電機(jī)控制用多輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)
本文引見(jiàn)了一種基于專(zhuān)用芯片UC3842的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。在電機(jī)調(diào)速控制器中，該電源提供功率開(kāi)關(guān)元件基極(柵極)驅(qū)動(dòng)電壓和控制電路工作電壓。開(kāi)關(guān)電源性能的好壞直接影響到電機(jī)調(diào)速控制器的工作牢靠性。該電源是為30 kW開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的，也適用于采用功率ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ作為開(kāi)關(guān)元件的中小功率感應(yīng)電機(jī)調(diào)速控制器。
1主回路計(jì)劃
1.1電源電路
此電源是為30 kW開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的，此電機(jī)功率變換器的主電路為不對(duì)稱(chēng)半橋電路［1］。采用反激變換器構(gòu)造［2］，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓紋波較大，通常用在150 W以下的電源中。詳細(xì)電路如圖1所示。
此電源為單芯片集成穩(wěn)壓電源，PWM芯片采用UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，是專(zhuān)為脫線(xiàn)式直流變換電路設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。
他集成了振蕩器、有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測(cè)比擬器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路及PWM鎖存器電路。能夠完成逐一脈沖的電流限制，輸出電流可達(dá)1 A，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。
1.2工作原理
此電源電路工作原理為：220 V三相的交流輸入電壓先經(jīng)三相不控整流，再經(jīng)支撐電容平滑，為電源電路提供550 V直流工作電壓。當(dāng)三相逆變器接通電源時(shí)，R5和C2吸收電路啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流。從逆變器主電路來(lái)的直流母線(xiàn)電壓經(jīng)電阻R6降壓后，給ＵＣ3842提供約16V的起動(dòng)電壓。進(jìn)入正常工作后，二次繞組W3經(jīng)D3，C16提供ＵＣ3842的工作電壓。另一繞組W2的高頻電壓經(jīng)D2，C13整流濾波，再經(jīng)7.5kΩ電阻R12，R13和2kΩ電位器RP1分壓，取得輸出電壓信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)可調(diào)穩(wěn)壓管ＴＬ431產(chǎn)生偏向信號(hào)，再經(jīng)光電隔離加到ＵＣ3842的誤差放大器放大，控制ＶＭＯＳ管的開(kāi)通與截止，完成穩(wěn)壓的目的。電源的過(guò)流維護(hù)由1.8Ω電阻R19檢測(cè)到ＶＭＯＳ管的過(guò)流信號(hào)，電流超越域值時(shí)封鎖ＵＣ3842輸出信號(hào)，完成單周期過(guò)流維護(hù)。
UC3842驅(qū)動(dòng)VMOS管VT1以控制高頻變壓器一次繞組通斷，進(jìn)而取得多組副邊電壓輸出。此輸出經(jīng)二極管整流、電容濾波后得到多路直流電壓。供應(yīng)三相逆變器各功率開(kāi)關(guān)元件驅(qū)動(dòng)(W6，W7，W8，W9)與ＰＷＭ控制電路(W2，W4，W5)。電路穩(wěn)定工作時(shí)UC 3842的電源由W3，D3，C16組成的電源電路提供。
ＶＭＯＳ管選用耐壓1000Ｖ，電流8Ａ的場(chǎng)效應(yīng)管8N100。為了保證開(kāi)關(guān)元件在快速開(kāi)關(guān)過(guò)程中不產(chǎn)生過(guò)大的尖峰電壓，需用C8，R15，D1組成的ＲＣＤ緩沖電路來(lái)抑止。緩沖電路二極管V3選用快速恢復(fù)二極管FR107。
R8，R9和穩(wěn)壓管D11用來(lái)限制柵極電壓和電流，進(jìn)而限制ＶＭＯＳ管開(kāi)關(guān)速度，有利于改善電磁兼容性。
+15V電源和-15V電源對(duì)控制電路電源精度請(qǐng)求較高，但由于共用同一個(gè)變壓器很難經(jīng)過(guò)PWM完成反應(yīng)控制來(lái)穩(wěn)壓。為取得高質(zhì)量的控制電源，應(yīng)用線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片7815和7915(如圖1所示)構(gòu)成了復(fù)合式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。為避免輸出在輕載或空載時(shí)的電壓升高，在5 V整流輸出端并聯(lián)一個(gè)100Ω的負(fù)載電阻。
2變壓器設(shè)計(jì)
電機(jī)控制逆變器開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)具有多路輸出的直流電源。由高頻變壓器8個(gè)副邊繞組經(jīng)整流濾波后取得。開(kāi)關(guān)電源的性能在很大水平上決議于變壓器的設(shè)計(jì)。
2.1功率計(jì)算
高頻變壓器的副邊繞組Ｗ6，Ｗ7，Ｗ8提供了三相逆變器3個(gè)上橋臂元件的驅(qū)動(dòng)電源，Ｗ9提供了下橋臂3個(gè)元件的驅(qū)動(dòng)電源(亦可用3個(gè)繞組分別提供，以防止穿插干擾，此處只用一組是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng))。按逆變器開(kāi)關(guān)元件對(duì)驅(qū)動(dòng)電路電壓、電流的請(qǐng)求肯定功率。本電機(jī)控制功率變換器功率模塊為IGBT，驅(qū)動(dòng)模塊為EXB841。選定Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4電壓20Ｖ，電流100mA；Ｗ5電壓20Ｖ，電流200mA。Ｗ6，Ｗ7繞組提供其他模仿電路±15Ｖ，300mA電源。Ｗ8繞組提供5Ｖ給微處置器，輸出電流為2Ａ。Ｗ2為開(kāi)關(guān)電源本身的反應(yīng)繞組，其功率很小，可疏忽。
由以上設(shè)定條件可知高頻變壓器的輸出功率為：
設(shè)計(jì)效率為85%并留有一定裕量，設(shè)計(jì)目的為額定功率為40 Ｗ的高頻變壓器。
2.2磁心的選用
依據(jù)文獻(xiàn)［3］給出的高頻變壓器最大接受功率與磁心截面積的關(guān)系并思索窗口面積，本開(kāi)關(guān)電源選用EI-35磁心，其有效截面積為100 mm2。
2.3繞組匝數(shù)確實(shí)定
首先肯定開(kāi)關(guān)電源功率和開(kāi)關(guān)元件的工作頻率。若工作頻率小于20 kHz，則進(jìn)入音頻范圍的噪聲較大，紋波增大。若開(kāi)關(guān)頻率較高，則開(kāi)關(guān)損耗增大，系統(tǒng)效率降低。因而肯定工作頻率時(shí)要折衷思索，實(shí)踐選擇工作頻率為30 kＨz。
取ＰＷＭ調(diào)制的占空比：
思索工作環(huán)境較為惡劣，最低直流輸入電壓：
EI35中心柱磁芯有效面積：Ae=100 mm2
鐵氧體磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度取65%的飽和值：
依據(jù)一個(gè)導(dǎo)通期間的伏秒值與原邊匝數(shù)的關(guān)系，則變壓器的原邊匝數(shù)為：
實(shí)踐取300匝以便于繞制與計(jì)算。則變壓器副邊繞組匝數(shù)計(jì)算如下：
原邊繞組每匝伏數(shù)為：
取整流二極管壓降0.7 V，副邊繞組壓降0.6 V得：
實(shí)驗(yàn)時(shí)由于氣隙的緣由產(chǎn)生漏磁，以上副邊匝數(shù)還需稍做調(diào)整。
2.4氣隙
與正激開(kāi)關(guān)電源變壓器不同，此還擊電源變壓器兼有儲(chǔ)能的作用，流過(guò)直流電流成分時(shí)容易飽和。所以要運(yùn)用帶有氣隙的磁芯。原理如圖3所示。
有氣隙時(shí)，由于B-H特性曲線(xiàn)斜率減小。在Hdc不變的狀況下Bdc減小，磁滯回環(huán)遠(yuǎn)離飽和區(qū)。另外，有氣隙時(shí)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br減小，ΔBac變化范圍增大。另外又由于有氣隙時(shí)B-H特性曲線(xiàn)向H軸靠攏，在ΔBac，Bdc不變的狀況下ΔHac，Hdc增大。由上可知，恰當(dāng)增加氣隙能夠加強(qiáng)電路的電流輸出才能和抗干擾才能。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)氣隙大小為0.3 mm時(shí)較為適宜。
3實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
此開(kāi)關(guān)電源5 V時(shí)輸出的紋波如圖4所示，峰值為15 mV，紋波不大于0.3％。該電源作為30 kW開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制器電源，在成功油田已得到實(shí)踐應(yīng)用，工作牢靠。
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