电流变技术用高压直流电源的研究

电流变技术用高压直流电源的研究

李菲菲

1

金健

2

黄训美

1

（1.山东兖矿国际焦化有限公司，山东兖州272100；2.山东华聚能源股份有限公司，山东邹城273500）

摘要基于电流变技术的需要，研究一种新型压直流电源，具有体积小和精度高等特点。电源以先进器件TMS320LF2402和单端反激式变换器为核心，以模糊算法为控制策略，达到微型化和高精度的目的。文章给出了电源详细的设计方案，经过测试和实践表明，完全能够提高电流变液体的反应特性，并有利于电流变技术的推广。

关键词：电流变技术；单端反激式；数字信号处理器；模糊控制

ResearchontheHighVoltageDCPowerSupplyforElectrorheologyTechnology

LiFeifei1JinJian2HuangXunmei1

(1.ShandongYankuangInternationalCokingCo.,Ltd,Yanzhou,Shandong272100;

2.ShandongHuajuEnergyCo.,Ltd,Zoucheng,Shandong273500)

AbstractAhighvoltageDCpowersupplywhichissmallandprecisemustbeinvestigated.TMS320LF2402andsingle-endreservedexcitinghavebeenadoptedasthesupplecore,andthefuzzyarithmetichasbeenusedasthecontrolstrategy,forimprovementofreducedvolumeandprecision.Inthispaper,thedetaileddesignscenariohasbeengiven.Bytestanduse,theconclusionisthatthesupplycanadvancethereactioncharacteristicofelectrorheologyfluid,andthesupplycanspreadtheelectrorheologytechnology.

Keywords：electrorheologytechnology；single-endreservedexciting；DSP；fuzzycontrol

1引言2工作原理及其结构组成

电流变技术是通过外加电场来控制材料流变特性的一种新技术，它具有可外加电场连续控制、响应速度快、能耗低等优点。由于其诸多优越性，引起了全世界科研工作者的广泛关注，近年来，出现了大量关于电流变技术及其应用的科研成果。

迄今为止，电流变技术还不能用于工程技术领域的原因，除了电流变材料性能不足之外，外加电场强度和电场频率是制约电流变技术发展的因素之一，所以研究出一种新型电流变技术用高压直流电源势在必行。通常用于电流变技术的高压直流电源存在许多缺点与不足，例如体积大、精度低、能耗高，本文试图研制一种基于先进控制器件和控制理论的新型电源，不但体积小便于安装而且具有大范围连续可调和精度高等特点。

2.1电流变工作原理

电流变效应是指在电场作用下，某些液体的流动阻力或剪切应力逐步变化和增加的过程。这一过程可以用以下的公式来描述[1]，即

dv

τ=+τER0EY(E)

dh

式中，τ；τER为液体流动时产生的剪切应力（Pa）EY为电流变液体在电场作用下的电致屈服力（Pa）；0

dv

为基液的粘度，cp；为剪切速率（1/s）。

dh

在零电场条件下τER=0，此时的电流变流体具

dv

有牛顿流体的性质，即0保持为常数，τ随的ER

dh

增大而增大。当施加电场后τEY(E)逐步增大，此后

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的τER

由两部分组成，流体具有Bingham流体的性质。当电场足够大时，τEY(E)趋向无穷大，液体固化，液体流动截止。2.2电源结构组成

由于电流变液体需要的工作电压达到几千伏，且连续可调，所以设计中采用PWM方式控制的高频开关电源，通过连续调节脉冲的宽度来达到调节输出电压的目的。开关电源与传统的线性稳压电源不同，它是用高频变压器取代了传统的低压线圈变压器，具有体积小、重量轻，功耗低，效率高（70%～90%左右）等特点。高压直流电源结构框图如图1所示。

图1高压直流电源框图

根据电流变材料的工作要求，由人机接口向DSP输入设定电压值，DSP系统通过D/A转换给开关功率管输入一个控制脉冲，高频变压器将交流市电整流出的电压升压，再经过倍压电路倍压后输出。输出电压经采样反馈与A/D转换送入DSP，再由DSP系统进行控制调节，使输出保持稳定。

3硬件部分设计

3.1整流滤波

典型的输入整流滤波电路由三到五个部分组成：EMI滤波器、起动浪涌电流器、起动浪涌电压抑制器、整流桥和输入滤波电容。如图2，就是本设计中的输入整流滤波电路，主要有输入EMI电路、起动浪涌电流器、整流桥、输入滤波电容组成。

图2整流滤波电路

电路中包括共模厄流圈（也称共模电感）L、滤波电容C101～C107、压敏电阻、整流桥等。L主要用来EMI滤波，滤除共模噪声，同时也防止开关电源产生的噪声反射入电网。压敏电阻主要起到防浪涌电压和浪涌电流的作用，当电流或者电压突然变大时，压敏电阻阻值也随之变大，这样可以有效起到防浪涌的作用。整流桥完成电压从交流到直流的转换，为后面电压变换做准备。C101、C104是X56

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电容，C103和C104是Y电容，前者用来滤除差模干扰，后者用来滤除共模干扰，这样可以保证输出电压稳定；C105、C106、C107都是滤波电容，使整流桥输出的电压直流电压平滑稳定。3.2高压发生

为了获得直流高压控制电源，通常有两种方法，一是用工频50Hz倍频升压整流的模拟升压方式；二是用高频振荡升压整流的开关升压方式[2]。相对于模拟方式，开关方式下工作的高压控制电源由于用高频变压器取代传统变压器升压，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、调整范围宽等优点。同时，由于电流变元件的驱动电压达到几千伏，而功率通常只有几瓦大小，只有开关放大方式才能以高的效率得到几千伏的小功率电压。

开关方式的主电路有以下几种形式：单端式电路、推挽式电路、半桥式电路及全桥式电路等。其中单端式电路的特点是价格低、电路简单、输出功率小，基本满足电流变技术的要求。故选用单端反激式开关电源电路作为高压发生电路。

图3

单端反激式电路

图3为单端反激式电路原理图。它的工作过程是：高频振荡电路产生一高频矩形脉冲信号，控制晶体管VT通断。当晶体管VT导通时，单片机输出的电压信号Uo加到开关电源变压器的初级绕组，初级绕组流过电流，由于变压器次级绕组的整流二极管反接，次级绕组中没有电流流过，能量将以磁能形式储存在变压器电感中。当开关管截止时，变压器感应电压与输入电压正好反向，使整流二极管VD导通，变压器中储存的能量将以电能的形式释放出来，供给负载电路。3.3倍压电路

用三个二极管和三个电容可以组成三倍整流电路，其工作原理如下：在第一个周期正半周时，二极管D1导通，于是对C1充电直至峰值2U，在此期间D2处于截止状态，因此C2不被充电，其两端无电压；在第一周期负半周时，C2也被充电至2U，至此，电路产生了三个不同的输出电压，但经过前两个二极管输出电压为变压器次级电压峰值的两倍；总之，电路中每个整流二极管承受的最大反响电压均为22U，

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电容C1上承受的电压为2U，C2和C3上承受的电压为22U，依次类推，用六个二极管和六个电容器就可以组成六倍压整流电路，其原理图如图4所示。

块等。程序流程图如图6所示。当没有旋动电位器时，PWM脉冲占空比保持稳定；当操作员有给定时，电位器电压变化，产生中断信号给DSP，TMS320LF2402A采集电压并开始调用AD转换模块，根据输出电压与给定电压的偏差，利用模糊控制算法对输出电压进行调节。进行闭环控制的另外个好处是当输入电压波动时，系统也能免收干扰，保证输出电压稳定。

图4六倍压整流电路原理图

3.4控制系统

如何能够保证输出电压稳定、精度高、动作迅速，经过作者多次实验，发现采有TI公司的TMS320LF2402完全能够满足要求，且该芯片频率高、内设多，是开关电源控制芯片的理想选择。TMS320LF2402采用C24DSP内核，并带有2KRAM、16KFLASH、10bit的ADC模块（转换时间50ns），16位定点计算。前向通道的输出电压采用北京世特美测控技术有限公司的SA1T3000V5V6霍尔电压传感器，该传感器测试最大电压可以达到3kV，且输出可以直接与DSP连接，且集成度体积小，完全能满足电流变用高压直流电源微型化的要求，便于电流变技术的推广。

图6

程序流程图

5电源性能测试

图5控制系统结构框图

4软件部分设计

为提高输出电压精度和控制的精确性，对直流电源系统实现了闭环控制，减小输出电压波动，保证电流变效应的正常发生。用户通过旋转电位器给系统提供个给定量，TMS320LF2402把输出量和给定量进行对比，不断调整PWM脉冲占空比，直至输出电压稳定。系统以模糊控制算法来实现，能有效缩短电压上升时间、减小超调量。

系统软件的编写主要包括系统任务的划分和模块程序的编写，系统主要功能模块包括初始化模块、PWM脉冲生成模块、AD转换、LCD显示模

表1

给定电压/V输出电压/V纹波/mV

0.50598.660

1.00121062

1.50176370

2.00247282

为了表征该高压电源输出电压特性，对高压直流电源输出特性进行测试测试指标包括输出电压与纹波。输出电压直接利用FLUKE17B数字万用表直接测量，纹波则利用TektronixTDS3000C型示波器和1000：1的XJ23702型高压高阻无源探头测量[3]。由于17B此款万用表直流电压测量范围为0～1000V，所以必须采用外接大功率精密电阻网络分压的方法进行测试，保证准确和安全的测试。进行纹波测试时，测示波器的频率不得大于20MHz，且必须是交流耦合方式。在电位器给定电压不同的情况下，测试结果如表1所示，电源输入输出特性曲线如图7所示。从表中可以看出，电源纹波较小，完全控制在3%的范围内；从图7中也可以看出，电源输入输出特性曲线近似成直线，所以电源性能较好，完全符合要求。

输出电压及其纹波测试数据

2.50307590

3.003608112

3.503612102

4.004082109

4.504875101

（下转第66页）

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小对于限流的贡献仅在于为电流在铁心饱和区增长提供了一个较小的初始值。

θsmt

大对于限流的贡献在于压缩了铁心饱和区的占宽，从而直接导致电流峰值和有效值的减小。极言之，如果θsmt

→0，那么，不论ratio多么小，限流效果也同样→0。所以，电流波形平台θsmt

的宽窄是饱和电抗器有否以及在多大程度上参与限流的度量。如果它确乎起到了限流作用，那么，就不仅一定存在电流平台，而且其占宽必然是可觉察的。

9

负载阻抗角φ对于饱和电抗器限流效果的影响

因为ratio≈0，所以，负载阻抗角φ对于饱和电抗器限流效果的影响主要从θsmt度量。在绝大多数情况下φ2≈φ。按照式（3），φ（sinφ）越大，2平台就越窄，限流效果越弱。

10

非零直流偏置对于饱和电抗器限流平台和限流效果的影响

（1）随着正向直流偏置的出现，a和b铁心的交直流总磁势为零（H近似为零）的点将在θ轴上分别向左和向右移动，原来在电流波形根部的平台将一分为二，被其中间的一段变化陡的曲线段所分隔，两个平台将分别在θ轴上左、右移动，平台的高度亦将有相应的变化以保持整个波形的连续性。

（上接第57页）

图7

输入输出电压特性曲线

6结论

本文介绍了电流变技术基本原理，设计了一种基于先进器件和先进控制策略的高压直流电源。经过测试和实践证明，该电源体积小、精度高、能更加有效的控制电流变材料，能有效推动电流变技术研究的前进，更加有利于将电流变技术在实践中推广开来。

参考文献

[1]

SimoneLess.AnElectrorheologicalStudyonthe

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电流的有效值将有所增加。

（2）随着直流偏置的加强，以上这种分离也越来越显著。在电流正向峰顶（反向谷底）两侧的两个平台将分别向峰顶（谷底）靠近以至于合二而一。在整个直流偏置逐渐加强的期间，平台的位置、陡度和宽度均会有相应的演变。

（3）继续增大直流偏置将使平台消失。这意味着饱和电抗器限流能力的彻底丧失。

11结论

饱和电抗器之所以能够限流的本质原因是交流绕组的自感电势，根据楞次定律，自感电势必然延缓电流的变化从而产生电流平台。

为了便于阐述和计算，本文引入了一些假设，例如：‘三相四线制’，‘平台较窄’，交流绕组反极性串联等等。但是，这些都不是本文主要结论赖以成立的前提。图1表明了本文主要结论对于‘三相三线制’的完全适用性。它在交流绕组反极性并联饱和电抗器中也是适用的，其论证大同小异，以故从略。

参考文献

[1]蔡宣三,高越农.可控饱和电抗器的原理、设计与应用.北京:中国水利水电出版社,2008.1.

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愈谢斌等.电流变液力悬置可控高压电源的设计[J].机械工程,2005,10:27-30.

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刘奇元等.一种基于PWM技术的数控高压源设计[J].湘潭大学学报,2004(3):119-122.

作者简介

李菲菲（1981-），女，工学学士，助理工程师，主要从事电力电气技术方面的研究。金

健（1982-），女，经济学学士，助理经济师，主要从事电厂安

全管理方面的研究。

黄训美（19801-），女，工学学士，助理工程师，主要从事仪器仪表技术方面的研究。