磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流后備電源設計

時間：2022-08-04 13:28:04

關鍵字：磁流變阻尼器不間斷電源超級電容

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[導讀]摘要:針對復雜應用環(huán)境下MRD減振系統(tǒng)斷電失效問題 ,研究設計了一種應用于磁流變阻尼器減振系統(tǒng)的直流后備電源。系統(tǒng) 采用超級電容器模組作為系統(tǒng)備用儲能單元 ,利用LM311電壓比較器監(jiān)測主電源電壓 ,通過場效應管開關模塊實現(xiàn)主電源斷電時向備用儲能單元的快速切換。實驗表明 ,旁路切換時間達到微秒級 ,斷電切換過程中 ,磁流變阻尼器力學性能不受斷電情況的影響。

引言

在各類工程現(xiàn)場 , 電網(wǎng)和配電系統(tǒng)故障所導致的斷電情況時常發(fā)生。對于短時間電網(wǎng)"晃電"狀況 ,大型機電設備由于較大電磁慣性和機械慣性 ,通常不會受到明顯影響 ,但在一些重要的工業(yè)檢測和控制場合 ,任何形式的斷電故障都將給系統(tǒng)安全帶來威脅。

MR(Magneto-rheological)阻尼器是利用磁流變液體在磁場作用下的流變效應提供可控阻尼力的半主動控制器件 , 具有出力大、響應快、耗能低、工作穩(wěn)定性強等優(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現(xiàn)拉索振動控制。但是 ,拉索橋易受極端天氣侵擾 ,導致斷電事故發(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 ,但前級逆變增加了能量損耗 , 同時受制于繼電器延時作用 ,只能達到毫秒級的切換速度 ,不能滿足效率高和響應速度快的雙重要求。超級電容是20世紀70年代發(fā)展起來的新型儲能裝置 ,具有循環(huán)壽命長、功率密度大的特點 ,越來越多地被應用于綠色高效電源系統(tǒng)。

本文研究設計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驗平臺上對不間斷電源斷電情況下的電能補償性能進行了驗證。

1 系統(tǒng)整體設計方案

系統(tǒng)主要由電壓比較模塊、功率場效應管開關電路和 DC/DC充電模塊構成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 模塊電路設計

2. 1 電壓比較模塊設計

電壓比較模塊采樣主電源和儲能單元端電壓 ,經(jīng)過阻抗隔離后 ,將采樣電壓送入集成電壓比較器LM311實現(xiàn)電壓比較 ,并將比較器輸出電壓送入場效應管驅動器 ,控制場效應管開關電路進行旁路切換。

2.2 開關電路模塊

開關電路模塊以場效應IRF540作為開關器件、IR2101作為驅動器。場效應管源極分別與主電源輸入端和儲能單元輸入端相連接 ,漏極共同與磁流變阻尼器驅動電源輸入端相連。由于場效應管作為斷電時的旁路開關起作用 ,無需進行高頻開關動作 , 因此不需要設計散熱裝置。

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為儲能單元充電 ,主電源斷路時充電模塊自動關閉。充電模塊主電路采用 BUCK基本拓撲 ,通過PwM方式實現(xiàn)控制 ,PwM控制采用集

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

3 實驗結果分析

3. 1 實驗臺架搭建

完成電路設計后 ,利用Protue.完成原理圖設計和PCB板布線并制作系統(tǒng)電路硬件。實驗采用MTS型電液伺服拉力試驗機配合力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測磁流變阻尼器力學性能變化情況 ,通過霍爾電流傳感器測量儲能單元斷電切換瞬間的輸出電流上升速度。實驗臺如圖2所示。主電源端接額定S2 V/6 A開關電源,開關電源輸入端通過空氣開關接單相220 V 交流市電 ,選用儲能單元為S2 V/500 F超級電容模組。

圖2 磁流變阻尼器實驗臺架

3.2 實驗步驟及結果分析

MR阻尼器通過夾具固定在MTS拉力試驗機上 ,調節(jié)電流驅動器以1 A電流供電 ,在試驗機上位機軟件界面上設定頻率0.5Hz、振幅10 mm運行 , 阻尼器通過振幅零點時斷開空氣開關 ,得到MR阻尼器阻尼力-振幅曲線如圖3所示。通過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。