磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流后備電源設(shè)計(jì)

引言

在各類(lèi)工程現(xiàn)場(chǎng) , 電網(wǎng)和配電系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的斷電情況時(shí)常發(fā)生。對(duì)于短時(shí)間電網(wǎng)"晃電"狀況 ,大型機(jī)電設(shè)備由于較大電磁慣性和機(jī)械慣性 ,通常不會(huì)受到明顯影響 ,但在一些重要的工業(yè)檢測(cè)和控制場(chǎng)合 ,任何形式的斷電故障都將給系統(tǒng)安全帶來(lái)威脅。

MR(Magneto-rheological)阻尼器是利用磁流變液體在磁場(chǎng)作用下的流變效應(yīng)提供可控阻尼力的半主動(dòng)控制器件 , 具有出力大、響應(yīng)快、耗能低、工作穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)良特性?，F(xiàn)代拉索橋減振控制工程中廣泛使用磁流變阻尼器作為阻尼元件實(shí)現(xiàn)拉索振動(dòng)控制。但是 ,拉索橋易受極端天氣侵?jǐn)_ ,導(dǎo)致斷電事故發(fā)生概率陡增 , 因此必須配備可靠的后備電源系統(tǒng) 。工程中多使用交流不間斷電源作為后備電源 ,但前級(jí)逆變?cè)黾恿四芰繐p耗 , 同時(shí)受制于繼電器延時(shí)作用 ,只能達(dá)到毫秒級(jí)的切換速度 ,不能滿(mǎn)足效率高和響應(yīng)速度快的雙重要求。超級(jí)電容是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型儲(chǔ)能裝置 ,具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大的特點(diǎn) ,越來(lái)越多地被應(yīng)用于綠色高效電源系統(tǒng)。

本文研究設(shè)計(jì)了一種磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流不間斷電源 ,并在磁流變阻尼器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)不間斷電源斷電情況下的電能補(bǔ)償性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由電壓比較模塊 、功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路和 DC/DC充電模塊構(gòu)成 。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 模塊電路設(shè)計(jì)

2. 1 電壓比較模塊設(shè)計(jì)

電壓比較模塊采樣主電源和儲(chǔ)能單元端電壓 ,經(jīng)過(guò)阻抗隔離后 ,將采樣電壓送入集成電壓比較器LM311實(shí)現(xiàn)電壓比較 ,并將比較器輸出電壓送入場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器 ,控制場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行旁路切換。

2.2 開(kāi)關(guān)電路模塊

開(kāi)關(guān)電路模塊以場(chǎng)效應(yīng)IRF540作為開(kāi)關(guān)器件 、IR2101作為驅(qū)動(dòng)器 。場(chǎng)效應(yīng)管源極分別與主電源輸入端和儲(chǔ)能單元輸入端相連接 ,漏極共同與磁流變阻尼器驅(qū)動(dòng)電源輸入端相連 。由于場(chǎng)效應(yīng)管作為斷電時(shí)的旁路開(kāi)關(guān)起作用 ,無(wú)需進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作 , 因此不需要設(shè)計(jì)散熱裝置。

2.3 反向DC/DC充電模塊

反向DC/DC充電模塊在主電源正常時(shí)為儲(chǔ)能單元充電 ,主電源斷路時(shí)充電模塊 自動(dòng)關(guān)閉 。 充電模塊主電路采用 BUCK基本拓?fù)?,通過(guò)PwM方式實(shí)現(xiàn)控制 ,PwM控制采用集

成控制芯片SG1514D實(shí)現(xiàn) ,SG1514D是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的集成電源控制芯片 ,輸入電壓8~40 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3. 1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建

完成電路設(shè)計(jì)后 ,利用Protue.完成原理圖設(shè)計(jì)和PCB板布線并制作系統(tǒng)電路硬件 。實(shí)驗(yàn)采用MTS型電液伺服拉力試驗(yàn)機(jī)配合力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)磁流變阻尼器力學(xué)性能變化情況 ,通過(guò)霍爾電流傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)能單元斷電切換瞬間的輸出電流上升速度。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。主電源端接額定S2 V/6 A開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)關(guān)電源輸入端通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)接單相220 V 交流市電 ,選用儲(chǔ)能單元為S2 V/500 F超級(jí)電容模組。

圖2 磁流變阻尼器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

MR阻尼器通過(guò)夾具固定在MTS拉力試驗(yàn)機(jī)上 ,調(diào)節(jié)電流驅(qū)動(dòng)器以1 A電流供電 ,在試驗(yàn)機(jī)上位機(jī)軟件界面上設(shè)定頻率0.5Hz、振幅10 mm運(yùn)行 , 阻尼器通過(guò)振幅零點(diǎn)時(shí)斷開(kāi)空氣開(kāi)關(guān) ,得到MR阻尼器阻尼力-振幅曲線如圖3所示 。通過(guò)雙通道示波器分別采集主電源端電壓和霍爾電流傳感器輸出波形曲線如圖4所示。

圖3 阻尼力-振幅曲線

由圖3、圖4可見(jiàn) ,斷電后 ,主電源端電壓迅速下降 ,超級(jí)電容輸出電流迅速躍升 ,說(shuō)明電源輸入端迅速由主電源切換至后備電源端 ,磁流變阻尼器輸出阻尼力亦未受影響 。調(diào)整圖4測(cè)量標(biāo)度得到超級(jí)電容器端電流上升過(guò)程動(dòng)態(tài)過(guò)程參數(shù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知 ,雖然超級(jí)電容輸出電流超調(diào)較大 ,但是能夠在150 μ.內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定值。從上述分析可知 ,在對(duì)于電源響應(yīng)性能要求高的場(chǎng)合 , 以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能單元能夠提高系統(tǒng)的電流響應(yīng)速度 ,縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。

4 結(jié)論

通過(guò)本文研究得到以下結(jié)論:

(1)本文設(shè)計(jì)的直流不間斷電源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)磁流變阻尼器控制系統(tǒng)斷電情況下的快速電能補(bǔ)充 ,保證磁流變阻尼器力學(xué)性能不受影響。

(2)采用電壓比較方式的直流不間斷電源系統(tǒng)通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管通斷實(shí)現(xiàn)主電源和輔助電源間的快速切換 , 能夠提高后備電源的快速響應(yīng)性能。