总结，本文是由感应线圈从电网母线中直接取得电能给 蓄电池充电，蓄电池应该经过升压变换器转化为高压，给电容充电。基于上述条件，只 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 有高频变换器充电电源适合本设计的要求。在此基础上，有的文献曾经使用单端正激式 电源，和推挽式电源作为供电系统【3 1 。对于高压取电感应线圈的研究相关的文献甚少。 1 3 开关电源技术的发展 目前来讲广泛应用的稳压器件，电源等可分为线性电源和开关电源。 2 0 世纪6 0 年代以前，人们普遍采用的就是线性调节器式直流稳压电源，即线性电 源。它是由一个工作在线性区的晶体管与负载串联构成，通过串联调整管可以连续控制 晶体管相当于一个可变电阻，它由分压电阻组成的分压器对输出电压进行采样，然后把 采样电压输入到误差放大器与才考电压进行比较，最后由误差放大器输出的电压经过电 流放大器去驱动串联的功率晶体管。但是这种直流电源的缺点是智能降压不能升压。而 且它的输出与输入之间有公共端，通常需要另加电流来实现输出与输入的隔离，并且很 多场合必须有体积庞大的工频变压器的配合。 取代线性调整器的开关型调整器早在2 0 世纪6 0 年代就开始应用。它将快速通断的 晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例来控制输出直流电源的平均值。该平均 电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压【5 】。使用合适的 l c 滤波器，可以将方波脉冲平滑成无纹波的直流电压输出，其值等于方波脉冲电压的 平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，以稳 定输出电压不受输入市电电压波动和负载变化的影响【6 j 。 1 9 5 7 年第一只可控硅被发明后，可控硅取代了笨重而且效率低下氧化亚铜整流器 件，可控硅整流器同时也被广泛的应用与通信设备的一次电源使用。在随后的2 0 年内， 可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进。直到7 0 年代，许 多国家还在各个领域大量使用可控硅整流器。但是相控电源工作在工频状态，有庞大笨 重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，稳压精度也较低。因此，自1 9 4 7 年 肖克莱发明晶体管【7 1 ，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案，随后的几年内 对晶体管的质量和性能不断完善提高。1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡 推挽晶体管单变压器直流变换器开始了高频转换电路的新纪元。在此基础上，1 9 6 4 年， 美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在n e c 杂志上发表了 “脉宽调制应用于电源小型化 等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一 条根本途径。随着大功率硅晶体管的耐压参数和反向恢复时间参数缩短等性能的改善， 1 9 6 9 年终于做成了2 5 k h z 的开关电源。开关电源技术的这一新的发展，从开关电源的 电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发 大连理工大学硕士学位论文 出了单端贮能式反激电路、双端反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、 半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在脉宽调制芯片方 面，1 9 7 6 年美国硅通用公司第一个做出了型号为s g l 5 2 4 的脉宽调制( p w m ，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积。 在随后的几年中，大功率晶体管和功率场效应管相继被研制出来，其电压、电流额定值 大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加【8 】。到8 0 年代中后期，绝缘栅双极 性晶体管( i g b t ) 已研制出来并投入了市场。随着微电子学的发展和元器件生产技术 的提高，相继开发出了耐压高( 4 0 0 5 0 0 v ) 的功率场效应管和高电压、大电流的绝缘栅晶 体管，具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能 的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的 提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。在9 0 年 代研制出准谐振开关变换器( q r c ，q u a s ir e s o n a n tc o n w ，r t e r ) 和多谐振变换器( m r c ， m u l t ir e s o n a n tc o n v e r t e r ) ，日本九洲大学原田( 耕介) 研究室、美国佛吉尼亚理工学 院等在这方面的研究尤为突出，研制了功率密度为3 w c m 3 ，开关频率从2 5 3 8 5 m h z 、 效率达8 0 - - 8 3 的多谐振变换器【9 】。这种变换器的优点是实现了软开关，降低了开关损 耗，可以吸收电路的寄生参数，而且几乎不产生电磁干扰。缺点是输出同样功率时，比 p w m 方式的电压、电流值大，对开关器件要求较高，而且工作频率随输入电压和负载 变化有一定的变化范围，不便设计输出滤波电路的参数【l o 】 科技在不断的发展，电子产品器件更新换代日新月异，开关电源也在向着轻、小、 薄、高频化、集成化、模块化的方向发展】。为了缩小电源的体积，提高效率，必须提 高p w m 的工作频率，研发新型的、轻便的电子元器件，尤其是电容。但是一味的追求 高频化会带来噪声以及电磁干扰( e m i ) ，伴随着反对电磁污染的呼声越来越高，开关 电源的发展要走绿色化道路目前开关电源的e m i 研究已经成为一大热点话题。 1 4 本文研究的意义 国内的断路器操动机构中，弹簧机构仍然处于不可替代的地位，但是其诸多的弊端 与特性改变不了其将被取缔的未来。然而永磁机构的逐渐走向成熟也必然要求其电源系 统的技术向前发展。永磁机构的电源系统的发展是电力电子、高电压、屏蔽抗干扰以及 电磁等多个学科技术的发展为前提的，开关电源的技术相对成熟，但是应用于高压电器 领域与容性负载方面并不多见，许多问题仍然需要探索和解决。然而电源感应线圈在特 殊状况下的工作情况理论支持甚少，对于饱和即其饱和的磁导率特性仍然没有清晰的数 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 学模型。针对目前永磁机构中电源系统的发展需求，本文开展了永磁机构电源系统的设 计，以及相关理论的研究。 本文首先介绍了电容充电电源技术以及开关电源的相关研究。开关电源技术以它高 效率、低功耗等等诸多优势成为容性负载的首选结构。但是，在实际制作中电源系统存 在着两个亟待解决的问题：一是在诸多开关电源拓扑结构中，如何正确的选择所需要的 电源模型，从而减小电源的体积和重量，提高可靠性；二是如何合理解决在线取电的问 题，使永磁机构的电源系统真正的成为免维护、自给电能的智能化电源系统。 本文以这两个问题为中心，首先从理论研究出发，详细分析了各个隔离式开关变换 器的原理，并且将反激变换器作为充电电源，反激式开关电源是电流型的电源变换器， 有着其他变换器不具备的特性与优点，根据反激变换器的原理推导了电容充电过程的计 算式。同时历经多次试验来研究电源感应线圈在小负载情况下的电流电压关系，给出针 对本设计的经验公式的改进公式。最后设计一台永磁机构的电源系统。该电源系统的研 制，为该领域的发展提供有力的技术指导；对容性负载电源、互感器等磁性元件的理论 研究提供一定的理论支持。 本文得到了辽宁省科学基金( 2 0 0 6 1 0 6 1 ) 的支持。 1 5 本文的主要研究工作 论文的全文共分五章，主要研究工作包括： 第一章阐述本研究课题背景、研究意义和主要内容。 第二章对比常用离线式电源拓扑，确定了使用单端反激变换器作为电源拓扑。推 导了容性负载条件下单端反激开关变换器的工作原理。 第三章分析了电源感应线圈的工作原理，建立了电压输出与母线电流变化关系模 型。 第四章提出了在线供能系统的结构，并设计电源感应线圈、蓄电池保护及其浮充 电路、电容充电电路。 第五章对永磁机构电源系统做出测试并分析试验结果。 大连理工大学硕士学位论文 2电源的工作原理与理论分析 2 1 引言 在进行设计之前，有必要分析并确定开关电源的各类拓扑结构。设计中电源的作用 是电容充电之用，所以在进行设计时，分析电容充电过程的原理也是十分重要的。以分 析开关电源的动态过程为主是本电源区别与其他开关电源设计的主要特点，从这一点来 看，此设计应当属于特种电源的范畴。 2 2 隔离式变换器的工作原理与比较 为了满足电容充电的需求，电源的功率大约在i o o w 左右( 详细见第三节分析) 。 开关电源在设计电源方案时均考虑体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波小 的特点。为了电源系统小型化的需求，电源的输入采用1 2 v 蓄电池，输出要求3 5 0 v 至 4 0 0 v 之间连续可调，这样便要充分考虑原边与副边的隔离，首先要选择隔离式变换器。 每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但是输出功率受到限制；有的可 以输出足够的功率，但是成本比较高。在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但 只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。下面通过分析正激、半桥、全桥、推挽等 隔离式变换器拓扑，分析其工作原理，试图找到适合本设计的电源拓扑类型。 2 2 1 正激电路 正激电路原理图如图2 1 所示。 喝l v l 一 ， = j 卜2 v d 2 2 ， 图2 1 正激电路原理图 f i g 2 1 f o r w a r dc o n v c r t o fc i r c u i t 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 电路的工作过程：开关s 开通后，由于原边电压的方向，变压器绕组m 两端的电 压为上正下负；从变压器是同名端位置可以看出，副边绕组2 两端的电压也是上正下 负。此时喝处于通态，v d 2 为断态，电感l 的电流逐渐增长关断后，电感l 通过续流， 喝关断，关断后承受的压为： 虮= ( + 期u 汜1 ， 变压器的磁芯复位：开关s 开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加 而线性的增长，直到s 关断。s 关断后，初级绕组和次级绕组没有电流流过，此时变压 器通过复位绕组进行磁复位( 见图2 2 ) ，励磁电流从复位绕组3 经过二极管惕反馈到输 入电源中去，变压器的磁芯复位时间为： o ：等乙 ( 2 2 ) o 。磊乙 ( 2 2 ) 输出电压在电感电流连续的情况下的表达式： 虬= n t 丁。n u ， ( 2 3 ) 输出电感电流不连续时，输出电压。将高于上式的计算值，并随负载减小而升高， 在负载为零的极限情况下，输出电压为： 虬= 等 ( 2 4 ) 5 一乙一 l 一 r t钐黝l 一 雏 蕊沁心 l t。一一一= 1 2 图2 2 磁芯复位过程原理图 f i g 2 2 b a s i cd i a g r a mo fm a g n e t i cc o r er e c o v e r y 大连理工大学硕士学位论文 s d 图2 3 正激电路电压波形 f i g 2 3v o l t a g ew a v e f o r mo ff o r w a r dc 0 1 1 v e r t c r 基于此变换器的工作原理与特点，该电路存在一些固有的缺陷：变压器体积大，损 耗大；开关器件电压应力高，而且在高压下，正激变换电路在输出滤波电感要承受高电 压，这会带来很多问题。 2 2 2 推挽电路 推挽电路如图2 4 所示。 图2 4 推挽电路原理图 f i g 2 4 p u s hp u l lc i r c u i t 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 电路的工作过程推挽电路中s 、s 2 两个开关和交替导通，在绕组m 和2 两端分别 形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 s 导通时，二极管v d , 处于通态，电感l 的电流逐渐上升。& 导通时，二极管峨 处于通态，电感l 的电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，v d , 和v d 2 都处于通态， 各分担一半的电流。s 和s 断态时承受的峰值电压均为2 倍阢。& 和最同时导通，相 当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。 当滤波电感l 电流连续时，输出电压： 丝：丝盗 u in tt 当输出电感电流不连续时，输出电压将高于上式的计算值， 高，在负载为零的极限情况下，输出电压： 2 瓮q s - s 2 d k r r jl 一 l l 1 一 。 f l 2 u t 2 u , i 图2 5 推挽电路的波形 f i g 2 5v o l t a g ew a v e f o r mo fp u s hp u l lc i r c u i t ( 2 5 ) 并随负载减小而升 ( 2 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 推挽式变换器结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的 功率开关管每次只有一个导通，导通损耗小。但是，变压器带有中心抽头，而且开关管 的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生 较大的电压尖峰；另外，推挽式变换器容易产生偏磁现象。 2 2 3 半桥电路 半桥变换器电路如图2 6 所示 ? 二 一c n 二 彤_ = 巧| 2 2 6 半桥电路原理图 f i g 2 6h a l f - b r i d g ec i r c u i t 电路的工作过程：开关管导通，截止时， c 1 & f r o 寺u , 加在原边绕组上，使电 源电压从寺v 跳至。电源经变压器的原边绕组i v , 向电容c 2 充电。由于出现在c 2 两端 电压丢u 不能跃变，这样，就会在1 中形成丢q 的感应压降。在此时向c 2 充电的电流 线性增长【1 2 】。在此器件，变压器副边绕组的电动势也均是上正下负，故整流二极管喝 导通，v d 2 反偏置截止。这样干生电压通过喝向负载供电。同样当是导通，s 截止， 副边的感生电压使峨正偏，向负载供电。这样两只管子轮流导通，如此循环往复的工 作。 在设计时应该注意管子的死区时间，即s 、岛同时导通，这将引起短路。 半桥变换器的输出电压： = 筹 ( 2 7 ) 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 桥式拓扑的一大共同优点是，能将变压器初级侧的漏感剑锋电压钳位于直流母线电 压，并将漏感储存的能量归还到输入母线，而不是消耗在电阻与原件。由于它的管压低， 高通流量，高占空比使桥式拓扑适合应用在高功率场合。在表2 1 中可以看出。 s ， f 舯 0 r jb r l 、广j 一 图2 7 半桥电路波形 f i g 2 7v o l t a g ew a v e f o r mo f h a l f - b r i d g ec i r c u i t 2 2 4 全桥电路 全桥电路如图2 8 所示。 ， ， q ，u 。 ， 大连理工大学硕士学位论文 工 喝2【j【嗡 二n 。 卜噬 峨22v d 4 图2 8 全桥电路原理图 f i g 2 8f u l l - b r i d g ec i r c u i t 电路的工作过程全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下 两开关交替导通，其主边绕组施加的是幅值为配的方波电压，而非半桥变换器的丢。 l l f o n l ii r 一 魄l 臼 - ， p “一e 尘= 釜! “ d l 图2 9 全桥电路的波形 f i g 2 9v o l t a g ew a v e f o r mo ff u l l - b r i d g ec i r c u i t ， ， q ，q， ， 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 当s 与墨开通后，二极管圜和v d 4 处于通态，电感l 的电流逐渐上升& 与墨开通 后，二极管v d 2 和v d 3 处于通态，电感l 的电流也上升。当4 个开关都关断时，4 个二 极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感l 的电流逐渐下降。s 和& 断态时承 受的最高电压为。如果s 、瓯与岛、& 的导通时间不对称，则坼中将含有直流分量， 会在变压器一次侧产生很大的直流电流，这样会很容易造成磁路饱和，因此全桥电路应 注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 滤波电感电流连续时，输出电压： 输出电感电流断续时，输出电压： 一u o ：丝益 u tn 1t 2 等 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 全桥变换器初级施加的电压就为电源电压u ，而非半桥的圭q ，但是其开关管承受 相同的关断电压。它是目前被认为可以输出功率最大的一种拓扑结构。但是它的结构复 杂，不适合小功率变换器，而且要用体积硕大的脉冲变压器【1 3 】。 表2 1 总结了各种各样的拓扑及其相应的特点。 表2 1 电源变换器参数对比 t a b 2 1 t h ep a r a m e t e r so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 拓扑功率范围w 圪( d c ) 范围v 典型效率( )相对成本 正激电路 0 1 5 05 5 0 07 81 4 反激电路 o 1 5 05 5 0 08 01 2 推挽电路 1 0 0 1 0 0 05 0 1 0 0 07 5 2 o 半桥电路1 0 0 5 0 05 0 一1 0 0 0 7 52 2 全桥电路4 0 0 2 0 0 0 + 5 0 1 0 0 07 32 5 从上表可以看出反激和正激式变换器处在适合的功率范围内，推挽、桥与全桥拓扑 应用在大功率，而且电路庞大，造价高。正激变换电路在输出滤波电感必须要承受高电 压，而在输出为4 0 0 v 的电压下，这会带来很多问题。另外考虑到给电容充电应该选择 恒流源而不是恒压源。以上拓扑除了反激变换器外均可看为恒压源，恒压源为大容量电 大连理工大学硕士学位论文 容充电时电路中电流大，相当于短路，充电过程缓慢，且易损坏。综合考虑，反激式变 换器为最优选择。同时选择反激式变换器的优势还有： ( 1 ) 反激开关电源器件少，省去了输出滤波电感； ( 2 ) 反激式变换器适合应用在功率为1 0 0 w 左右的开关电源，效率高，达到8 0 ； ( 3 ) 电源的输入电压为1 2 v 左右，输入电压比较低，对开关管的电压要求低，易于 实现小型化； ( 4 ) 反激变换器不需要高压续流二极管，使它在高压场合下应用更为有利： ( 5 ) 电能通过反激变压器将能量传递给副边，对于原边相当于恒流充电，效率高， 安全性好【1 4 】。 2 3 反激变换器工作原理 图2 1 0 给出了反激式p w md c d c 变换器的主电路及其工作波形，它是由开关管 v 、整流二极管d l 、滤波电容c ，和隔离变压器构成的。开关管v 按照p w m 的方式进 行工作。变压器有两个绕组，初级绕组彬和刺激绕组暇，两个绕组是紧密耦合的。图 中的开关管v 导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容c ，提供；开关管v 管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容c ，以补偿电容单独提供 负载电流时所消耗的能量。 图2 1 0 反激变换器原理图 f i g 2 1 0f l y - b a c kc o n v c i t c tc i r c u i t 同许多电源拓扑形式一样，反激变换器有两种基本工作方式，即电感电流连续模 式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，c c m ) 和电感电流断续模式( d i s c o m i n u o u sc u r r e n tm o d e ， 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 d c m ) 工作方式。自感电流连续是指输出滤波电感的电流总是大于零，电流断续是 指在开关管关断期间有一段时间自感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作 边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断末期，自感的电流刚好降为零。 这两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。 2 3 1d c m 模式下的反激变换器原理与基本关系 ( 1 ) d c m 模式下的反激变换器原理 开关模式1 ( o 瓦) ；见图2 1 1 图2 1 1 反激变换器的开关模式1 f i g 2 11f l y - b a c kc o n v e r t 睨 c i r c u i to fm o d e1 在t = - o 瞬间，开关管v 导通，电源电压加在变压器初级绕组上，此时，在次 级绕组中的感应电压为z ，。：= 一鲁u ，其极性q ”端为正，使二极管d l 截止，负载 电流由滤波电容g 提供。此时，变压器的次级绕组开路，只有初级绕组工作，相当于 一个电感，其电感量为厶，因此初级电流f 。从最小值础开始线性增加，其增加率为： 生：堡 ( 2 1 0 ) d t 厶 。f = 乙时，电流f 口达到最大值一。 厶一专见正= 静见 ( 2 大连理工大学硕士学位论文 在此过程中，变压器的铁心被磁化，其磁通矽的增加量为： 咏，= 矗见 汜 开关模式2 ( 乙五) ；见图2 1 2 图2 1 2 反激变换器的开关模式2c a ) f i g 2 12f l y - b a c kc o n v e r t e rc i r c u i to fm o d e2 ( a ) 在f = 乙时，开关管v 关断，初级绕组开路，次级绕组的感应电动势反向，其极性 “”端为负，使二极管日导通储存在变压器磁场中的能量通过二极管d 2 释放，一方面 给电容c ，充电；另一方面也向负载供电。此时只有变压器的次级绕组工作，相当于一 个电感，其电感量为厶。次绕组上的电压为“。：= u o ，次级电流从最大值l 一线性下 降，其下降速度为： 堕：丝 ( 2 1 3 ) = = oz 1 j 出 厶 在某一时刻，f = 疋时，电流f 。下降到0 。 在时n t = ( z 一c ) 时，下降到零，输出电流由电容c 提供。如图2 1 3 真空断路器永磁操动机构电源系统的设计 图2 1 3 反激变换器的开关模式2 ( b ) f i g 2 13f l y - b a c kc o n v e r t e rc i r c u i to fm o d e2 0 , ) 在此过程中，变压器铁心去磁，其磁通矽也线性减小。磁通矽的减小量为： 咴一) 2 蚩( 1 一见) i ( 2 1 4 ( 2 ) d c m 模式下的基本关系 在v 导通时，所有绕组同名端的电压相对于异名端为负；输出整流管d 反偏，c ，单 独向负载供电。v 导通期间，的电压恒定，其电流线性上升，斜率为z a , = 屹l p 。 此时变压器储存的能量为： e ：垡丝( 2 1 5 ) 2 v 关断时，励磁电感的电流使各绕组电压反向，则由于电感电流不能突变。在v 关 断的瞬间，变压器次级电流幅值为： l =