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详谈电磁流量计励磁恒流系统的改进设计

来源:作者:发表时间:2017-10-16 09:27:58

         在励磁系统中, 恒流控制的作用是维持励磁线圈中电流值的稳定,以产生稳定的磁场。 但是,在传统的励磁恒流系统中,由于励磁线圈的感性负载特性且不同励磁线圈的直流电阻不同,会造成无法实现高频励磁和恒流调节器难以匹配不同励磁线圈等问题。 针对这一情况,本文在分析传统的励磁恒流系统的基础上,对励磁恒流系统进行了改进,减小了恒流调节器的热耗,加快了恒流电流响应速度,提高了励磁系统的励磁频率。

 
1 传统的励磁恒流系统
1.1 励磁恒流系统的工作原理
        在励磁控制中,应用励磁恒流系统实现励磁电流的稳定,以产生稳定的工作磁场,原理图如图 1 所示。励磁恒流系统由直流电源、励磁线圈、恒流调节器、基准电压源 Vref 和检流电路组成。直流电源作为系统的工作电源,恒流调节器通过调整 c 、 e 两端的电压实现励磁线圈中励磁电流的恒定, 检流电路为恒流调节器提供励磁电流反馈值,基准电压源 Vref 决定了恒流控制中励磁电流稳态值的设定。
 
1.2 目前存在的问题
        由文献 [3] 可知,励磁线圈中的电流和励磁线圈 c 、 e 两端的所加电压之间的关系为:
20171016093151.jpg
        式中: i 为励磁线圈中流过的电流, E 为励磁线圈两端的电压, R 为励磁线圈的直流电阻, L 为励磁线圈的电感。 对式( 1 )两端进行求导,可以得到:
20171016093155.jpg
        可见, 励磁电流变化速率与励磁线圈两端所加的电压成正比,励磁线圈两端的电压越高,励磁电流上升速度越快,从而可以提高励磁频率。
 
        然而,恒流控制一般是通过改变恒流调节器自身压降实现回路电流恒定,在励磁电流稳定时,较高的励磁电压会使恒流调节器的压降增大,会造成恒流调节器功耗变大、发热严重的问题。此外, 励磁系统中的励磁工作电压的取值一般为励磁电流稳定时励磁线圈两端的电压与恒流系统中其它电路单元上的电压之和,而不同的励磁线圈直流电阻是不相等的。针对一个固定物理参数的励磁线圈,总存在一个最合理的励磁电压既能使恒流调节器正常工作,又不会使恒流调节器承当过大的压降从而导致严重的发热问题。但是,当激励其它励磁线圈时,恒流调节器就会偏离这个最佳值,特别是励磁线圈直流电阻值相差较大时,可能使恒流调节器不能正常工作,或者使恒流调节器发热严重。
 
2 高性能励磁恒流系统设计
2.1 方案设计
        传统的励磁恒流系统应用于高频励磁时,恒流调节器发热严重,且无法解决不同励磁线圈的直流电阻不同造成的恒流调节器难以设计的问题。 为了解决此问题,设计了如图 2 所示的高性能励磁恒流系统,主要由高、低压电源、电源切换电路、励磁线圈、恒流调节器、平衡电阻、 检流电路、 MCU 控制单元和比较控制电路组成。
高性能励磁恒流系统原理结构图
        采用高低压电源切换作为励磁恒流系统工作电源的方法,既加快了励磁电流的恒流控制速度, 又减小了励磁电流稳定时恒流调节器两端的压降,降低了恒流调节器的功耗。 引入平衡电阻,并联在恒流调节器的两端,流经平衡电阻的电流与流过恒流调节器的电流之和为恒流预设值, 恒流调节器通过调节部分电流就能实现恒流控制。 励磁线圈阻值变大时,恒流调节器两端电压减小,流经恒流调节器的电流增大;励磁线圈阻值变小时,恒流调节器两端电压增大,流经恒流调节器的电流减小。 引入平衡电阻, 实现了励磁线圈直流电阻变化时恒流调节器功率自动均衡变化,有效控制了恒流调节器的热耗,使恒流调节器能够匹配不同的励磁线圈。
 
        高、 低压电源切换方法的选择对提高励磁恒流系统的响应速度具有重要影响。 由于励磁线圈物理参数并不是恒定的,MCU 控制单元设置延时的方法无法正确选择高、低压切换的时刻点。 根据恒流电流值来控制高、低压电源切换的方法,要求在恒流电流未达到稳态值之前切换低压电源作为工作电源, 恒流电流上升速度慢,恒流控制系统响应速度慢。 因此,本文结合这两种方法, 通过 MCU 控制单元和比较控制电路组合控制电源切换电路实现高、低压电源切换。 在恒流控制开始时, MCU 控制单元和比较控制电路切换高压电源作为工作电源, 同时 MCU控制单元开始计时,恒流电流在高压电源的激励下快速上升,恒流电流上升到预设值后, 由比较控制电路控制电源切换电路关闭高压电源, 低压电源作为恒流系统的工作电源, MCU 控制单元计时时间 (计时时间要保证恒流电流在高压电源的激励下达到预设值)结束后, MCU 控制单元关闭。
 
2.2 系统硬件研制
        改进的高性能励磁恒流系统电路组成如图 3 所示。 高压电源与低压电源由多路输出开关电源提供,高压电源的选择要求恒流电流在高压电源的激励下能在较短的时间内达到预设值,同时要考虑恒流系统元器件的耐压值;低压电源的电压则要保证恒流稳态时,恒流调节器两端电压相对较小为准,以降低电路功耗。
高性能励磁恒流系统硬件电路图
        电源切换电路主要由电阻 R1 、光耦 U1 、开关三极管 T1 和肖特基二极管 D1 、 D2 组成, 其控制信号由 MCU 控制单元和比较控制电路组合产生。 当控制信号为低电平时,开关三极管打开,高压电源作为励磁工作电源,控制信号为高电平时,开关三极管关闭,高压电源被切除,切换低压电源作为励磁工作电源。 肖特基二极管 D1 、 D2 用于励磁线圈恒流结束时向高压电源放电。比较控制电路由电阻 R4 和 R5 、光耦 U3 、比较器 U4 和基准电压源 Vref2 组成。 其中,检流电路由精密电阻 R3 组成,将恒流电流值转换为电压值,当恒流电流处于上升阶段,其反馈信号Vfb 小于基准电压源 Vref2 ,比较控制电路输出高压电源作为恒流控制工作电源的控制信号;当励磁电流达到预设值后,反馈信号 Vfb 大于基准电压源 Vref2 ,比较控制电路输出切换低压电源作为恒流控制工作电源的控制信号。
 
        恒流调节器由分立元器件 NPN 三极管 T2 、电阻 R2 、电容C1 、运算放大器 U2 和基准电压源 Vref1 搭建而成。 其中,基准电压源 Vref1 与检流电路 R3 的比值为恒流电流的预设值。 在励磁恒流系统恒流控制的开始阶段,恒流电流反馈信号 Vfb 为 0 且持续增大,在未达到恒流预设值时,运算放大器 U2 输出高电平,三极管 T2 饱和导通, 此时恒流控制工作电源电压全部落在励磁线圈上,以使恒流电流快速上升。 当恒流电流上升至超过恒流预设值时,运算放大器 U2 输出低电平使三极管 T2 截止,进而减小恒流电流;当恒流电流下降至小于恒流预设值时,运算放大器 U2 输出控制三极管 T2 重新使恒流电流上升。 平衡电阻 R6 并联在恒流调节器两端,即连接在 NPN 三极管 T2 的集电极与发射极。
 
3 实验与测试
        为考察设计的高性能励磁恒流系统性能指标, 将其应用于研制的浆液型电磁流量计高频励磁系统中, 针对接触式电磁流量计一次仪表进行励磁控制实验,设置励磁频率为 75Hz ,励磁电流设定为 200mA 左右。设定系统正常工作时流过恒流调节器的电流不得小于恒流预设值的 20% ,则平衡电阻的阻值需满足式( 3 )的关系:
20171016093104.jpg
        式中: R b 为平衡电阻的阻值, U 为低压电源的电压, V 为恒流系统中除恒流调节器以外其它电路的压降, R m 为不同励磁线圈中电阻最小的电阻值, I 为励磁线圈中流过的电流。 假设不同励磁线圈的直流电阻分布为 50Ω~100Ω , 系统中除恒流调节器两端外其它电路工作电压为 2V ,恒流调节器正常工作两端最小压降为 2V ,由于低压电源的电压设定需要不小于励磁线圈两端的电压与恒流调节器的压降、系统其它电路工作电压之和,所以设定低压电源电压值为 25V ( U≥200mA×100Ω+2V+2V )。 根据式 (3) ,分流电阻阻值可选为 100Ω 。由 P=UI 可知,恒流调节器在励磁电流稳定时的功率最大为 1W ,最小为 0.51W。
高性能励磁恒流系统励磁电流波形图
        针对 40mm 口径电磁流量计一次仪表传感器 (电感值为335mH ,电阻值为 94.4Ω )实验结果如图 4 所示,恒流电流上升时间约为 374μs ( 0~90% ),调节时间约为 172μs 。
 
        通过实验可以发现, 系统恒流电流上升速度快, 调整时间短,在励磁线圈电阻值变化较大时恒流调节器的功耗变化不大。
 
4 结束语
        经上述分析和实验结果可知, 所研制的高性能励磁恒流系统恒流速度快,系统稳定可靠,为励磁系统进行高频励磁奠定了基础。