【正文】 25Hz 的連續(xù)正弦波形 。要產(chǎn)生課題需求的 頻率為 25Hz 的 半正弦波形，我們需要做這樣的工作：把一個(gè)頻率為 125Hz 的周期正弦交流信號(hào)在前半周期過(guò)零時(shí)將 RLC 支路斷開 16ms， 得到了周期為 40ms的新的半正弦信號(hào)（頻率為 25Hz）， 變換過(guò)程如圖 。 4 1 625002 042500t / m sI / AI / At / m s2 5 H z1 2 5 H z 圖 連續(xù)正弦信號(hào)變換為半正弦信號(hào) 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 12 這段時(shí)間內(nèi) RLC 支路任何器件都不能有電流 流過(guò)， 才能得到周期為 25Hz 的半正弦信號(hào)，只有 RLC 支路串聯(lián)滿足條件（ RLC 并聯(lián)會(huì)構(gòu)成回路在波形斷開時(shí)電感電容仍然會(huì)有能量交換，電感線圈中仍會(huì)有電流流過(guò)）。同樣，我們可以縮短RLC 支路斷開時(shí)間，得到 75Hz 和 125Hz 的半正弦信號(hào)，當(dāng)達(dá)到 125Hz 時(shí)支路斷開時(shí)間應(yīng)該等于零。 此外，需要控制 RLC支路接入和退出電流回路，功率開關(guān)器件的應(yīng)用是必不可少的。 對(duì)于功率開關(guān)器件，我們可以選擇全控器件 IGBT 和 MOSFET、半控器件晶閘管等，分析圖 右邊所示波形的特點(diǎn)，并結(jié)合每種可控器件的控制特性，該方案選擇晶閘管作為開關(guān)器件，因?yàn)榫чl管具有這樣的特性：可以人為控制它的開通，但是只有晶閘管中流過(guò)的電流過(guò)零的時(shí)候才能使晶閘管關(guān)斷，這種特性與所需電流波形的特點(diǎn)不謀而合，電路原理如圖 （規(guī)定圖中所示箭頭方向?yàn)閰⒖颊较颍?。 U 1T 1 T 2RCLU 2 圖 串聯(lián)諧振電路原理 其中 U U2為直流電源電壓值均為 U， T T2 為晶閘管，等效電阻 R、電容C、電感 L構(gòu)成串聯(lián)支路。該電路的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段，諧振建立階段：晶閘管 T1 開通， U T RLC 串聯(lián)支路構(gòu)成回路，電容 C正向充電電壓緩慢增加，電感 L中電流逐漸變大，當(dāng)電容電壓與 U1 的電壓值相等時(shí)，電容不再?gòu)碾娫次漳芰?，這時(shí)電感中還存在正向流動(dòng)的電流，電容依然處于充電狀態(tài)，當(dāng)電感中的能量全部轉(zhuǎn)移到電容中時(shí)（電壓波形大致為余弦半波），電感中的電流過(guò)零（電流波形大致為正弦半波）， T1 自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)電容電壓值為 2U，電阻流過(guò)的正弦第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 13 半波 電流將消耗一部分電源能量，圖 支路電感和電阻的電流波形以及電容的電壓波形 ； 16ms 后晶閘管 T2 開通， UT RLC 支路構(gòu)成回路，電容反向充電，電容在上一個(gè)階段存儲(chǔ)的能量全部轉(zhuǎn)移到電感中去，這時(shí)電容電壓為零、電感電流持續(xù)上升，電源 U2繼續(xù)給電容反向充電，當(dāng)電容電壓與 U2 相等時(shí) U2 不再給電容充電，而由電感中的電流持續(xù)給電容反向充電，電感中的能量全部轉(zhuǎn)移到電容中， 此時(shí)電容電壓值為 3U， 電感電流過(guò)零 T2 自動(dòng)關(guān)斷， 電阻同樣會(huì)消耗一部分電源能量，圖 產(chǎn)生的過(guò) 程和串聯(lián)支路各器件波形，再過(guò) 16ms 晶閘管 T1 再次開通， 這樣周而復(fù)始直到諧振穩(wěn)定階段。 U 1T 1T 2RCLU 2RCL1 6 m sa ) 正 半 周 工 作 過(guò) 程b ) 負(fù) 半 周 工 作 過(guò) 程圖 諧振建立過(guò)程圖解 諧振穩(wěn)定階段：當(dāng)每一次開通晶閘管， 電源所提供的能量全部被串聯(lián)支路的等效電阻消耗的時(shí)候，也就是 回路中只存 在電容與電感之間的能量交換時(shí)，便達(dá)到了諧振穩(wěn)定階段，這時(shí)電感中 電流 峰值 最大，直流電源只提供諧振支路中等效電阻所消耗的能量，電流的峰值即為 /UR，所以要得到所需的峰值電流的大小，只需要改變電壓 U 或者等效電阻 R ，實(shí)際應(yīng)用中改變等效電阻通常比較困難，通過(guò)改變直流電源的電壓來(lái)控制峰值電流的大小是比較理想的方式 。 利用 Matlab 軟件 Simulink 模塊 仿真，每個(gè)器件均采用理想模型，仿真原理如圖 所示。仿真原理圖中各個(gè) 元器件 的參數(shù)如下：直流電 壓 源 DC1 和 DC2電壓值 均為 27V，等效電阻 R為 ，電容 C為 6mF，電感 L 為 240μ H，每第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 14 個(gè)脈沖發(fā)生器頻率均為 25Hz，只是觸發(fā)時(shí)間相差 20ms。 主要 測(cè)量的參數(shù)為 串聯(lián)支路 電感線圈中電流的波形和電容電壓波形。 圖 Matlab 串聯(lián)諧振仿真原理圖 Matlab 的 仿真結(jié)果如圖 所示，左圖 是 整個(gè)諧振過(guò)程的波形圖， 很明顯可以看到諧振的建立階段與諧振穩(wěn)定階段，右圖為 諧振穩(wěn)定階段 局部放大圖 ，圖中包含 串聯(lián)支路 電感線圈流過(guò)的電流波形， 串聯(lián)支路 電容的電壓波形。 仿真結(jié)果顯示該方案可以較好的實(shí)現(xiàn)課題要求的發(fā)射電流指標(biāo)參數(shù)，包括峰值電流的大小、正弦半波的脈寬、以及發(fā)射電流頻率，而且波形形狀較為平滑，電路的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 15 發(fā) 射電 流波 形電 容電 壓波 形 圖 串聯(lián)諧振電路 Matlab 仿真結(jié)果圖 比較兩種方案，由圖 可以看出第一種方案要想達(dá)到項(xiàng)目要求的指標(biāo) ——峰值電流 2500A，要求 IGBT 有較大的過(guò)流能力，而且通過(guò) SPWM 的控制方式實(shí)現(xiàn)半正弦發(fā)射電流波形所需的控制 方式 比較復(fù)雜 。 同時(shí)要求 IGBT 有很快的開關(guān)頻率，這樣的 IGBT 非常的昂貴，為了減少損耗使 IGBT 有較好的開關(guān)環(huán)境需要的附加電路也很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。第二種方案的提出完全解決了第一種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)所遇到的問(wèn)題，它是通過(guò)控制兩個(gè)大功率晶 閘管的開通時(shí)刻，并利用晶閘管電流過(guò)零關(guān)斷的特性使兩個(gè)直流電源分別給諧振支路供電使之達(dá)到諧振狀態(tài)，該方案易于實(shí)現(xiàn)，控制 方式 簡(jiǎn)單，廉價(jià)的大功率晶閘管使得該方案經(jīng)濟(jì)而且實(shí)用，綜上所述選擇第二種方案作為實(shí)施方案 。 功率發(fā)射電路電源設(shè)計(jì) 上述串聯(lián)諧振方案的仿真是在理想電源的情況下實(shí)現(xiàn)的 ，也就是不考慮電源輸出電流對(duì)發(fā)射電路的影響 [20]。實(shí)際 上本文所設(shè)計(jì)的半正弦電流發(fā)射機(jī) 的發(fā)射電流在峰值時(shí)到達(dá)了 2500A，而一般電源的瞬時(shí)輸出電流也很難達(dá)到 2500A。 我們從功率的角度分析這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)，發(fā)射線圈流過(guò)峰值為 2500A的正弦半波電流，仿真結(jié)果顯示支路電容電壓波形為峰值 500V 的余弦半波，所以支路電感電壓波形也同樣是峰值 500V 的余弦半波，那么發(fā)射機(jī)電源 提供的視在功率為： c os si nmmS U I U tI t? ? ? ?????????（ ） 將 mU =500V， mI =2500A 帶入 式 并 求取極值 ，當(dāng) cos t? =sint? 時(shí) 得到 發(fā)射第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 16 機(jī)最大視在功率 mS =625KVA， 而實(shí)驗(yàn)提供的直流穩(wěn)壓電源為 6KW，這樣發(fā)射機(jī)工作在最大視在功率 點(diǎn) 時(shí)，電源需要提供 瞬時(shí)無(wú)功功率為 。以上分析說(shuō)明要達(dá)到峰值 2500A 的發(fā)射電流，需要使用電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，使用的電容容量不應(yīng)太大也不能太小，具體計(jì)算如下： 根據(jù)課題要求發(fā)射電流指標(biāo)，發(fā)射線圈電感電流要在 2ms 之內(nèi)變化 2500A，而電源電壓允許變化值不超過(guò) 10V，所以根據(jù)公式 Q UC? ????????????（ ） Q It? ????????????（ ） 兩式中 Q 均為電容電荷量， 將 I=2500A， t=2ms， U=10V帶入 并聯(lián)立式 得 C=500000μ F，本文設(shè)計(jì)采用大容量電解電容作為無(wú)功補(bǔ)償電容，電路原理如圖 所示。 UC 1T 1T 2RCLC 2++驅(qū) 動(dòng)信 號(hào)驅(qū) 動(dòng)信 號(hào) 圖 發(fā)射電路原理圖 圖中 C1， C2 為無(wú)功補(bǔ)償電解電容， U為直流穩(wěn)壓電源。 功率器件的 選型 以及發(fā)射線圈的設(shè)計(jì) 功率器件的選型 由前述本設(shè)計(jì)采用串聯(lián)諧振電路方案實(shí)現(xiàn)大電流發(fā)射，功率器件選擇大功率晶閘管 [1 22]。根據(jù)項(xiàng)目指標(biāo)要求諧振線圈峰值電流達(dá)到 2500A，半正弦電流波形脈寬為 4ms， 主要利用 這兩 項(xiàng) 指標(biāo)選擇晶閘管的參數(shù)。晶閘管參數(shù)在選擇時(shí)主要需要考慮通態(tài)平均電流、通態(tài) 方均 根電流值。通態(tài)平均電流計(jì)算公式如下： 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 17 m( ) m m 0 m01 1 1s in ( c o s ) | 22 2 2T A V II I d I I? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ??（ ） 峰值電流 m 2500IA? ，所以通態(tài)平均電流()796T AVIA?。通態(tài)方均根電流計(jì)算公式如下： 22 ()2 2 2()01 s in 1 . 5 724 T A VR M S m R M S T A VII I d I I? ????? ? ? ?? ??? () 將通態(tài)平均電流()796T AVIA?代入式 得通態(tài)方均根電流 1250RMSIA? 。 同時(shí)考慮晶閘管裕量和晶閘管的工作狀態(tài)，在選擇晶閘管通態(tài)平均電流值參數(shù)時(shí)取其計(jì)算值的 倍，即取通態(tài)平均電流約為 大于 1194A 的 參數(shù)的晶閘管即可滿足要求。本設(shè)計(jì)選用的晶閘管是襄樊臺(tái)基半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的 Y45KPE 系列產(chǎn)品，部分參數(shù)如表 所示 ： 表 晶閘管 Y45KPE 部分參數(shù) 符號(hào) 參數(shù) 測(cè)試條件 結(jié)溫Tj(176。 C) 參數(shù)值 單位 最小 典型 最大 IT(AV) 通態(tài)平均電流 180176。 正弦半波 , 50Hz 雙面散熱 , Ths=75176。C 125 1000 A IT(AV) 通態(tài)平均電流 180176。 正弦半波 , 50Hz 雙面散熱 , Ths=55176。C 125 1271 A ITSM 通態(tài)不重復(fù)浪涌電流 10ms底寬 , 正弦半波 , VR= 125 13 KA IGT 門極觸發(fā)電流 VA=12V, IA=1A 25 40 300 mA VGT 門極觸發(fā)電壓 V IH 導(dǎo)通 維持 電流 20 250 mA 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 18 諧振線圈的 實(shí)現(xiàn) 本文發(fā)射線圈的制作主要參照國(guó)外資料，并通過(guò)文獻(xiàn) [9]所提供的計(jì)算 方法和計(jì)算 公式 得到 線圈各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行制作， 對(duì)于發(fā)射線圈的材料的選擇，銅材和鋁材主要從重量、導(dǎo)電性、經(jīng)濟(jì)型三個(gè)方面綜合比較選擇了鋁制管制作發(fā)射線圈。根據(jù)計(jì)算參數(shù) 要求制作 4匝鋁管制線圈，尺寸要求：鋁管內(nèi)徑 30mm、外徑 36mm，四匝線圈分為兩種規(guī)格 ， 8m 直徑線圈兩匝、 直徑線圈兩匝 ，四匝線圈分別制作完成后需將四匝線圈串聯(lián)留出兩個(gè)接頭，互相之間用特制塑料模具 隔離開來(lái)。 由于 制作線圈所購(gòu)置的鋁管材料只有 6m長(zhǎng)， 要組成周長(zhǎng)約為 25米的圓， 需要通過(guò)將 五根 鋁管經(jīng)彎管加工 切除多余部分 后連接成為一個(gè)完整的線圈。 每?jī)筛X管之間用特制接頭連接 并用通孔螺絲緊密固定 ， 目的是能夠盡量增大接頭與鋁管的接觸面積，最大程度減少接觸電阻 ，特制接頭實(shí)物如圖 所示 。諧振線圈全部制作 并組裝 完成后 需要 測(cè)量其 等效電阻和電感 參數(shù)，利用 TENMARS 公司生產(chǎn)的 系列毫歐表測(cè)量整體線圈 的等效 電阻，利用電橋測(cè)量線圈電感。電阻值 ??，電感值 290LH??。 發(fā)射 線圈 組裝完成后的實(shí)物 如圖 所示。 圖 特制接頭實(shí)物圖 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 19 圖 諧振線圈實(shí)物 主控單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 概述 根據(jù) 課題 要求 發(fā)射線圈流通的電流為 三種頻率的半正弦 波形，本節(jié)主要研究主控單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 結(jié)合圖 ，主控單元的 控制 時(shí)序發(fā)生 電路應(yīng)能夠 產(chǎn)生 三種頻率的兩路脈沖信號(hào)，每路脈沖信號(hào)頻率分別為 25Hz、 75Hz、 125Hz， 相位相差半個(gè)周期， 每個(gè) 信號(hào)的上升沿 對(duì)應(yīng)晶閘管的開通時(shí)刻， 三種頻率的 兩路信號(hào)合成時(shí)序分別如圖 、 b、 c所示 ，圖 中的兩路脈沖信號(hào)分別是黑色填充脈沖和白色填充脈沖。 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 20 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 t \ m sU \ V5 0 6 . 7 1 3 . 3 2 0 2 6 . 7 3 3 . 3 t \ m s5U \ V 0 4 8 1 2 1 6 2 0 t \ m s5U \ Va ) 2 5 H z 脈 沖b ) 7 5 H z 脈 沖 c ) 1 2 5 H z 脈 沖 圖 三種頻率脈沖時(shí)序圖 方案選擇 該 時(shí)序發(fā)生 電路有多種 設(shè)計(jì) 方案，主要分為兩類