一种永磁发电机新型耐压电路的设计

一种永磁发电机新型耐压电路的设计

0永磁发电机的压实电路设计永速机结构简单，效率高，比功率大，不需要额外的励磁电源，具有简单的特点。广泛应用于农业和运输行业。但是,因其输出为交流电,不能直接为暖风机、刮雨器等直流用电器供电;并且输出电压随转速及负载的变化而波动较大,存在着“低速灯不亮,高速烧灯泡”的现象。因此,设计一种直流输出的永磁发电机稳压电路十分必要。目前,普遍采用的稳压方式有两种:并联式和串联式。前者输出为交流电,后者输出为脉动成分较大的直流,更重要的是:两者功耗较大,且只能在高速时使输出的高电压降至稳定值,而不能在低速时使输出的低电压升高,即只能解决“高速烧灯泡”的问题,而不能解决“低速灯不亮”的问题。为提高低速输出电压,往往需要采用高磁性的永磁材料,并对发电机结构、电机绕组进行改造,这种方法不但成本高,而且费时费力。而根据PWM控制原理,采用Buck-Boost拓扑结构设计的新型稳压电路,能够克服上述两种电路的不足。1压实电路工作原理并联式稳压电路如图1所示。发电机空载,即电路中无电流通过时,微型电流互感器M的次级线圈无信号输出,可控硅SCR1不导通,SCR2也不导通。在白天工作时,由于不使用照明灯,电路中无电流通过,尽管皮带轮转动但发电机空载无功率输出,稳压电路不工作。当发电机有负载时,即电路中有电流通过,微型电流互感器M的次级线圈有信号输出,可控硅SCR1导通。随着发电机转速的升高,输出电压随之升高,三极管T的发射极电压也随之升高,当电压达到一定值后,稳压管DW被击穿,使T导通,从而可控硅SCR2被触发而导通,这时发电机瞬时短路,将电压波形削去一部分,以降低输出电压。另外,由于SCR2导通,产生短路性质的感性电流,进而产生去磁作用和直流磁化作用,也将输出电压幅值降低,从而达到稳压的目的。此电路虽然保证了高速时输出电压的稳定性,但并不能使低速时的输出电压达到额定值,并且发电机高速旋转时,由于SCR2导通,导致发电机瞬时短路,致使发电机温度升高,浪费能源。同时,并联式稳压电路输出交流电,不能直接为需要直流电源的电器供电。2发电机输出直流电串联式稳压电路如图2所示。JF1、JF2为交流发电机完全相同的两个绕组,JF1的首端为a,JF1的尾端与JF2的首端为同一端b,b亦即为电子稳压器的正极输出端,JF2的尾端为c。当发电机开始转动时,由于转速低,输出电压Uo也低,小于目标稳压值,三极管Q1的发射极与A点的电压小于稳压管D2的击穿电压,三极管Q1处于截止状态。而三极管Q2的发射极与基极之间的电压大于0.7V,因此,三极管Q2导通,集电极电流通过电阻R8、二极管D5、D6分别向可控硅SCR1、SCR2提供触发信号,使可控硅导通,发电机输出的交流电经过SCR1、SCR2双半波整流输出直流电。当发电机转速进一步升高,输出电压Uo升高,三极管Q1发射极与A点的电压也升高。当输出电压Uo大于目标稳压值时,三极管Q1发射极与A点的电压大于稳压管D2的击穿电压,三极管Q1由截止状态变为导通状态,其发射极与集电极之间的电压为0.2~0.3V,小于三极管Q2发射极与基极之间的开启电压0.7V,三极管Q2由导通变为截止。不再向可控硅SCR1、SCR2提供触发电流,可控硅延时到无正向电压时截止,发电机输出电压Uo迅速下降,三极管Q1发射极与A点的电压也下降。当输出电压Uo低于目标稳压值时,三极管Q1截止,Q2导通,可控硅再次导通,输出直流电。当输出电压Uo再升高,大于目标稳压值时,稳压管D2再击穿,三极管Q1导通,Q2再截止,周而复始,三极管Q1、Q2反复处于通断状态。可见,通过可控硅的移相、削波、整流,保证了发电机输出电压稳定的直流电。但是,串联式稳压电路同样不能使低速时的输出电压达到额定值,且输出的直流电脉动成分较大。3基于buk-b结构的稳定电路设计3.1滤波电路的实现Buck-Boost型稳压电路构成如图3中的虚线部分所示。当开关管Q导通时,电感L1上有电流流过,L1存储能量。当开关管Q断开时,L1上电流有减小的趋势,电感线圈产生自感电势反向,为下正上负,二极管D2受正向偏压而导通,负载RL上产生输出电压Uo,电容C2充电储能,以备Q转至导通时放电维持Uo不变。电感L2、电容C2构成滤波电路,进一步保证Uo的平滑。开关管Q的通断受其栅极脉冲信号控制,此信号为高电平,Q导通,反之,Q截止。设D为控制信号占空比,电路分析可得输出电压:Uo=D1−DUsUo=D1-DUs其中:Us为发电机输出直接经整流滤波后得到的直流电压。由上式可得,D>50%时,Uo>Us,电路实现升压;D<50%时,Uo<Us,电路实现降压。因此,当输出电压随发电机转速和负载不同而上下波动时,通过同步调节占空比D,可以实现升降双向稳压。3.2基于sg232的电路设计要实现双向稳压,关键在于产生与Uo同步变化的PWM控制信号,此电路以SG3525为核心进行设计,如图3所示。SG3525是一款常用PWM专用集成电路,其内部结构及工作原理为我们所熟知,这里不再赘述,下面仅就电路的设计进行讨论。(1)输出内部参考电压电阻R6、R7、R8构成输出电压检测电路,将Uo波动情况反馈到SG3525内部误差放大器的反相输入端1脚,误差放大器同相输入端2脚接基准电压,此电压由16脚输出的内部参考电压Uref经R1、R2分压得到。Uo波动情况经误差放大器放大后接内部电压比较器的反相端,与同相端的锯齿波信号进行比较,得到频率固定脉宽可调的PWM信号,再经锁存器、或非门等输出。(2)振荡频率的影响CT、RT、RD分别接5、6、7脚,与内部振荡电路生成锯齿波。RD决定死区电压,CT、RT、RD共同决定振荡频率。振荡频率过低会使滤波困难、纹波分量高、噪声大;振荡频率过高开关管难以承受。因此本电路设定f=21kHz,实践证明较为理想。(3)uo宽范围产生SG3525由11、14脚输出两路相位相差180°的PWM信号,分别经R4、R5接到开关管Q的栅极,两路并联,从而使PWM信号在Uo较小时最大脉宽调制接近98%,即实现占空比D在0~98%范围内可调,满足了Uo的宽范围稳压需求。(4)比较器输出的dm信号脉宽有所下降8脚外接软起起动电容C4,在电路启动时,由内部恒流源对其充电,与8脚相连的电压比较器另一反相端电位逐渐上升,使比较器输出的PWM信号脉宽由窄逐渐变宽,实现软起动。从而避免了开关管在起动时受大电流冲击而损坏。在电路停止工作时,电阻R9为C4提供放电回路,二极管D3用来防止C4放电时引起SG3525的误起动。3.3发电机输出压电滤波SG3525工作电压范围是8~35V。倘若将发电机的交流输出直接经整流滤波后为芯片供电,则发电机低速运行时,输出电压过低(如小于8V),SG3525会因欠电压而停止工作。因此,电路先用小型变压器对发电机输出进行升压,再经整流滤波,然后用三端稳压器LM7815稳压,得到稳定的15V直流输出,电路如图4所示。此电路虽然为线性电源,但因SG3525功耗极低,工作电流小,所以电路自身功耗不大。3.4液压系统内的控制作用(1)电路通过自动调节开关管的导通时间(即占空比)实现稳压,而不象并联式和串联式电路那样,利用电路内部的瞬间短路实现降压,因而功耗更低。(2)Buck-Boost型电路具有升降双向稳压功能,从而在无需对发电机内部结构进行改造的前提下,保证了输出电压的稳定性。(3)软起动电路的设计,有效避免了开关管及负载受到起动大电流的冲击;通过进一步滤波,使输出的直流电更为