摘" 要： 針對三相三線制交流電網(wǎng)輸入、高壓大電流隔離輸出、交流掉電不間斷供電10 min，以及較大頻率響應(yīng)范圍、穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性良好的要求，提出一種N+1冗余不間斷的穩(wěn)壓電源和三態(tài)PWM調(diào)制的功率放大器。闡述了磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計并制造了600 V/60 A的高壓大電流功率放大器系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，穩(wěn)壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)10 min左右的不間斷供電且變換器具有冗余功能，磁軸承功率放大器具有較小的輸出電流紋波，同時具有較好的跟隨特性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性和較大頻率響應(yīng)范圍。樣機(jī)實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足要求，對磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的商業(yè)化生產(chǎn)制造具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 高壓大電流； 磁軸承功率放大器； 三態(tài)PWM調(diào)制； 穩(wěn)壓電源； DC/DC變換器； 頻率響應(yīng)

中圖分類號： TN722.7+5?34" " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）10?0134?05

Research and application of AMB power amplifier system for

high?voltage and large?current

Abstract： In allusion to the requirements of three?phase three wire AC power grid input， high?voltage and high?current isolation output， uninterrupted power supply for 10 min after AC power failure， as well as a large frequency response range， and good steady?state and dynamic characteristics， a N+1 redundant uninterrupted voltage regulator and a power amplifier with three state PWM modulation are proposed. The working principle of the magnetic levitation bearing control system is explained， and a high?voltage high current power amplifier system of 600 V/60 A was designed and manufactured. The experimental results show that the stabilized power supply can achieve uninterrupted power supply for about 10 min， and the converter has redundant function. The magnetic bearing power amplifier has small output current ripple， as well as good following characteristics， steady-state characteristics， dynamic characteristics， and a large frequency response range. The experimental results of the prototype show that the designed system can meet the requirements and has a certain guiding significance for the commercial production and manufacturing of magnetic levitation bearing control systems.

Keywords： high voltage and high current; magnetic bearing power amplifier; three state PWM modulation; stable voltage power supply; DC/DC converter; frequency response

0" 引" 言

磁懸浮運(yùn)動通過控制線圈陣列電流，讓轉(zhuǎn)子懸浮于定子陣列上運(yùn)動。由于懸浮方式無接觸、無摩擦、無磨損、無需機(jī)械導(dǎo)軌，可極大簡化運(yùn)動結(jié)構(gòu)與大幅減輕運(yùn)動質(zhì)量，由此實現(xiàn)高速、高加速度與精密運(yùn)動，以及可有效地延長設(shè)備的使用壽命[1?2]，因而在當(dāng)今的許多行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用[3?5]。

磁懸浮軸承控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、功率放大器、轉(zhuǎn)子、定子（電感線圈）[4]和穩(wěn)壓電源等組成。其中，功率放大器是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能把控制信號放大為直接驅(qū)動定子的電流，其性能不僅決定磁懸浮能否實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮[6?7]，也影響系統(tǒng)的承載能力和動態(tài)性能。穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)提供電能，同時保證轉(zhuǎn)子的懸浮功率的供應(yīng)。

針對三相三線制交流電網(wǎng)輸入、高壓大電流隔離輸出、交流掉電不間斷供電10 min、較大頻率響應(yīng)范圍、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能良好的要求，提出了N+1冗余不間斷的穩(wěn)壓電源和三態(tài)PWM調(diào)制的功率放大器，設(shè)計了600 V/60 A輸出的五自由度獨立控制的高壓大電流功率放大器系統(tǒng)，并通過實驗驗證來滿足系統(tǒng)要求。實驗結(jié)果表明，穩(wěn)壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)10 min左右的不間斷供電且變換器具有冗余功能，磁軸承功率放大器具有較小的輸出電流紋波，同時具有較好的跟隨特性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性和較大頻率響應(yīng)范圍。

樣機(jī)實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足要求，對磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的商業(yè)化生產(chǎn)制造具有一定的指導(dǎo)意義。

1" 系統(tǒng)研究與設(shè)計

本研究將五自由度分別看成10個獨立的單負(fù)載線圈（電感）控制系統(tǒng)，圖1所示為磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的工作原理示意圖[2]，具體如下：當(dāng)被懸浮體偏離平衡位置時，傳感器檢測[8]到偏離位移信號，然后將其轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)入控制器中，接著通過特定的控制算法給出相應(yīng)的輸入?yún)⒖贾悼刂菩盘?，再通過功率放大器轉(zhuǎn)化為負(fù)載線圈中的控制電流，使轉(zhuǎn)子回到設(shè)定的平衡位置。

1.1" 穩(wěn)壓電源

1.1.1" 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電源采用N+1冗余不間斷技術(shù)，其由AC/DC變換器[9?10]、電池管理單元、DC/DC變換器和輔助電源等組成。

圖2所示為穩(wěn)壓電源的工作原理示意圖，其工作原理如下。

1） 當(dāng)交流電網(wǎng)正常時，交流電通過AC/DC變換器和DC/DC變換器給功率放大器的輸入提供與電網(wǎng)隔離且穩(wěn)定的直流電源，并且母線電壓通過輔電給系統(tǒng)中的其他部分進(jìn)行供電。同時電池管理單元中的充電機(jī)給蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池的端電壓低于母線電壓，與蓄電池串聯(lián)的二極管不導(dǎo)通。

2） 當(dāng)交流電網(wǎng)掉電時，蓄電池通過二極管提供母線電壓，然后通過DC/DC變換器給功率放大器的輸入提供與電網(wǎng)隔離且穩(wěn)定的直流電源，并且母線電壓通過輔電給系統(tǒng)中的其他部分進(jìn)行供電。此時，電池管理單元的充電機(jī)保護(hù)不對蓄電池進(jìn)行充電。

1.1.2" DC/DC變換器的設(shè)計

根據(jù)單負(fù)載線圈滿負(fù)荷600 V/60 A工作時的有功功率為900 W，可以得到DC/DC變換器的輸出有功功率大約為9 kW，采用3 kW的DC/DC變換器4臺并機(jī)，其設(shè)計的原理示意圖如圖3所示。

DC/DC變換器的輸入為蓄電池組電壓或者AC/DC變換器的輸出電壓，輸出為穩(wěn)定的600 V直流電壓且與輸入高頻隔離，同時作為磁軸承功率放大器的供電輸入。

1.1.3" 蓄電池的選擇

選取12 V蓄電池，由6只2 V電池單體組成，由于是短時（10 min）大電流放電，電池充放電電壓范圍按10.02～14.1 V（對應(yīng)單體電壓為1.67～2.35 V）設(shè)計。直流母線電壓為240 V，電池組采用20只12 V電池串聯(lián)組成，則電池組的電壓范圍為200.4～282 V。確保當(dāng)AC/DC單元正常供電時，蓄電池不會出現(xiàn)放電工況。

按最大負(fù)載9 000 W，直流母線電壓最低為210 V，放電電流最大為42.86 A。按最大3C放電倍率計算，則鉛酸蓄電池容量大于12.86 A·h。DC/DC變換單元由電池組供電時，設(shè)備轉(zhuǎn)換效率為93%，則鉛酸蓄電池容量最低為13.82 A·h?？紤]最低溫度-15 ℃下，鉛酸蓄電池約能釋放出35%的額定容量，則鉛酸蓄電池容量最低為39.5 A·h。故系統(tǒng)的蓄電池選用12 V/42 A·h鉛酸蓄電池。

因此，此穩(wěn)壓電源實現(xiàn)三相三線制交流電網(wǎng)輸入、高壓大電流隔離輸出、交流掉電不間斷供電10 min的設(shè)計要求。

1.2" 磁軸承功率放大器

本系統(tǒng)中磁軸承功率放大器采用三態(tài)PWM技術(shù)[11?14]，由Q1和Q2功率開關(guān)管、D1和D2快恢復(fù)功率二極管組成的半橋主電路拓?fù)?、功放調(diào)節(jié)、三態(tài)PWM、隔離驅(qū)動和電流互感器CT等組成。圖4為功率放大器的工作原理示意圖。功率放大器工作原理如下。

1） 充電狀態(tài)

Q1和Q2同時開通，D1和D2同時關(guān)斷，線圈電流增大，線圈兩端的電壓為電源電壓（忽略功率管壓降）。其回路為Q1、CT、Lm、Rm和Q2。

2） 續(xù)流狀態(tài)

Q1開通，Q2關(guān)斷，D1開通，D2關(guān)斷，線圈電流同方向續(xù)流。其回路為Q1、Lm、Rm和D1。

3） 放電狀態(tài)

Q1和Q2同時關(guān)斷，D1和D2同時開通，線圈電流減小，線圈兩端的電壓為電源電壓的反壓（忽略功率管壓降）。其回路為D1、CT、Lm、Rm和D2。

三態(tài)PWM調(diào)制技術(shù)的原理示意圖如圖5所示。

輸入?yún)⒖贾岛碗娏鞣答佇盘柾ㄟ^功放調(diào)節(jié)得到電流誤差信號ierr，然后與兩路三角載波進(jìn)行比較，得到uG_Q1和uG_Q2兩路驅(qū)動信號，再經(jīng)過隔離驅(qū)動電路獲得驅(qū)動信號uDRV_Q1和uDRV_Q2，它們來直接驅(qū)動半橋主拓?fù)渲蠶1和Q2的開通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電磁軸承線圈電流的目的。

2" 實驗驗證

設(shè)計并制造了600 V/60 A輸出的五自由度獨立控制的高壓大電流功率放大器系統(tǒng)。其中，每個功率放大器的技術(shù)參數(shù)如下。

直流輸入為600 V，最大輸出電流為60 A；

負(fù)載參數(shù)為：線圈電感為10 mH，線圈電感電阻小于1 Ω；

穩(wěn)壓電源參數(shù)為：6 kW的AC/DC變換器3臺并機(jī)，3 kW的DC/DC變換器4臺并機(jī)，蓄電池的單體為42 A·h/12 V，600 W的充電機(jī)1臺。

此外，功放的電流即可為正弦峰值電流60 A，頻率0.1 Hz～1 kHz，也可為直流0～60 A。測試儀器：數(shù)字示波器MS03014，示波器探頭P6139A，差分探頭P5205，函數(shù)發(fā)生器AFG3022B，直流槍TCPA400。給定電流1 V對應(yīng)6 A，反饋電流1 V對應(yīng)10 A。

圖6為穩(wěn)壓電源不間斷工作的波形圖。圖中：CH1為電流給定（5 V/格），CH2為電流反饋（5 V/格），CH3為功放輸入電壓（250 V/格），CH4為三相交流輸入Uab（500 V/格）。從圖中可以看出：當(dāng)交流掉電后，功率放大器的輸入電壓穩(wěn)定且輸出能夠正常工作；掉電10 min后，交流恢復(fù)供電，功率放大器的輸入電壓穩(wěn)定和輸出能夠正常工作，說明系統(tǒng)具有不間斷供電的穩(wěn)壓電源。

按照輸入電壓與輸出電流的變比為6 A/V，電流傳感器LAH?100NP的轉(zhuǎn)換比為2 000∶1?？刂破髟O(shè)定的指令信號電壓與功率放大器輸出電流之間的關(guān)系如圖7所示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)換后的給定電流（單位為A），縱坐標(biāo)為實際測量的輸出電流（單位為A）。從圖中可以看出輸入與輸出呈良好的線性關(guān)系。

圖8為給定端加入直流偏置5 V，交流分量幅值為1 V，頻率8～10 Hz和600 Hz～1 kHz的正弦波，CH1為電流給定（5 V/格），CH2為電流反饋（5 V/格），CH4為功放輸入電壓（250 V/格）。

從圖中可以看出：輸出電流紋波小，輸出電流能夠快速跟蹤輸入信號的變化，反映了三態(tài)PWM調(diào)制的紋波小，且具有較好的跟蹤特性和穩(wěn)態(tài)特性；從低頻到高頻波形穩(wěn)定，反映了動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性較好，且具有較大頻率響應(yīng)范圍。

頻率響應(yīng)是指將一個以恒電壓輸出的模擬信號與系統(tǒng)相連接時，線圈兩端產(chǎn)生的電壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減，相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象，其幅頻特性和相頻特性如圖9所示。

在200 Hz時的增益為-5.077 dB，相位為-2.234°；在1 Hz～1.5 kHz之間，其幅頻特性和相頻特性都較好，且具有較大頻率響應(yīng)范圍。

3" 結(jié)" 論

本文設(shè)計與制造了高壓大電流功率放大器系統(tǒng)，闡述了磁懸浮軸承控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了N+1冗余不間斷穩(wěn)壓電源和三態(tài)PWM調(diào)制的磁軸承功率放大器。實驗結(jié)果表明，穩(wěn)壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)10 min左右的不間斷供電且變換器具有冗余功能，磁軸承功率放大器具有較小的輸出電流紋波，同時具有較好的跟隨特性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性和較大頻率響應(yīng)范圍，對高壓大電流功率放大器系統(tǒng)的商業(yè)化制造生產(chǎn)提供了依據(jù)。

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