磁流变阻尼器减振系统的直流后备电源设计

 在各类工程现场 , 电网和配电系统故障所导致的断电情况时常发生。对于短时间电网"晃电"状况 ,大型机电设备由于较大电磁惯性和机械惯性 ,通常不会受到明显影响 ,但在一些重要的工业检测和控制场合 ,任何形式的断电故障都将给系统安全带来威胁。
    MR(Magneto-rheological)阻尼器是利用磁流变液体在磁场作用下的流变效应提供可控阻尼力的半主动控制器件 , 具有出力大、响应快、耗能低、工作稳定性强等优良特性。现代拉索桥减振控制工程中广泛使用磁流变阻尼器作为阻尼元件实现拉索振动控制。但是 ,拉索桥易受极端天气侵扰 ,导致断电事故发生概率陡增 , 因此必须配备可靠的后备电源系统 。工程中多使用交流不间断电源作为后备电源 ,但前级逆变增加了能量损耗 , 同时受制于继电器延时作用 ,只能达到毫秒级的切换速度 ,不能满足效率高和响应速度快的双重要求。超级电容是20世纪70年代发展起来的新型储能装置 ,具有循环寿命长、功率密度大的特点 ,越来越多地被应用于绿色高效电源系统。
    本文研究设计了一种磁流变阻尼器减振系统的直流不间断电源 ,并在磁流变阻尼器实验平台上对不间断电源断电情况下的电能补偿性能进行了验证。

    1 系统整体设计方案系统主要由电压比较模块 、功率场效应管开关电路和 DC/DC充电模块构成 。系统框图如图1所示。

    2 模块电路设计2. 1 电压比较模块设计电压比较模块采样主电源和储能单元端电压 ,经过阻抗隔离后 ,将采样电压送入集成电压比较器LM311实现电压比较 ,并将比较器输出电压送入场效应管驱动器 ,控制场效应管开关电路进行旁路切换。
    2.2 开关电路模块开关电路模块以场效应IRF540作为开关器件 、IR2101作为驱动器 。场效应管源极分别与主电源输入端和储能单元输入端相连接 ,漏极共同与磁流变阻尼器驱动电源输入端相连 。由于场效应管作为断电时的旁路开关起作用 ,无需进行高频开关动作 , 因此不需要设计散热装置。
    2.3 反向DC/DC充电模块反向DC/DC充电模块在主电源正常时为储能单元充电 ,主电源断路时充电模块 自动关闭 。 充电模块主电路采用 BUCK基本拓扑 ,通过PwM方式实现控制 ,PwM控制采用集成控制芯片SG1514D实现 ,SG1514D是美国德州仪器公司生产的集成电源控制芯片 ,输入电压8~40 V。

    3 实验结果分析3. 1 实验台架搭建完成电路设计后 ,利用Protue.完成原理图设计和PCB板布线并制作系统电路硬件 。实验采用MTS型电液伺服拉力试验机配合力传感器和数据采集系统检测磁流变阻尼器力学性能变化情况 ,通过霍尔电流传感器测量储能单元断电切换瞬间的输出电流上升速度。实验台如图2所示。主电源端接额定S2 V/6 A开关电源,开关电源输入端通过空气开关接单相220 V 交流市电 ,选用储能单元为S2 V/500 F超级电容模组。

    图2 磁流变阻尼器实验台架3.2 实验步骤及结果分析MR阻尼器通过夹具固定在MTS拉力试验机上 ,调节电流驱动器以1 A电流供电 ,在试验机上位机软件界面上设定频率0.5Hz、振幅10 mm运行 , 阻尼器通过振幅零点时断开空气开关 ,得到MR阻尼器阻尼力-振幅曲线如图3所示 。通过双通道示波器分别采集主电源端电压和霍尔电流传感器输出波形曲线如图4所示。

    图3 阻尼力-振幅曲线由图3、图4可见 ,断电后 ,主电源端电压迅速下降 ,超级电容输出电流迅速跃升 ,说明电源输入端迅速由主电源切换至后备电源端 ,磁流变阻尼器输出阻尼力亦未受影响 。调整图4测量标度得到超级电容器端电流上升过程动态过程参数如表1所示。

    由表1数据可知 ,虽然超级电容输出电流超调较大 ,但是能够在150 μ.内迅速达到稳定值。从上述分析可知 ,在对于电源响应性能要求高的场合 , 以超级电容器作为储能单元能够提高系统的电流响应速度 ,缩短系统达到稳定的时间。
    4 结论通过本文研究得到以下结论:
    (1)本文设计的直流不间断电源系统能够实现磁流变阻尼器控制系统断电情况下的快速电能补充 ,保证磁流变阻尼器力学性能不受影响。
    (2)采用电压比较方式的直流不间断电源系统通过控制场效应管通断实现主电源和辅助电源间的快速切换 , 能够提高后备电源的快速响应性能。