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,可以實現(xiàn)電機類感性負(fù)載的軟啟動/軟關(guān)斷功能,有利于抑制電動機的啟動電流,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。
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,可以實現(xiàn)電子開關(guān)的通用和互換,有利于維護和調(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;保護電路主要是對電子開關(guān)模塊進行過流保護,對BTS555內(nèi)部的電流信號進行信號調(diào)理,通過撥碼開關(guān)改變信號的放大倍數(shù),從而實現(xiàn)不同的過流保護值設(shè)定,過流保護信號光耦隔離后,上傳到控制上位機,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對其進行線性隔離,采樣值上傳到控制上位機,可使系統(tǒng)實時監(jiān)視電路工作狀態(tài)。
圖1 電子開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)框圖
全電化陸戰(zhàn)平臺中,有相當(dāng)一部分的電氣負(fù)載為電機類感性負(fù)載,電動機在啟動瞬間相當(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,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
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)模塊具備硬件保護和軟件保護功能[6]。通過BTS555內(nèi)置的電流傳感器采集電流,經(jīng)過運算放大,一路送到硬件保護電路。當(dāng)出現(xiàn)過流時,硬件保護電路動作,鎖存保護信號,并拉低BTS555的驅(qū)動,實現(xiàn)電子開關(guān)模塊的硬件保護功能,同時,利用電子開關(guān)模塊的驅(qū)動電路實現(xiàn)解鎖功能。另一路電流信號通過線性光耦LOC111,實現(xiàn)線性放大,并送到上位機的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)實現(xiàn)不同的負(fù)載電流保護值。根據(jù)輸配電系統(tǒng)的需要,共設(shè)置了5種電流保護值,分別為5、10、30、50、80 A,具體電路如圖5 所示。
圖5 過流保護電路
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。
為實現(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,分別實現(xiàn)信號的線性隔離,并上傳到上位機的A/D接口。
為驗證軟啟動/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)機電動機分別進行了硬開啟/硬關(guān)斷和軟啟動/軟關(guān)斷試驗,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)機電動機輸入電壓、電流波形。從圖7可看出:在增壓風(fēng)機電動機負(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)機電動機輸入電壓、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)機電動機輸入電壓、電流波形
圖8 軟啟動/軟關(guān)斷狀態(tài)時,增壓風(fēng)機電動機輸入電壓、電流波形
通過對電動機類感性負(fù)載的實驗,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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