異步電動機節(jié)能控制系統(tǒng)輔助電源設(shè)計

李許軍，姜毅龍，李宗義，楊新華

（1.甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 天水741001；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

異步電動機節(jié)能控制系統(tǒng)輔助電源設(shè)計

李許軍1，姜毅龍1，李宗義1，楊新華2

（1.甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 天水741001；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

針對以IGBT模塊為逆變器的異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)輔助電源要實現(xiàn)寬范圍電壓輸入和多路隔離輸出的問題，采用了單端反激式多路輸出結(jié)構(gòu)作為輔助電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)計了以PWM控制芯片TL2844B為調(diào)節(jié)核心的單端反激多路輸出開關(guān)電源的方案，詳細(xì)介紹了高頻變壓器、緩沖吸收電路、啟動電路、電壓反饋電路、電流限制等電路的設(shè)計，最后進行了輔助電源樣機試驗。實驗結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)各路電壓輸出穩(wěn)定，高頻噪聲小，在實際應(yīng)用中，滿足了異步電機節(jié)能控制系統(tǒng)中對輔助電源的各項要求。

節(jié)能控制器；輔助電源；反激式開關(guān)電源；TL28448；多路輸出

開關(guān)電源的發(fā)展方向是頻率更高、體積更小、電壓更低、電流密度更大、效率更高、線路簡潔、可靠性高，而且有自動均衡各路輸出負(fù)載的能力，所以常用于各種電器電源或功率開關(guān)的驅(qū)動電源。在不同的電子系統(tǒng)，不僅要求具有各種電壓組合輸出，而且對這些電源電壓的諸多電特性也有較嚴(yán)格的要求，如電壓精度，電壓的負(fù)載能力（輸出電流），電壓的紋波和噪聲，電壓過沖，跨步負(fù)載響應(yīng)，抗干擾能力等[1-4]。

在異步電動機降壓或變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)中，常以IGBT模塊為核心的電路實現(xiàn)電機的控制。系統(tǒng)對其輔助電源要求實現(xiàn)多路輸出不同電壓，并且要求各路負(fù)載能力不同、穩(wěn)壓精度也不同。為此，本研究從應(yīng)用和成本角度出發(fā)，采用結(jié)構(gòu)簡單的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過變壓器耦合調(diào)節(jié)多繞組實現(xiàn)多路輸出的設(shè)計方案，旨在滿足設(shè)計需求的同時兼顧成本；對電壓紋路要求較高的輸出電壓的精確穩(wěn)壓，同時進行噪聲抑制，以滿足控制系統(tǒng)的要求[5]。

在以IGBT模塊為核心電機節(jié)能控制系統(tǒng)中輔助電源主要有：

1）+15 V、-5 V：作為IGBT柵極驅(qū)動電源（精確穩(wěn)壓）；

2）+15 V、-15 V：為控制系統(tǒng)的模擬集成電路提供電源；

3）+5 V電源：為控制系統(tǒng)數(shù)字集成電路供電（精確穩(wěn)壓）；

4）+24 V：繼電器電路提供電源。

其中，+24 V、+15 V和-15 V以及一路+5 V電源由開關(guān)電源提供。另一路+5 V電源和IGBT模塊柵極驅(qū)動電源+15 V 與-5 V組合需要精確穩(wěn)壓。

1　開關(guān)電源設(shè)計

該輔助電源設(shè)計原理圖如圖1所示。整個電路由輸入整流濾波電路、高頻壓器、啟動電路、穩(wěn)壓電路、輸出電路、反饋電路和保護電路等組成。220 V交流電經(jīng)過整流濾波后，通過單端反激變換器轉(zhuǎn)換為＋24 V、＋15 V和-5 V、±15 V、＋5 V輸出，其中＋5 V、＋15 V和-5 V輸出是最重要且紋波要求較高的，因此對＋15 V和-5 V輸出進行電壓反饋調(diào)節(jié)；對＋5 V輸出采用7805進行穩(wěn)壓。考慮到輔助電源的負(fù)載是固定的，其他各路輸出電壓的質(zhì)量要求不高，在滿足系統(tǒng)要求下，考慮低成本的角度出發(fā)，對于其他各路輸出不在采用二次穩(wěn)壓和LC濾波。

圖1　開關(guān)電源原理圖

1.1高頻變壓器的設(shè)計

用于開關(guān)電源的高頻變壓器磁芯都是鐵磁合金，實際應(yīng)用的磁芯材料有鐵氧體、超微晶合金等。選擇磁芯時最重要的考慮因素是在工作頻率點處的損耗和磁密，因此正確的選擇高頻變壓器磁芯，對變壓器性能發(fā)揮至關(guān)重要[6-8]。

高頻變壓器磁芯材料選用錳-鋅鐵氧體，其飽和磁感應(yīng)強度為：5 000 Gs，相對磁導(dǎo)率：ur=300～500，取最大磁通密度：Bm=0.2 T。當(dāng)磁芯中磁感應(yīng)強度小于Bm=0.2 T時，磁芯的相對磁導(dǎo)率可?。簎r=2 000，變壓器磁芯面積乘積為：

其中窗口利用系數(shù)KW取0.3，繞組電流密度KJ取3 A/mm2。Ac為磁芯截面積，Am為窗口面積，Bm為磁通密度。對于多路輸出的高頻變壓器，由于繞組比較多，在選擇磁芯時AcAm比計算值大很多，這樣方便變壓器繞制，同時變壓器的散熱比較好，溫升問題也較小[9]。

原邊直流電壓范圍：

U1=220～311 V

?。弘娫措妷鹤畹汀⒇?fù)載最大時，最大占空比為50%，可得原邊匝數(shù)：

原邊電流最大值的計算：

主輸出繞組:

只要主輸出繞組匝數(shù)大于上式的計算值，開關(guān)管就不會過壓。

其他繞組所需匝數(shù):

其中VOn該路輸出電壓，VDn為管壓降，取0.7 V，VO1為主輸出電壓。

1.2輸入整流濾波電路

輸入整流濾波電路通常由EMI濾波器、浪涌電壓電流抑制器、整流器和濾波電容組成。圖1中220 V交流電由保險管FU加至抗浪涌電容C1兩端，經(jīng)電感Ll加至全橋整流器D1～D4，經(jīng)整流和C5濾波后獲得約+300 V電壓。其中L1為共模電感，選用10 mH的鐵氧體高頻電感線圈，用于抑制共模信號[11-12]。C1、C2主要用來抑制差模信號，C3為輸入濾波電容，選取47 uF/400 V鋁電解電容。

1.3TL2844B的啟動電路和供電電路

TL2844B的第7引腳為芯片的工作電源，其工作電壓為15 V，關(guān)閉電壓為10 V，直流高壓分為兩路：一路經(jīng)變壓器初級繞組直接加至MOS管的漏極；另一路經(jīng)啟動電阻R2、R3降壓給TL2844B第7腳VCC并聯(lián)的電容C5充電，當(dāng)VCC≥15 V時芯片啟動工作，同時變壓器次級饋電繞組及C5、C6、R5和D7組成的電路在系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定后輸出+15 V電源到VCC，以保持芯片的正常工作，所以當(dāng)啟動電阻確定后，C5電容值需要合適選擇，其容量選擇47 uF/35 V。為保護TL2844B芯片，電源端VCC輸入端設(shè)有穩(wěn)壓二極管，用于保證其內(nèi)部電路工作在30 V以下，防止高壓沖擊損害器件。

1.4穩(wěn)壓電路設(shè)計

在系統(tǒng)中，IGBT柵極驅(qū)動電源+15 V和-5 V組合輸出精度要求較高，因此對其進行電壓反饋穩(wěn)壓，電壓反饋電路通過電阻R13、R15對+15 V的輸出電壓進行分壓，將R15得到的采樣電壓與TL431的參考端2.5 V進行比較。若采樣電壓小于2.5 V（或相等），則TL431未工作，陰極電流很小，此時P521光耦不導(dǎo)通。在圖2中，TL2844B的第1腳COMP為高電位，約為5.8 V（經(jīng)過兩個二極管壓降再通過電阻分壓得到的電壓約為1.8 V，但由于TL2844B芯片內(nèi)部有1 V穩(wěn)壓管，電流感應(yīng)比較器反相輸入端為1 V，其輸出R為低電平）?；蜷T輸出保持原有狀態(tài)（當(dāng)S為高電平時，無論R是何狀態(tài)，MOS管此時關(guān)斷，即R對或門的輸出無影響，當(dāng)S轉(zhuǎn)為低電平，RS觸發(fā)器保持原有狀態(tài)），從而輸出以最大占空比進行輸出。

圖2　TL2844B內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)輸出電壓偏高時，則采樣電壓大于2.5 V，流過TL431的陰極電流增大，P521光耦導(dǎo)通，RS觸發(fā)器R為高電平。在開關(guān)周期內(nèi)，S為高電平表示開關(guān)管關(guān)斷，輸出R對或門輸出無影響，若S為低電平，RS觸發(fā)器輸出高電平，表示無論開關(guān)管在什么狀態(tài)，或門輸出為高電平，開關(guān)管關(guān)斷，輸出占空比下降，導(dǎo)致輸出電壓降低。

1.5電流限流電路設(shè)計

在反激式電源DC/DC變換器中，流過變壓器和MOS管的電流為脈沖電流，必須限制流過MOS管和變壓器中的最大電流，同時也能有效地抑制輸入電壓的尖峰產(chǎn)生的過電流[13]。

開關(guān)管導(dǎo)通時，通過電阻R10、R11組成的電流檢測電阻，在檢測電阻上產(chǎn)生一個電壓降，該電壓與TL2844B的內(nèi)部電流比較器的另一端進行比較，如圖2所示TL2844B的內(nèi)部電路，當(dāng)這電壓達到一定值時，鎖存器復(fù)位，開關(guān)管截止；正常運行時，檢測電阻上的峰值電壓由誤差放大器控制。TL2844B的內(nèi)部電流感應(yīng)比較器反向輸入端鉗位電壓為1 V，因此最大峰值電流限制為I=1/（R10//R11）。為了防止在MOS管導(dǎo)通期間因個別原因產(chǎn)生尖峰電流使得檢測電壓升高，導(dǎo)致MOS管誤關(guān)斷，在電壓檢測輸入端加入了由R5和C8組成RC濾波電路，以此濾除MOS管導(dǎo)通時鋸齒波的前端小尖峰。

1.6緩沖吸收電路設(shè)計

在反激式變換電源中，當(dāng)MOS管關(guān)斷時，變壓器漏感與MOS管及變壓器的寄生電容之間的諧振會在MOS管兩端產(chǎn)生很大的尖峰電壓，有可能損壞管子或造成管子硬開通，產(chǎn)生不良后果，本設(shè)計采用RCD箝位電路保護開關(guān)管[14-15]。圖1中，在開關(guān)變壓器初級繞組上并聯(lián)吸收電路，即當(dāng)管子關(guān)斷時，D5給C4充電，把尖峰電壓鉗位在安全值以下，通過R1釋放積聚的能量，以此來減少開關(guān)管所承受電壓沖擊，確保電路安全可靠運行。

RCD箝位電路參數(shù)的選定要考慮到變壓器原邊最大電流、最大輸入電壓以及MOS管的各項參數(shù)，由于系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化時箝位電壓會隨之變化，R1、C4參數(shù)選擇合適，不僅能抑制開關(guān)管的關(guān)斷尖峰電壓，而且箝位電阻R1的損耗較低。在RCD箝位電路設(shè)計中D5選用高壓快恢復(fù)管RFl07，C8選用耐壓在1 kV左右，且功率須在1 W以上的電容。

2　樣機測試結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計組裝出電源樣機，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后，對各輸出電壓進行了測試，結(jié)果表明電源各個參數(shù)均達到設(shè)計要求。圖3為設(shè)計的開關(guān)電源應(yīng)用電路，圖4所示為+5 V輸出波形圖，輸出波形沒有尖銳的毛刺，波動峰值均小于50m V。在整個系統(tǒng)調(diào)試運行過程中，輔助電源工作穩(wěn)定可靠，基本達到系統(tǒng)設(shè)計的要求。

圖3　應(yīng)用電路（部分）

圖4　5V輸出波形圖

3　結(jié)束語

文中采用TL2844B作為控制芯片，利用電壓閉環(huán)反饋和電流的限流調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)了多路電壓的穩(wěn)定輸出；同時設(shè)計了過壓和過流保護電路既能保護開關(guān)管又能保證系統(tǒng)的效率。由于TL2844B的功能高度集成，性能優(yōu)良、管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、價格低廉等優(yōu)點，為設(shè)計降低了設(shè)計難度和成本。文中設(shè)計的開關(guān)電源的在異步電機節(jié)能控制器中得到應(yīng)用，運行效果良好。

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The design of auxiliary power supply of the energy saving control system for asynchronous motor

LI Xu-jun1，JIANG Yi-long1，LI Zong-yi1，YANG Xin-hua2
（1.Gansu Mechanical&Electrical Vocational and College，Tianshui 741001，China；2.College of Computer and Communication，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Aiming at the problem that the energy saving control system for asynchronous motor with IGBT module as the inverter assist power supply to achievethe voltage input at super wide rangeand multi-channel and separation output，the single flyback multi-output structure is used as the main circuit topological structure of the auxiliary power supply.The paper designed the solution of the single flyback multi-output switching power supply as the regulative core of PWM control chip TL2844B，introduced the design of circuit about the high frequency transformer，buffer absorption circuit，soft-starting circuit，voltage feedback circuit and current limitationin detail，and finally carried out the prototype test of auxiliary power supply.Experimental results show that it is stable about various voltage outputsof power supply system，the high frequency noise is small，and it can meet the requirements of the auxiliary power supply in the energy saving control system for asynchronous motorin the practical application.

energy-saving controller；auxiliary power supply；flyback switching power supply；TL28448；multiplexed output.

TN86

A

1674－6236（2016）22-0060-04

2015-11-24稿件編號：201511224

天水市科技支撐計劃項目（201309）

李許軍（1981—），男，甘肅天水人，講師。研究方向：電氣自動化。