一種軟啟動/軟關(guān)斷電子開關(guān)設(shè)計

閆之峰，馬曉軍，魏曙光，袁 東

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072)

在裝甲車輛中，傳統(tǒng)的開關(guān)為機(jī)械式接觸開關(guān)，在其開通和關(guān)斷的過程中，存在著火花、觸電燒蝕、電磁干擾較大等隱患，降低了裝甲車輛供電系統(tǒng)的可靠性［1］。全電化陸戰(zhàn)平臺是一個全新的理念，需要供電質(zhì)量高、可靠性高及智能化程度高的供電網(wǎng)絡(luò)。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械式接觸器、固態(tài)繼電器［2］等電路開關(guān)已不能滿足全電化陸戰(zhàn)平臺的需要。針對這種變化趨勢，本文設(shè)計了一種具有軟啟動/軟關(guān)斷功能的電子開關(guān)模塊，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)類感性負(fù)載的軟啟動/軟關(guān)斷功能，有利于抑制電動機(jī)的啟動電流，減小供電電網(wǎng)的電壓波動，改善供電質(zhì)量［3－5］。同時，設(shè)計的采樣電路可以精確測量電壓、電流信號，有利于電網(wǎng)的智能化控制和故障自診斷。

1 總體結(jié)構(gòu)

電子開關(guān)模塊以智能開關(guān)管BTS555為核心元器件，采用模塊化的設(shè)計思想，可以實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)的通用和互換，有利于維護(hù)和調(diào)試，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括電子開關(guān)模塊主電路、控制電路、軟啟動/軟關(guān)斷電路、保護(hù)和采樣電路等。主電路的輸入端直接和BTS555的金屬散熱面相連，可以保證電子開關(guān)模塊有較大的電流容量;控制電路采用光耦元件TLP521和主電路進(jìn)行隔離，提高了電子開關(guān)模塊的電磁兼容性;軟啟動/軟關(guān)斷電路采用脈沖控制技術(shù)，在啟動和關(guān)斷時，脈沖占空比按照從小到大/從大到小的規(guī)律變化，直到完全開通/關(guān)斷;保護(hù)電路主要是對電子開關(guān)模塊進(jìn)行過流保護(hù)，對BTS555內(nèi)部的電流信號進(jìn)行信號調(diào)理，通過撥碼開關(guān)改變信號的放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同的過流保護(hù)值設(shè)定，過流保護(hù)信號光耦隔離后，上傳到控制上位機(jī)，指示故障;采樣電路包括電流采樣和電壓采樣，分別采用線性光耦LOC111對其進(jìn)行線性隔離，采樣值上傳到控制上位機(jī)，可使系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)視電路工作狀態(tài)。

圖1 電子開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)框圖

2 關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1 軟啟動/軟關(guān)斷電路

全電化陸戰(zhàn)平臺中，有相當(dāng)一部分的電氣負(fù)載為電機(jī)類感性負(fù)載，電動機(jī)在啟動瞬間相當(dāng)于短路狀態(tài)，將會產(chǎn)生較大的電流尖峰，引起電網(wǎng)電壓較大的波動，對某些電氣設(shè)備的正常工作構(gòu)成了威脅。因此，在電子開關(guān)設(shè)計中，充分考慮到這類負(fù)載的工作特點(diǎn)，添加了軟啟動/軟關(guān)斷電路。

圖2 軟啟動過程示意圖

軟啟動/軟關(guān)斷電路主要包括三角波產(chǎn)生電路、線性充電電路和比較電路3個部分。圖2為軟啟動過程示意圖，圖中三角波產(chǎn)生電路生成固定頻率的三角波，與線性充電電路中的電容電壓進(jìn)行比較，在一個三角波周期中，當(dāng)電容電壓＞三角波電壓時，比較器輸出為“正”;反之，比較器輸出為“零”。

圖3為三角波產(chǎn)生電路，其主要功能是產(chǎn)生頻率為1 kHz的三角波，三角波的幅值為2～8 V，三角波電壓接入比較器LM193的“負(fù)”輸入端。圖4為線性充電和比較電路，當(dāng)控制信號為高電平時，Q2導(dǎo)通，從而電流經(jīng)過RC對電容E1線性充電，電容電壓接入比較器LM193的“正”輸入端。經(jīng)比較器比較之后，產(chǎn)生方波信號，以此驅(qū)動BTS555的控制信號端。工作時，電容電壓在0～10 V左右，可以保證控制信號的開通和關(guān)斷狀態(tài)的可靠性。

圖3 三角波產(chǎn)生電路

2.2 保護(hù)電路

圖4 線性充電電路、比較電路

當(dāng)負(fù)載短路或過流時，電子開關(guān)模塊具備硬件保護(hù)和軟件保護(hù)功能［6］。通過BTS555內(nèi)置的電流傳感器采集電流，經(jīng)過運(yùn)算放大，一路送到硬件保護(hù)電路。當(dāng)出現(xiàn)過流時，硬件保護(hù)電路動作，鎖存保護(hù)信號，并拉低BTS555的驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)模塊的硬件保護(hù)功能，同時，利用電子開關(guān)模塊的驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)解鎖功能。另一路電流信號通過線性光耦LOC111，實(shí)現(xiàn)線性放大，并送到上位機(jī)的A/D口，利用軟件程序判斷是否過流，同時決定驅(qū)動脈沖的高低。

考慮到每路負(fù)載情況的不同和電子開關(guān)模塊的通用性，采用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同的負(fù)載電流保護(hù)值。根據(jù)輸配電系統(tǒng)的需要，共設(shè)置了5種電流保護(hù)值，分別為5、10、30、50、80 A，具體電路如圖5 所示。

圖5 過流保護(hù)電路

2.3 散熱

BTS555具有很小的導(dǎo)通電阻，但當(dāng)負(fù)載電流較大時，其發(fā)熱量仍然很大，必須采用散熱器進(jìn)行散熱。為減小電子開關(guān)模塊的體積、質(zhì)量，避免增加電子開關(guān)額外損耗，設(shè)計采用了散熱器作為導(dǎo)電介質(zhì)，即散熱器作為電子開關(guān)模塊的主電輸入端。同時，為減小電子開關(guān)模塊的導(dǎo)通損耗和散熱器體積，對于額定負(fù)載電流超過50 A的電子開關(guān)模塊，采用了2只BTS555并聯(lián)使用的方案。

2.4 電壓、電流采樣電路

為實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)模塊對坦克全車輸配電系統(tǒng)的智能化管理和用電設(shè)備的在線故障診斷技術(shù)，設(shè)計中采用了電壓、電流采樣電路(見圖6)，可以實(shí)時采集電子開關(guān)模塊的輸出電壓和輸出電流。為減小對控制電路的干擾，利用線性光耦LOC111，分別實(shí)現(xiàn)信號的線性隔離，并上傳到上位機(jī)的A/D接口。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證軟啟動/軟關(guān)斷電子開關(guān)的優(yōu)越性，對某型號裝甲車輛增壓風(fēng)機(jī)電動機(jī)分別進(jìn)行了硬開啟/硬關(guān)斷和軟啟動/軟關(guān)斷試驗(yàn)，檢測開通至關(guān)斷過程中的輸入電壓和電流的變化情況。

圖7為增壓風(fēng)機(jī)電動機(jī)輸入電壓、電流波形。從圖7可看出:在增壓風(fēng)機(jī)電動機(jī)負(fù)載電路中，電子開關(guān)模塊處于硬開啟/硬關(guān)斷狀態(tài)時，在開啟的瞬間，電路中瞬間電流達(dá)到150 A，是正常工作電流的15倍，電壓出現(xiàn)了7 V左右的波動;在關(guān)斷的瞬間，輸入電壓波形也出現(xiàn)了2 V左右的波動。因此，硬開啟/硬關(guān)斷的工作模式將會給電網(wǎng)帶來較大的波動。

圖8為軟啟動/軟關(guān)斷狀態(tài)時，增壓風(fēng)機(jī)電動機(jī)輸入電壓、電流波形。從圖8可看出:在軟開啟時間為2.5 s和軟關(guān)斷時間為0.3 s時，電動機(jī)開啟瞬間的電流僅為20 A左右，是正常工作電流的2倍，相比硬開啟狀態(tài)下的啟動電流減小了約87%，同時開啟和關(guān)斷時電網(wǎng)電壓波動很小。但同時可以看出，在開啟過程中，由于電子開關(guān)處于高頻的開通、關(guān)斷狀態(tài)，輸入電壓波形的毛刺較大，存在一定的電磁干擾［7］。

圖6 電壓、電流采樣電路

圖7 硬開啟/硬關(guān)斷狀態(tài)時，增壓風(fēng)機(jī)電動機(jī)輸入電壓、電流波形

圖8 軟啟動/軟關(guān)斷狀態(tài)時，增壓風(fēng)機(jī)電動機(jī)輸入電壓、電流波形

4 結(jié)論

通過對電動機(jī)類感性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)，軟啟動/軟關(guān)斷電子開關(guān)的應(yīng)用具有以下幾個方面的重要意義:1)相比傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)，具有投切無火花和觸電燒蝕現(xiàn)象，提高了電網(wǎng)供電的可靠性;2)軟啟動/軟關(guān)斷技術(shù)可降低電機(jī)類負(fù)載啟動時的電流沖擊，減小電網(wǎng)的電壓波動，提高供電質(zhì)量;3)電流沖擊的減小有助于提高功率器件的安全使用壽命;4)電流和電壓采樣電路為實(shí)現(xiàn)配電智能化控制與管理、故障診斷提供有效支撐。

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