高穩(wěn)定度大功率電磁鐵掃描電源的研制*

侯瑞芬 張志高 范 雯 賀 建 戴 璐 林安利

(中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

隨著稀土永磁材料磁性能的不斷提高，機(jī)電、醫(yī)療器械和磁選機(jī)等永磁體的主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ判阅艿臏y量提出了更高要求，希望能夠直接測量更大尺寸的高矯頑力材料，這就需要測量所用的電磁鐵能提供更大的高穩(wěn)定度磁場和均勻區(qū)，因此，在磁性材料測量領(lǐng)域迫切需要更高電壓、更大電流的大功率高穩(wěn)定度的電磁鐵掃描電源。

當(dāng)前大量采用的電磁鐵掃描電源有三種類型。一是傳統(tǒng)的橋式電源，它存在穩(wěn)定度低、過零點(diǎn)電流不連續(xù)、功率不大、輸出電流和輸出電壓不夠高、缺乏高度可靠的保護(hù)措施等缺點(diǎn)；二是可控硅電源，它對(duì)電網(wǎng)干擾強(qiáng)烈，缺乏安全保障；三是線性掃描電源，或稱OCL式電源，國外的這類產(chǎn)品，例如美國LAKESHORE公司的MODEL660系列電磁鐵電源和美國GMW公司的MODEL231HC系列電磁鐵電源，具有穩(wěn)定度高、紋波小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在明顯的缺欠，主要表現(xiàn)在：效率低，大功率電源使用循環(huán)水冷，為了給冷卻水降溫，又使用空調(diào)制冷，增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。其次，采用了低電壓、大電流輸出方式，要求電磁鐵繞組并聯(lián)使用，增大了電磁鐵制造難度。為此，我們研制了高穩(wěn)定度電磁掃描電源，本文介紹的掃描電源既具有線性掃描電源的全部優(yōu)點(diǎn)，又克服其缺點(diǎn)，具有效率高和輸出電壓高等特點(diǎn)。

1 工作原理

高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源的工作原理框圖如圖1所示。電網(wǎng)的三相供電首先流經(jīng)三相啟動(dòng)電路到三相主變壓器，經(jīng)過降壓升流之后，分別流向可控硅正、負(fù)壓隨動(dòng)電源，得到正隨動(dòng)電壓V+和負(fù)隨動(dòng)電壓V-。這兩路電壓分別供給OCL甲乙類推挽功率放大器的PNP型復(fù)合管和NPN型復(fù)合管。OCL為負(fù)載RL提供正負(fù)掃描電流。通過從采樣電阻器RS上獲得的采樣電壓，能準(zhǔn)確測量向RL提供的輸出電流，同時(shí)，主控制電路根據(jù)這一電壓控制OCL放大器的輸出電流，并經(jīng)過反饋系統(tǒng)確保輸出電流的高準(zhǔn)確性和高穩(wěn)定度。

圖1 工作原理框圖

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 效率的提高與隨動(dòng)供電技術(shù)

可控硅式隨動(dòng)供電設(shè)計(jì)是本電源的核心技術(shù)。眾所周知，在掃描電源中消耗功率最大的是輸出大功率管，而大功率管的功耗等于集電極到發(fā)射極壓降乘以流過晶體管的電流。該電流就是電源的輸出電流，它是不可減少的工作電流，因此，設(shè)法降低管壓降是減少管耗和提高效率的重要途徑。

為了便于分析，首先假設(shè)電磁鐵是一個(gè)阻性負(fù)載(由于掃描速度很低，電磁鐵的感性分量影響可以暫作忽略)，即電壓和電流同相位；其次假設(shè)當(dāng)掃描到最大電流時(shí)，輸出的最高電壓達(dá)到直流供電電源的電壓，由此可以得到圖2和圖3所示的輸出電壓、電流和管消耗曲線。圖中，V+和V-為直流正負(fù)供電電源電壓，PNP和NPN大功率晶體管管壓降和流過的電流分別為Uc+、Ic+和Uc-、Ic-。

圖2 普通電源的輸出電壓、電流和管功耗圖

圖3 隨動(dòng)供電下的電壓、電流和管功耗波形

圖2為普通掃描電源的PNP、NPN晶體管一個(gè)掃描周期中的管壓降和管電流的波形圖以及功耗波形圖。圖3為在本電源隨動(dòng)供電下的電壓、電流和兩管的功耗波形。晶體管的功耗Pc表示為：

Pc=Uc×Ic

(1)

對(duì)于普通掃描電源，當(dāng)最大輸出為200V、50A時(shí)，按照式(1)計(jì)算，可得最大管功耗Pcmax為2500W。在隨動(dòng)供電方式下，如果供電電壓始終接近于管壓降5V，則晶體管的最大功耗為125W，如果供電電壓始終接近于管壓降10V，則晶體管的最大功耗為250W。對(duì)比2500W，隨動(dòng)供電下的管功耗僅為普通方式下的1/10～1/20，這就是隨動(dòng)供電能夠大幅度降低管耗的根本原因。

2.2 高壓脈沖的消除

作為電磁鐵電源，負(fù)載電磁鐵為感性負(fù)載，工作中感應(yīng)電壓u與電流i的關(guān)系為：

(2)

由于電磁鐵的電感L很大，所以，當(dāng)電流i不能平穩(wěn)變化時(shí)，容易在電磁鐵兩端感應(yīng)出高電壓，一方面會(huì)影響測量精度，另一方面容易擊穿電路中的大功率管，圖4為這種感應(yīng)高電壓的原理圖。圖5為高壓脈沖的消除電路，C1、C2為1000μF的電解電容，D1、D2為二極管，吸收和鉗位來自負(fù)載倒灌的高壓脈沖。D1和C2吸收正向高壓脈沖，D2和C1吸收負(fù)向高壓脈沖，R構(gòu)成放電回路。

圖4 感應(yīng)高壓的原理圖

圖5 高壓脈沖消除電路

2.3 高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

為保證電源輸出的穩(wěn)定性，采用了如圖6所示的電路。電壓基準(zhǔn)源輸出的基準(zhǔn)電壓通過由R1、C1、A1組成的積分回路和功率放大器放大后給電磁鐵供電，輸出電流通過采樣電阻R3轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，此信號(hào)由差分放大器A2放大后經(jīng)過R2反饋到積分器輸入端，當(dāng)反饋信號(hào)與基準(zhǔn)電壓正負(fù)相反時(shí)，積分器達(dá)到平衡狀態(tài)，如此，輸出電流的大小就鎖定在基準(zhǔn)電壓上。要實(shí)現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定，反饋環(huán)路中各元器件的選擇至關(guān)重要，基準(zhǔn)電壓、R1、R2、R3、A1、A2和功率放大器均需要選用低溫漂的器件。特別指出，由積分器構(gòu)成的負(fù)反饋系統(tǒng)是一階無差系統(tǒng)，因此，輸入電流無靜態(tài)誤差地跟隨直流基準(zhǔn)電壓。

圖6 電流穩(wěn)定性設(shè)計(jì)示意圖

2.4 輸出電壓的提高

對(duì)于一種掃描電源，提高輸出電流并不難，只要在輸出級(jí)并聯(lián)大功率管就能奏效，但是，提高輸出電壓卻不容易。因?yàn)楦邠舸╇妷旱拇蠊β使?，尤其是PNP型管，在制造工藝上有很大難度，很難買到，但是PNP小功率管卻相對(duì)容易找到高擊穿電壓管。本電源設(shè)計(jì)的電路，小功率的前級(jí)使用一個(gè)高擊穿電壓的PNP管，以后各級(jí)采用NPN大功率管，構(gòu)成復(fù)合管，這樣既能構(gòu)成PNP型，又能吸收高壓大電流，從而達(dá)到提高輸出電壓的目的。另外，采用隨動(dòng)電源，當(dāng)正輸出時(shí)，負(fù)隨動(dòng)電源幾乎不供電，反之亦然。所以，晶體管在非輸出狀態(tài)下所承受的電壓只是傳統(tǒng)雙極電磁鐵電源的一半，采用相同的晶體管，相同輸出電流時(shí)，輸出電壓和輸出功率都可提高一倍。

3 測試結(jié)果

按照本電源的設(shè)計(jì)要求，用測量大塊稀土永磁材料專用電磁鐵作負(fù)載，組成永磁材料測量系統(tǒng)，對(duì)電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試。電源的輸出電壓范圍為±200V，輸出電流范圍為±50A，1小時(shí)輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-5，最大輸出電流時(shí)效率優(yōu)于90%，輸出電流50A時(shí)紋波為5mA，線形調(diào)整率為0.01%。

對(duì)輸出電流在1小時(shí)內(nèi)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，表1給出了不同電流下的測試結(jié)果。

表11小時(shí)內(nèi)電流穩(wěn)定性測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用多種新技術(shù)研制成功高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵掃描電源。測試結(jié)果表明：按照本文介紹的原理和關(guān)鍵技術(shù)制作的掃描電源達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以作為測量大塊稀土永磁材料的大功率掃描電源，滿足測量強(qiáng)磁場的技術(shù)要求。

[1] Lakeshore Inc，Modal 648 Electromagnet Power，use’s manual

[2] 李之彬.TPS系列測試電源技術(shù)及其發(fā)展.電測與儀表，2002(6)

[3] 林安利，等.中國電氣工程大典(第一版).北京：中國電力出版社，2009

[4] GB/T 3217—92 永磁(硬磁)材料磁性能試驗(yàn)方法

[5] 張志高，賀建，等.永磁磁滯回線儀現(xiàn)場計(jì)量方法的研究.計(jì)量技術(shù)，2011(10)