（机械电子工程专业论文）用于光电互感器的激光供能系统研究.pdf

哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 摘要 随着超高压输电网络的建设，传统的电磁式电流互感器很难满足电力系统 发展的进一步要求。因此研究以混合式光电电流互感器为代表的可靠的、新型 的高精度电流互感器就成了大势所趋，而其研制技术的关键是电流互感器的供 电问题。 本论文对国内外关于光电电流互感器的研究状况，特别是光电电流互感器 的供能电路的研究现状作了比较全面的介绍。针对有源式光电电流互感器的供 电问题，提出了一种基于反馈式激光供能的新方法。采用大功率激光器( l d ) 做 为光源，通过光纤将激光能量传输到高电位侧的光电池，再由光电池进行光电 转换，为互感器提供电能。同时，设计了智能监控电路，将光电池的输出功率 及互感器的工作电压反馈给低压侧，从而构成了一个闭环反馈系统。 大功率激光光源采用了自动电流控制( a c c ) 和自动温度控制( a t c ) 技术。 为使激光器的输出稳定，激光器的供电电路必须是低噪声的稳定恒流源。a c c 恒电流驱动是以大功率的场效应管为核心，通过l d 电流反馈控制回路来驱动 电流。由于半导体激光器的工作温度对其工作特性影响很大，所以为保证器件 性能的稳定及使用寿命，本系统使用了外部致冷器来控制激光器的二 作温度。 为避免激光器不因浪涌冲击而损坏，设计中增加了l d 的浪涌保护电路。 本论文在深入研究光电池特性的基础上，设计了光电池电压自举电路，以 保证光电池始终工作在效率最高点附近，解决了光电池的输出电功率随负载变 化而变化的问题。并利用电池智能监控器对光电池输出的电压、电流及互感器 的工作电压进行监控，通过电一光转换和光一电转换模块来解决高低压侧之间的 数据传输问题，减少了传输过程中外界对数据的干扰。整个系统通过单片机来 控制，单片机根据高压侧反馈的信号计算光电池的输出功率并调节激光器的工 作电流，从而实现了激光供能系统的功率输出稳定可靠。 关键词半导体激光器；光电池；浪涌保护电路 竺查篁些奎兰! ! 兰塑圭兰堡丝圣 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i 曲v o l t a g en e t w o r kc o n s t r u c t ，i ti sd i f f i c u l tf o rt h e e l e c t r o m a g n e t i c c u r r e n tt ok e e pu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e m t h e r e f o r e i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt od e v e l o pn e wk i n d so f d e p e n d a b l ec u r r e n tt r a n s f o r m e r sf o r h i g ha c c u r a c ym e a s u r e m e n ts u c ha sh y b r i do p t i c a l e l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r ( h o c t ) t h ek e yp r o b l e mo f t h er e s e a r c ho f h y b r i do p t i c a l - e l e c t r o n i ci st h ep o w e r s u p p l y o f c u r r e n tt r a n s f o r m e r t h et h e s i ss u r v e yt h er e a l i z e dp o w e r s u p p l i e ss c h e m e s o fh o c ta tt h en a t i o na n d a b o a r dw i d e l y i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e mo fh o c t sp o w e rs u p p l y , t h et h e s i sp u t l o p y a r dan e w o p t i c a lp o w e r e dm e t h o dw h i c hi sb a s e do nf e e d b a c km o d e t h el a s e r t r a n s m i tt ot h eo p t i c a lc e l lt h r o u g hf i b e r , t h e nt h eo p t i c a lc e l lc o n v e r tt h el i g h te n e r g y t oe l e c t r o n i ce n e r g y a n dt h es m a r tb a t t e r ym o n i t o rs e n tt h eo p t i c a lc e l l sc u r r e n t ， v o l t a g ea n d t h ev o l t a g eo fh o c tt ot h eg r o u n dp a r t s ot h i ss y s t e mi sac l o s el o o p f e e d b a c ks y s t e m t h e t e c h n o l o g i e so f a u t o m a t i cc u r r e n tc o n t r o l ( a c c ) a n da u t o m a t i ct e m p e r a t u r e c o n t r o l ( a t c ) a r eu s e di nt h eh i g hp o w e r l a s e rd r i v e r i no r d e rt om a k eh i g hp o w e r l a s e r g i v eo f fs t a b l el a s e rp o w e r ，t h ep o w e rs u p p l yo fl a s e rm u s tb el o wn o i s e c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e t h ec o r eo fa c c i s ，a n dt h r o u g ht h ef e e d b a c ko fl a s e r s d r i v e rc u r r e n tt oc o n t r o lt h ec u r r e n t b e c a u s eo ft h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fl a s e ri s a f f e c t e ds e r i o u s l yb yt h ef l u c t u a n tt e m p e r a t u r e s oi nt h ea i mo fe n s u r et h es t a b l ea n d l i f e t i m eo fl a s e r , i nt h i s s y s t e m t h e t e m p e r a t u r e i sc o n t r o l l e d b y ae x t e r i o r t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n gm o d u l e a n t i - i n t e r f e r ea n dp r o t e c t i n gm e a s u r ei st a k e nt o i m p r o v e t h es t a b i l i t yo f s y s t e m a n d p r o t e c tl da g a i n s ts u r g es t r i k i n g b a s e do nt h e t h o r o u g h r e s e a r c ho fo p t i c a lc e l l s c h a r a c t e r i s t i c ，t h i s t h e s i s d e s i g n e dav o l t a g er a i s ec i r c u i tt om a k et h eo p t i c a lc e l lw o k i nh i g he f f i c i e n c y , a n d t h i sm e t h o dr e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ep o w e ro u to f o p t i c a lc e l li sc h a r g e db yt h e l o a dr e s i s t a n t a n dt h es m a r tb a t t e r ym o n i t o rs e n tt h ed a t at o g r o u n dp a r tb yt h e e l e c t r i c o p t i cm o d u l e ，w h i c ha v o i dt h ed a t ad i s t u r b e db yt h em a g n e t i s ma n dh i g h v o l t a g ei nt h et r a n s m i s s i o n t h i ss y s t e mi sc o n t r o l l e db y m i c r o c o n t r o lu n i t ( m c u ) ， w h i c ha l t e rt h ec u r r e n to fl a s e rb a s e do nt h ed a t af r o ms m a r tb a t t e r ym o n i t o r a n d - i i 篁堡堡三些奎兰三兰塑当耋堡篓三 t h i ss y s t e mr e a l i z e dt h es t a b l ep o w e ro u t k e y w o r d s l a s e rd i o d e ，o p t i c a lc e l l ，s u r g ep r o t e c tc i r c u i t 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 电流互感器( c t ) 是电力系统中重要的高压设备之一。它被广泛地应用于电能 计量、继电保护、系统监测、系统分析中。随着现代电力系统以及光纤技术和传 感器技术的发展，光电电流互感器的研制丌发已日趋成熟和完善。与传统的电磁 式电流互感器相比，其具有以下优点：无绝缘油，防火性能好；无磁饱和现象： 无铁心，因此没有铁磁共振和磁滞效应；测量带宽和精度可以达到很高；体积 小、重量轻、造价低1 ，川。 光电电流瓦感器分为无源型和有源型两种。无源型电流互感器( o c t ) 以应用法 拉第磁光效应的装置为主，它的最大困难是其本身光学系统的折射效应随环境因 素变化而变化【3 j 。由于光学传感头中存在着各种形式的双折射，因而影响了整个系 统的准确度和稳定性。而有源型光学电流互感器( h o c t ) 在高压部分没有采用特殊 的功能性光纤和其它光学元件，只是使用了有源电子电路，因此这种电流互感器 容易实现，并且它有长期的稳定性和较高的可靠性【4 。但是，电源供给问题却影响 了混合型光电电流互感器的大范嗣应用。 典型的h o c t 测量系统的原理结构如图1 一l 所示。它分为高、低电压侧和光 高蔗线 赢 撬 劁 图1 - 1h o c t 测量系统的原理结构图【5 】 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo f h o c tm e a s u r e m e n t s y s t e m 纤传输部分3 个模块。高压侧采用精密铁心线圈或者罗柯夫斯基线圈采样，经过一 撩雁僬 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 系列信号处理( 模一数转换或者压一频变换) 转换成数字信号，再通过电- 光转换将数字 信号转换成光信号，经由光纤传送到低压侧，在经过一次光一电转换，将光信号转 换成数字信号，再由微机系统进行数据处理。 目前光电式互感器的供能方式主要有： ( 1 ) 利用特制线圈从母线上取电能其工作原理是利用特制线圈从母线上感应 电压，通过整流、滤波、稳压等后续电路处理后，给高压侧电子电路提供所需电 能 6 】。采用这种方法面临两个困难：一是当母线电流处于空载等小电流状态时，不 能保证电源的正常供应；二是当母线处于超过额定电流的大电流状态，甚至是短 路故障电流时，需要加保护电路，否则可能会造成后续电路的烧毁【7 】。 ( 2 ) 利用高压电容分压器从母线上取电能其工作原理是在母线与地之间连接 高压电容分压器从高压母线上取得能量，经过整流、滤波、稳压等处理后，给高 压侧电路供能【8 j 。采用该方法面临着比特制线圈取电能更大的困难：首先是如何保 证取能电路和后续工作电路之闻的电气隔离问题，这要求更为严格的过电压防护 和电磁兼容设计；其次就是这种方法有着更多的误差来源，温度、杂散电容等多 种因素都将影响该系统的性能，因此获取电源的稳定性和可靠性较线圈取电能方 法为差；另外就是采用这种方法得到的功率有限【9 l 。 ( 3 ) 太阳能供电太阳能电池的多年研究与发展积累下来的经验使得其在有源 电子式互感器中的应用成为可能【l0 1 。太阳能电池的输出易受光强、外界环境温度 变化、季节变化等因素的影响，所以为了获得稳定的电源输出，必须与二次电池 构成组合电源系统。采用该方法的不足之处在于电源的不稳定性，这是由太阳能 电池固有的缺陷所决定的。另外就是太阳能电池的转换效率问题，使得该方法提 供的能量有限，从而限制了其应用f 1 ”。 ( 4 ) 蓄电池供电该方法采用蓄电池对高压侧的电子线路进行供电，电池的能 量来自于高压母线电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器或电容分压器 构成蓄电池的交流充电电路，经过稳压和整流后对电池进行充电i 1 。采用这种方 法的不足是蓄电池的寿命比较短，且f _ _ 于放在高压侧，更换起来比较困难，因此 存实际应用当中很少被采用。一般情况f ，该供能方式都被用作辅助式电源与线 圈取电方式相结合，在母线电流比较小的情况下启动蓄电池进行供能。但是采用 这样的方法在制造成本及可靠性方面还存在不少问题，因此不应该成为将柬的发 展方向13 1 。 ( 5 ) 激光供能使用光学纤维传输信号和数据的好处已广为人知，但是最近_ | 几年中利用光纤传送能量也已变为可能 1 ”。该方法利用光纤将激光或其他光源的 光能从低电位侧传送到高电位侧，再由光电转换器件( 光电池) 将光能转换为电能， 哈尔滨工北大学工学硕士学位论文 经过线性稳压后提供稳定的电源输出。由于激光二极管的工作特性可以确保光功 率在一定温度条件下保持稳定，所以通过光电池转换后得到的电源输出功率也相 对比较稳定，且电源的纹波小，噪声低，不易受外界其他因素的干扰【8 】。近年来， 大功率光电转换器件的性能提高、价格下降，如p h o t o n i c 公司研制的激光供电系 统可提供1 5 w 的光功率，转换效率达到4 0 ，有效供电时间长达1 0 万个小时以 上。因此，激光供能方式是解决混合式光电电流互感器高压侧供电问题的一种比 较满意的方案”“。 本论文主要研究激光供能系统，采用激光供能的方式为互感器提供稳定可靠 的电源。并且这套系统不仅可以用于互感器的供能中，在其它类似电力部门中要 求测量高电压或其它易燃易爆的场合，也可以采用这种供能系统。 1 2 国内外研究现状 随着超高压输电网络的建设与发展，冲击电流达1 0 6 a 甚至更大的电力设备逐 步得到应用，传统的电磁式电流互感器很难满足电力系统发展的进1 步要求，寻 找更理想的新型电流互感器，研制一种基于现代光电技术、半导体技术和计算机 技术成就的电气测量的新方法已应运而生。与已知的在高压测量装置中利用磁 的、电的、无线电的、热的、辐劓的、光耦合为基础的电流测量方法相比，光电 方法是最有发展前景的方法之- - 1 ”j 。 最近三十多年来有相当多的研究所和大学都在从事光电式电流互感器的研究 工作。6 0 年代初新兴的半导体集成电路技术、激光技术以及后来出现的砷化镓激 光二极管和发光二极管【1 7 1 ，都大大地推动了光电式电流互感器的发展，使光电式 电流互感器在计量、继电保护、控制与监控等方面的应用成为可能。 1 9 7 3 年前苏联直流科学研究院与列宁格勒电器制造联合公司起制造了 7 5 0 k v 的频率一脉冲调制式o c t 的试验样品，样品中有一个测量仪表通道和三个 继电器保护通道i l 。1 9 7 9 年，意大利研制出了压频变换式光电电流互感器。这套 系统采用的是高电位供电方式，但是在系统稳定工作的情况下，高电位侧的电压 供应还不够稳定，影响到后级电路工作的稳定性。此外，外界电磁干扰和电子器 件的噪声也对整个电路工作的稳定性产生了比较大的影响i 旧】。 美国的五大电力公司各自在1 9 8 2 年左右成立了o c t 专题研究小组且研制成 功了1 6 1 k v 独立式o c t ( 1 9 8 6 1 9 8 8 ) ，1 6 l k v 组合式o c t 、光学电压互感器( o v t l 和1 6 1 k v 的继电保护式o c t ( 1 9 8 7 ) ，在1 9 8 9 年5 月至1 9 9 2 年又成功的研制了最 高工作电压为3 4 5 k v ，测量范围为2 0 2 k a ，准确等级为0 1 3 级的计量与保护 o c t ，且挂网运行成功。 1 9 9 1 年6 月a b b 电力t & d 有限公司公布了用于计量和继电保护用的3 4 5 k v 电站的o c t 系统，并在运行四个月后，与标准c t 比较，误差仅0 1 4 【2 ”。1 9 9 2 年，a b b 公司研制的a d 转换式光电电流互感器的传感头的电能消耗已经降到 1 5 0 l w 以下，并且已经在1 1 0 k v 的变电站投入实际运行，这种电流互感器的精度 已经达到了o 5 级。这套系统采用的供电方式是用激光提供能量的方式，工作的稳 定性和精确度都比较高耻。 从1 9 9 2 年到1 9 9 7 年，a b b 公司研制的激光供能的电子式电流互感器从 3 5 0 k v 到5 0 0 k v 乃至直流都已经在现场运行，激光管输出功率1 ，5 w ，寿命1 0 万 小时。整套系统测量准确度为o 2 ，保护通道准确度为4 - 1 l z ”。 1 9 9 3 年美国的b a n w e l l t c 和e s t e s r c 提出了三种激光供能的结构： ( 1 ) 采用波分复用技术( w d m ) 在一根小芯径光纤上同时传输能量和数据。 ( 2 ) 采用一根单模光纤传输数据，同时用另外一根大芯径光纤传输能量。 f 3 ) 采用一根单模光纤传输数据，同时使用多根大芯径光纤传输能量i 2 。 1 9 9 6 年美国p h o t o n i cp o w e rs y s t e m s 公司的w e r t h e njg 和a n d e r s o nag 研制 了一套激光供能的电子式电流互感器。激光管输出功率为2 5 0 m w ，光电池光电转 换效率高于4 0 。a d 采样率为l o o k h z 时，整个传感头消耗功率为2 5 m w 。这套 系统已经在美国、芬兰等国的变电站中得到了应用i z ”。 2 0 0 0 年意大利的s v e l t oc 和o t t o b o n ir 使用的激光管输出功率为5 w ，光电转 换装置为光生伏特电池板，其输出电压为3 3 v 时输出电流有5 0 m a 。整套系统 5 k h z 的动态范围内有o 5 的准确度【2 “。 总的来讲国内无论是从技术角度和研制情况都比国外落后，最早对该产品进 行研究的是沈阳变压器，和四平电业局，他们共同研制了1 1 0k v 光电互感器，并 于8 0 年代在四平电业局挂网试运行，但后又拆除1 2 7 1 。 清华大学和中国电力科学研究院利用国家自然科学基金共同研制l l o k v 光电 式电流互感器，它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行，运行情况未见有详细 报道【2 “。华中理工大学与广东新会供电局共同研制的光电电流互感器于1 9 9 3 年1 2 月3 1 日在广东省新会供电局大泽变电站进行正式挂网运行。在1 9 9 4 年通过原电 力部鉴定，对外公布的技术指标为：额定电压为1 1 0k v ，额定电流为1 0 0 3 0 0 a ，精度为0 1 3 ，挂网至今运行正常。但是以上研究和挂网试运行的光电式电 流互感器都是利用了法拉第( f a r a d a y ) 效应 2 9 】，即全光纤式互感器。 1 9 9 8 年中国燕山大学的w a n gyt 和w a n glt 等利用传统互感器为传感 头，并采用激光供能的方式进行测量。电流脉冲宽度调制以及脉冲位置调制技术 略尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( p w m p p m l 的运用使整个传感头的功耗只有3 8 uw t 3 0 1 。 我国目前从事激光供能互感器研究的有清华大学、燕山大学、沈阳工业大 学、西安交通大学、哈尔滨理工大学、华北电力大学，但是还都处于研究阶段， 没有达到实际应用的要求。 1 3 课题主要研究内容 测试系统的主要技术要求是： ( 1 ) 光电池输出5 v ，当负载在1 5 5q 到1 8 0q 变化时，电压稳定度为o 2 v ： ( 2 ) 光源温度稳定度为0 1 ： ( 3 ) 光源电流相对稳定度为1 ； ( 4 ) 光源功率相对稳定度为1 5 。 课题研究的具体内容可分为如下部分： ( 1 ) 激光器的驱动单元包括激光器的电流自动控制单元( 最大驱动电流为 2 a ，激光器的最大输出功率为1 5 w ) 矛n 激光器的保护电路。 ( 2 ) 温度控制单元利用外部致冷器控制激光器的工作温度，使激光器在大电 流下的工作温度能稳定在2 5 。主要包括温度控制单元、各种保护电路和功率放 大电路。 ( 3 ) 光源数字控制部分单片机利用d a 转换器设定激光器的工作电流和激光 器的工作温度，利用a d 采样电路采集激光器的工作电流和温度，对光源和光电 池的工作情况进行监控，工作异常时报警。 ( 4 ) 高压供能部分及监控电路利用光电池将光能转换成电能，采用电源监控 模块将光电池的输出电压、电流及其它信号采集回来，通过光模块进行电光转换 或光- 电转换使高压部分监控电路可以与低压部分的单片机通讯。 哈尔滨1 业人学工学硕上学位论文 第2 章光电池特性分析及系统总体设计 光电池是一种可以将光能转换成电能的光伏器件，在本激光供能系统中，光 电池将大功率激光二极管通过光纤耦合传输的光能量转变成电能量，并通过d c d c 转换，形成稳定的电压输出提供给整个互感器电路。 本系统采用的是美国p h o t o n i c 公司的p p c 6 e 型a s g a 光电池，它的最大优点 是转换效率高，对于波长为8 0 8 r a n 的激光，其最大转换效率可以达到4 0 ，最大 输出电功率可达5 0 0 m w ，并具有s t 光纤接 j ，可以很方便地与光纤相接。与同 类的光电池相比，该产品的效率要高得多，这就大大提高了整个系统的效率，从 而使激光供能在实际应用中成为可能。 2 1 光电池的工作原理及分析 2 1 1 光电池原理 用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势， 这种现象称为光生伏特效应。当光照射到由p 型和n 型两种不同导电类型的同质 半导体材料构成的p - n 结时，在定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价 带中产生非平衡载流子电子和空穴。出于p - n 结势垒区存在着较强的内建静 电场，因而产生在势垒区的非平衡电子和空穴或者产生在势垒区外但扩散进势垒 区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势 垒场，结果使p 区电势升高，n 区电势降低，p - n 结两端形成光生电动势，这就是 p n 结的光生伏特效应。 由于光照产生的非平衡载流子各自向相反方向漂移，从而在内部形成自n 区 流向p 区的光生电流，在p - n 结短路的情况下构成短路电流密度厶。在p - n 结开 路情况下，p - n 结两端建立起光生电势差。，这就是开路电压。若将p - n 结与外 电路接通，只要光照不停止，就会不断的有电流通过电路，p n 结到起了电源的作 用，这就是光电池的基本工作原理。显然，光电池之所以能在光照f 形成电流密 度j ，短路电流密度厶，开路电压，都是由于材料内部存在内建静电场的缘 故p “。电流密度，与光电池端电压v 的关系如图2 1 所示。 晴尔滨工业大学工学硕士学位论文 五r 矗 如r 图2 - 1 光电池的j - v 关系 f i g 2 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no p t i c a lc e l l sj a n dv 2 1 2 光电池的工作状态 ( 1 ) 光电池两端开路在这种状态下，随着光照时间的增加，n 区的过剩电子 和p 区的过剩空穴越来越多，光生电压越来越高。由于光电压的极性与p - n 结势 垒区电势差相反，因而使势垒高度降低，其效果与p - n 结外加一正向偏压相同， 这样就产生了与光电流反向的p - n 结正向电流【3 2 】。如果光照恒定，当光电压增加 到使p n 结的正向电流全部抵消了光电流时，光电压达到了一稳定状态，光电池 的开路电压，用圪。表示。光照时p n 结处于非平衡态，费米能级将分开为两个准 费米能级e ，。假定准费米能级在势垒区中是平坦的，那么达到开路电压时，两个 准费米能级之差为g 圪。，势垒高度降至最低，其值为g ( ，。) 。 ( 2 ) 光电池两端短路此时，光生电流全部流入外电路，不可能在p - n 结两边 形成载流子的累积，光电压为零 3 ”。通过外电路的电流称为短路电流，用k 表 示，它是光电池在一定的光强下，外电路中所能得到的最大电流。在不考虑其它 损耗的情况下，短路电流厶。与光电流丘相等。p n 结的势垒高度为g ( 。一) 。 ( 3 ) 光电池两端接入负载此时，光电流在负载两端建立起电压y ，同时它也 是电池的光电压。电池产生的光电流，部分流经负载对外电路作功，另一部分 则被光电压v 的正偏作用所形成的p n 结正向电流抵消，因此流经负载的电流为 i = i l ? 一if = a e j l a t j b k 叮1( 2 - u 式中一r 一电池的有效受光面积： 爿r 一电池的总面积： 以“ 在工作电压v 下，光电池中的暗电流密度。 以“功等于相应电压下p - n 结的正向电流密度。由于与光电流相反，常称为反 电流密度以女。在这种情况下，p - n 结的势垒高度为g ( ，功，两个准费米能级之 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 差为q v ，界于短路和开路两种情况之间【3 4 】。 2 1 3 光电池的输出特- 陛分析 如图2 2 所示，从曲线上可以看出，当光源驱动电流超过闽值电流后，光电池 的输出电压随光源驱动电流的增加而升高，直至达到光电池的最大电压输出。 激光光源驱动电流l i m a 图2 - 2 光电池在不同负载情况f 的输山电压曲线 f i g 2 - 2t h ev o l t a g eo fp h o t o n i cc e l li nt h ed i f f e r e n tl o a d 相同光源驱动电流下，电阻减小，光电池提供的功率也减小，如图2 - 3 所示。 激光光源驱动电 j im 图2 - 3 光电池在不同负载情况f 的输出功率 f i g2 - 3t h ep o w e r o u to f p h o t o n i cc e l li nt h ed i f f e r e n tl o a d 图2 - 4 所示，为光电池输m 功率随负载变化的关系曲线。从图巾可以看出，在 哈尔滨丁业大学工学硕上学位论文 负载电阻由小变大的过程中，输出功率随着电阻的增大而线性增大；当输出功率 达到最大功率输出点后，输出功率随着负载电阻阻值的增加，开始逐渐降低。 负载电阻r t q 图2 - 4 光电池输出功率与负载电阻的关系 f i g 2 4t h ep h o t o n i cc e l l sp o w e ro u ti nd i f f e r e n tl o a dr e s i s t a n c e 达到最大功率输出点后，功率随电阻增加而降低的原因可由图2 5 看出。在相 同的激光光源驱动电流下，光电池的输出电压在电阻由小增大的过程中，是随着 负载电阻的增大而线性增大的。而当光电池的负载电压达到最大值后，基本保持 不变。因此，由p = 扩r 的功率计算公式，当输出电压达到最大值后，光电池的输 出功率随负载电阻的增大而减小。在相同的光功率输入。f ，光电池的电压未达到 最大值之前，其输出的负载电流基本保持恒定，略微随输出电压的增大而减小。 当光电池的输出电压达到饱和之后，输出电流的降低趋势略加明显。由p = 户月的 负载电阻值且，q 图2 - 5 光电池负载电压随负载电阻变换的关系 f i g2 - 5t h er e l a t i o n s h i po f l o a d sv o l t a g ea n dr e s i s t a n t 功率计算公式可以看出：趋势略加明显。由p = ，r 的功率计算公式可以看出：当 堕堡薹三些查耋三兰丝圭兰堡丝兰 光电池达到电压饱和之前，由于电流基本保持不变，因而电阻线性增大时，光电 池的输出功率p 亦随电阻的线性增大而增大。 光电池的w 曲线如图2 - 6 所示，光电池带负载时，在电压达到最大值之 前，光电池输出特性可近似看成一个电流源；当光电池的输出电压达到饱和后， 电流源的特性降低，光电池可以近似看成一个6 1 v 左右的恒压源。 图2 - 6 光电池输出u - 1 曲线 f i g 2 - 6t h e c u r v e o f p h o t o n i c c e l l sv o l t a g ea n dc u r r e n t 如图2 ，7 所示，该电路用于测量当激光光源驱动电流一定时，光电池为后端电 路所能提供的最大功率；及当光电池提供最大功率时，光电池的负载电阻、电流 和电压值。该电路可通过不断调整负载电阻的阻值，观察电阻两端的电压和流过 电阻的电流，来计算、寻找光电池在输入光功率一定的时候，光电池的最大输出 功率。r 为可调电阻，r ，为电流采样电阻( 阻值为1q 的精密电阻) ，通过测量r ， 的电压u ，即可由丘= u , r ；求出通过赴的电流五，由p = ( u l + u i ) i l 计算出光 电池在负载电阻为毗时的输出功率。 图2 7 光电池最大输出功率测量电路图 f i g 2 - 7t h e m e a s u r ec i r c u i to f p h o t o n i cc e l l sm a x i m u m p o w e r 图2 8 为激光光源在不同驱动电流下，光电池的最大输出功率曲线。从图中可 以看出，光电池的最大输出功率随激光光源驱动电流的增加而线性增加。该现象 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 表明，激光光源的输出光功率与激光光源的驱动电流之间为正比关系，改变光电 池的输入光功率，其最大输出电功率也会随之改变。 激光光源g 动电流“，“l a 图2 - 8 光电池最人输出功率曲线 f i g 2 8t h e c u f v e o f p h o t o n i c c e l l sm a x i m u m p o w e r 图2 - 9 为光电池最大功率输出时，对应的负载电流值。图中反映了当激光光源 的驱动电流增加时，光电池处于最大输出功率时的负载电流与驱动电流成f 比关 系。 激光光源驱动电流脚m a 图2 - 9 最大输出功率时的负载电流 f i g 2 9t h e l o a d sc u r r e n ti nt h em a x i m u m p o w e r o u t 图2 1 0 为光电池在最大输出功率时，负载电压的曲线。该曲线表明：当光电 池达到最大功率输出点的时候，光电池的端电压在5 9 v 到6 4 v 之间变化。并 且在最大输出功率的时候，随着光电池输出电流的增大，输出电压有所降低。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 激光光源驱动电流i , d m a 图2 1 0 最大输出功率时的负载电压 f i g 2 - 1 0t h e l o a d sv o l t a g ei nt h em a x i m u m p o w e r o u t 图2 - 1 1 为通过负载电压与负载电流计算而得到的实际负载曲线。从实验数据 进行分析，因为负载电压u 基本可以认为保持不变，而负载电流，随着激光光 源驱动电流的提高而正比增加，因此可以近似认为，光电池负载电阻就与激光光 源的驱动电流呈反比关系。 由以卜分析可以看出，在相同光功率输入下，光电池的输出电功率随负载的 变化而变化；在不同的光功率输入下，光电池工作在效率最高点时，所带的负载 不同。如果光电池直接给互感器供电，当互感器电子线路的电阻出现变化时，光 电池的输出电功率也会发生变化，这会使得互感器不能j 下常工作。所以必须解决 光电池输出电功率随负载变化的问题，从而保证光电池提供给互感器的电能稳定 可靠，保证互感器能够f 常工作。 a 叠 暖 脚 掰 d 激光光源驱动电流l , m a 图2 - 1 1 光电池最大输出功率时，最佳负载电阻曲线 f i g 2 - l1t h eo p t i m i z e dl o a di nm a x i m u mp o w e r o u t 哈尔滨】。业大学t 学硕士学位论文 2 2 系统工作原理 由于光电式电流互感器安装在高电位侧，并且完全是由电子线路构成的，因 此必须给互感器的电子线路提供相应的电源。电源的作用就是给互感器提供稳定 的电能，并且要保证提供足够的能量。激光供电是将光源( 即低压侧激光二极管) 的 光能经光纤传送给高压侧的光电转换器件，转换成的电能经线性稳压块变换后给 电子线路供电。这种方式的优点是电源能量供给稳定，不受高压母线卜电流大小 和电压高低的影响。系统原理如图2 一1 2 所示。 圯瓣尚羝供艟髓浚羟l l l 辫 一一一一一一一一一霜秭瀑万一一一一一一一一 图2 1 2 系统结构框图 f i g 2 - 12t h e s t r u c t u r eo f s y s t e m 本系统主要包括低压侧的单片机、数字控制电路、激光器、电流控制电路、 温度控制电路和高压侧的光电池、智能电池监视器、稳压块、线性稳压块等。单 片机( m c u ) 通过d a 对激光器的驱动电流及温度进行设定，并与高压侧的智能电 池监视器通讯，由光模块将单片机发出的指令转换成光信号，通过光纤将信号传 送到高压侧，再由光模块将光信号转换成电信号传送给智能电池监测器。电池监 视器根据单片机的指令采集光电池输出的电压、电流以及互感器的工作电压，再 由光模块及光纤将采集的数据传送给低压侧的单片机。单片机根据接收的数据( 电 流和电压1 监视光电池的工作状态，并据此调节激光器的驱动电流以控制激光器的 输出功率，从而使光电池的输出功率保持恒定。这样，通过对光电池1 ：作状态的 监视，根据光电池的工作状态来调节激光器的驱动电流，从而改变激光器输出光 功率的大小，以得到稳定的光电池输出功率。 2 3 系统总体构成 系统主要由五部分组成：激光器驱动单元、激光器温控单元、激光器电路保 哈尔滨工业大学工学坝十学位论文 护单元、高压侧供能单元及数据采集与控制单元。 ( 1 ) 激光器驱动单元为了使激光器输出稳定的激光，对流过激光器的电流要 求非常严格，供电电路必须是低噪声的稳定恒流源口”。本系统采用的是自动电流 控制f a c c ) ，通过l d 驱动电流反馈控制回路来提供恒定的电流。 ( 2 ) 激光器温控单元半导体激光器在工作时产生的热量，会使激光器的温度 升高，造成激光器的性能下降，严重者甚至烧毁半导体激光器。并且激光器的泵 浦效应，也会影响激光器输出功率的稳定性p “。因此，为了保证器件性能的稳定 及寿命，本系统采用了自动温度控制( a t c ) 的方式，利用外部致冷器对激光器的温 度进行控制。 ( 3 ) 电路保护单元半导体激光器对于电冲击的承受能力很差，在使用过程 中，出现的比较多的电冲击是开启或关闭电源时产生的电压、电流浪涌冲击，和 工作过程中由于电网波动或其它大功率电器启动而产生的电压、电流浪涌冲击 p “。为了消除这些电冲击对半导体激光器的破坏作用，在电路中设计采用了保护 电路，从而避免了半导体激光器因受到电冲击而损坏。 ( 4 ) 高压供能单元采用光电池将光能转换成电能，由于光电池的输出电功率 会随负载发生变化，所以为了使光电池输出功率恒定，设计了光电池白举泄流电 路，从而使光电池的电功率输出不会随负载变化而变化。 ( 5 ) 数据采集与控制单元采用电池监视器对光电池的输出电流、电压以及互 感器的工作电压进行采集，再将数据传送给低压端的单片机，单片机通过控制激 光器的驱动电流来调节其输出功率，从而使光电池的电功率输出保持恒定。 2 4 本章小结 本章主要介绍了系统的工作原理及总体构成，本系统采用激光供能的方式给 互感器供能，所以需要大功率的激光器提供光能，雨激光器工作时会产生大量的 热，凶此本系统采用外部致冷器来控制激光器的温度以保证激光器有稳定的光功 率输出。系统采用智能电池临视器对光电池的电流、电压及互感器的_ 丁作电压进 行采集，由低压侧单片机据此调节激光器的输出光功率，以保证互感器的正常工 作。 哈尔滨_ 1 。业大学i + 学硕卜学位论文 第3 章大功率激光光源 高压侧的功耗和光电池的转换效率等因素决定了本课题所需光源的输出功率 应不小于7 5 0 m w 。本系统选用了海特公司的f l m m 0 8 0 8 7 激光器，中心波长 8 0 8 n m ，光谱宽度小于4 n m ，直接尾纤输出，采用s t 连接器，该激光器为p 1 封 装，内部没有功率检测p d 及内部制冷装置，驱动电流为2 a 时，输出最大功率可 达1 5 w 。 图3 - 1 给出了大功率激光光源的结构框图。采用数字电路来控制激光器的驱动 电流及工作温度，本设计中激光器的驱动是将与激光器串联的电阻两端的电压作 为反馈输入，即将l d 的驱动电流反馈回输入端，设定值与反馈值比较来调整驱动 电流的大小，从而实现了自动电流控制。由于激光器承受电冲击能力很差【3 8 1 ，为 避免激光器的损坏，在电路中加入了浪涌保护电路和电流限定电路，防止电路中 的电冲击以及电流过大对激光器造成损坏。 激光器的温度控制是利用温度传感器( 热敏电阻) 将温度转变为电信号，再与设 定的温度进行比较，偏差信号经p i 控制调节电路处理后驱动致冷器工作，使温度 稳定在设定温度附近。但是在温度控制开始时，由于温差很大会造成致冷器的驱 动电流也很大，如果超过致冷器的最大额定电流就会导致致冷器被击穿，所以在 电路中加入了致冷器的电流限定电路，从而避免了驱动电流超过致冷器的最大额 定电流。 l d 驱动电路 皓 l d 模块 r l d 毋 数宁a c c i f 一 i d 保护电路 控制 恒流源蓍器 电路 毛， t e c 驱动电路 r a t c o ，。 线性化电路 t e c 保护电路，w 温度控制单儿 图3 - 1 人功率激光光源的结构框图 f i g 3 1s t r u c t u r eo f h i g h - l a s e rd r i v e r 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 激光器的驱动和保护模块 3 1 1 激光器驱动电路 将输出级信号反馈到控制环节的输入端与设定值进行比较，产生偏差信号。 偏差信号经积分调节器调节后控制功率放大环节，决定输入信号的大小，其原理 如图3 2 所示。 圈3 - 2 a c c 控制原理框图 f i g 3 2t h es c h e m a t i cb l o c kd i a g r a mo f a c c c o n t r o l 图中a 1 为调节器，由于半导体激光器对于电冲击的承受能力很差，所以对电 流的稳定性有较高的要求，为减小突变电流的冲击，保护激光二极管，这里采用 积分环节输入信号进行控制。a 2 为激光器的输入输出环节，即功率放大驱动电 路，起比例放大的作用。a 3 为激光器输出反馈环节，将驱动电流反馈给前端。实 际电路中，将取样电阻两端的电压作为反馈输入，其实质是将l d 的驱动电流反馈 刚输入端，与设定值m 进行比较积分，送入推挽功率放大电路的输入端。其微分 方程为 了r , d v 了o ( 一t ) d - k 3 v o ( r ) ：v i ( f ) ( 3 - 1 ) a 2 a t 式中乃a l 的积分时间常数： 肠a 2 的比例系数； 如a 3 的比例系数。 从微分方程可以看出，这相当于一个惯性环节。惯性环节的响应特点是输出 量延迟地反映输入量的变化规律，利用此特点，可以实现l d 的慢启动，从而起到 保护激光器的作用。 3 1 2 激光器保护电路 由于大功率半导体激光器的价格目前普遍较高，因而如何保护半导体激光 哈尔滨t 业大学工学硕上学位论文 器、延长半导体激光器的使用寿命是研制半导体激光器驱动电源的重要问题【3 9 l 。 l d 的损坏除了正常老化造成的损伤以外，浪涌击穿是最主要的原因【4 0 j 。若