專利名稱：：高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型屬于一種直流電源，特別是指一種用于磁性測(cè)量的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置。
背景技術(shù)：
：中國(guó)是稀土資源大國(guó)，同時(shí)也是稀土永磁體生產(chǎn)大國(guó)，其中磁體產(chǎn)量的70%用于出口，永磁體的磁性能測(cè)量對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量及磁性材料的發(fā)展至關(guān)重要。永磁體的磁性能的提高要求測(cè)量所用的電磁鐵具有更大的均勻區(qū)和更大的磁場(chǎng)，所以需要高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源。目前，高穩(wěn)定度雙極電磁鐵電源典型的原理如圖1所示。它實(shí)際上由輸入變壓器、正電源整流濾波電路、負(fù)電源整流濾波電路、OCL輸出電路和控制電路組成。其中OCL輸出電路由多個(gè)三極管或場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)輸出用于增大輸出電流。例如美國(guó)LAKESHORE公司的M0DEL660系列電磁鐵電源和美國(guó)G麗公司的M0DEL231HC系列電磁鐵電源等都依據(jù)此原理，具有穩(wěn)定度高、紋波小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在明顯的缺欠，主要表現(xiàn)在效率低，大功率的電源使用循環(huán)水冷，為了給冷卻水降溫，又使用空調(diào)制冷，增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。其次，采用了低電壓、大電流輸出方式，要求電磁鐵繞組并聯(lián)使用，增大了電磁鐵制造難度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種改進(jìn)的雙極電磁鐵電源裝置，在保證該裝置高穩(wěn)定度的基礎(chǔ)上提高電源效率、增大輸出電壓?！N高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，該裝置包括輸入變壓器、OCL輸出電路，和分別產(chǎn)生OCL輸出電路所需正、負(fù)電壓的正、負(fù)電源電路，其中所述正電源電路為正隨動(dòng)電源，負(fù)電源電路為負(fù)隨動(dòng)電源，分別得到正隨動(dòng)電壓V+和負(fù)隨動(dòng)電壓V-，正、負(fù)隨動(dòng)電源分別有智能整流模塊、直流電感、電容和控制回路；所述正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源中的控制回路信號(hào)接地端與OCL電路的輸出端共地。該裝置還包括一輔助電源，用于提供上述控制回路中各個(gè)運(yùn)算放大器所需的正、負(fù)電壓。所述正、負(fù)隨動(dòng)電源中，智能整流模塊包括壓控可控硅整流元件，可控硅元件的導(dǎo)通角由電壓控制，觸發(fā)控制回路與主電路電器隔離。所述輸入變壓器包括一個(gè)輸入繞組和兩個(gè)輸出繞組，兩個(gè)輸出繞組的輸出端分別與正、負(fù)隨動(dòng)電源的智能整流模塊相連，用于電網(wǎng)隔離和供給正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源能所述輸入變壓器是單相變壓器或三相變壓器。正隨動(dòng)電源的智能整流模塊的正輸出端經(jīng)直流電感L1、電容C1輸出正隨動(dòng)電壓V+，V+為OCL輸出電路提供正電源的同時(shí)，又輸入一控制回路，該控制回路包括正電壓反饋回路。正隨動(dòng)電源的控制回路包括運(yùn)算放大器Al和A2。負(fù)隨動(dòng)電源的智能整流模塊經(jīng)直流電感L2、電容C2輸出負(fù)隨動(dòng)電壓V-，V-為0CL輸出電路提供負(fù)電源的同時(shí)，又輸入一控制回路，該控制回路包括負(fù)電壓反饋回路。負(fù)隨動(dòng)電源的控制回路包括運(yùn)算放大器A3、A4和A5。所述0CL輸出電路為甲乙類推挽功率放大器，包括偏置電路、NPN復(fù)合管、PNP復(fù)合管、電流采樣電阻、控制回路、積分器；其中電阻和二極管R17、D1、D2、D3、D4和R18串聯(lián)構(gòu)成偏置電路；三極管T1、T3、T5、T7-T36并聯(lián)組成NPN復(fù)合管，三極管T2、T4、T6、T37-T66并聯(lián)組成PNP復(fù)合管；輸出電流Io經(jīng)電流采樣電阻Rs采樣變成電壓，再經(jīng)儀用放大器A6放大形成V4，V4與控制電壓Vc—同輸入積分器；電阻R16、R15、電容C5和運(yùn)算放大器A7構(gòu)成積分器。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，具有如下優(yōu)點(diǎn)效率高，因?yàn)椴捎秒S動(dòng)供電技術(shù)，大大地提高效率，從而減少散熱功率，相同輸出功率下，本實(shí)用新型最大耗散功率僅為普通方式下的1/10到1/20，所以無(wú)需使用復(fù)雜的循環(huán)水管散熱方式，僅使用強(qiáng)制風(fēng)冷就完成全部散熱任務(wù)；輸出電壓高，因?yàn)殡S動(dòng)供電，當(dāng)正輸出時(shí)，負(fù)隨動(dòng)電源幾乎不供電，反之亦然。所以晶體管在非輸出狀態(tài)下所承受的電壓只是圖1所示的雙極電磁鐵電源的一半，采用相同的晶體管，相同輸出電流時(shí)輸出電壓可以提高一倍，輸出功率則提高一倍。穩(wěn)定度高，OCL輸出電路中使用積分器作為誤差放大器，并且控制回路的信號(hào)地與OCL輸出端共地，所以，控制回路中使用普通運(yùn)放即可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的電流輸出，避免了高壓運(yùn)放的使用，從而降低成本，提高了可靠性。零電流的平穩(wěn)過(guò)渡，本實(shí)用新型的功率放大級(jí)PNP管和NPN管在輸出電流和電壓為零時(shí)，流有靜態(tài)偏置電流，當(dāng)輸出電流從正到負(fù)，或從負(fù)到正，避免了出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)感生的高壓。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中雙極電磁鐵電源典型原理圖；圖2為本實(shí)用新型高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源的原理圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。本實(shí)用新型的主要構(gòu)思是降低輸出晶體管的管壓降，采用隨動(dòng)供電技術(shù)，包括輸入變壓器，包括一個(gè)輸入繞組和兩個(gè)輸出繞組，用于電網(wǎng)隔離和供給正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源能量。輸入變壓器可以是單相或者三相，為了電網(wǎng)平衡，大功率電源最好使用三相變壓器；正隨動(dòng)電源，包括智能整流模塊、直流電感、電容和控制回路，用于產(chǎn)生OCL輸出電路所需正電壓，控制回路中包含了正電壓反饋回路，始終保證正輸出的晶體管在功率輸出時(shí)的壓差控制在一定范圍內(nèi)。其中智能整流模塊為壓控可控硅整流，可控硅的導(dǎo)通角由電器隔離；負(fù)隨動(dòng)電源，包括智能整流模塊、直流電感、電容和控制回路，用于產(chǎn)生OCL輸出電路所需負(fù)電壓，控制回路中包含了負(fù)電壓反饋回路，始終保證負(fù)輸出的晶體管在功率輸出時(shí)的壓差控制在一定范圍內(nèi)。其中智能整流模塊為壓控可控硅整流，可控硅的導(dǎo)通角由電壓控制，觸發(fā)控制回路與主電路電器隔離；OCL輸出電路，包括NPN復(fù)合管、PNP復(fù)合管、電流采樣電阻、控制回路，用于輸出功率，該電路為甲乙類推挽功率放大器，輸出電流經(jīng)放大反向后與控制電壓一同輸入積分器，這使得輸出電流嚴(yán)格跟隨控制電壓Vc，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的電流輸出；輔助電源，用于產(chǎn)生控制回路運(yùn)放所需的士15V，其中所有的控制回路信號(hào)地與OCL輸出端共地。本實(shí)用新型高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源的原理圖如圖2所示。供電電網(wǎng)經(jīng)過(guò)變壓器降壓升流之后，分別流向可控硅正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源，得到正隨動(dòng)電壓V+和負(fù)隨動(dòng)電壓V-。這兩路電壓分別供給OCL甲乙類推挽功率放大器的PNP型復(fù)合管和NPN型復(fù)合管。OCL為負(fù)載RL提供正負(fù)掃描電流。采樣電阻器Rs用于準(zhǔn)確測(cè)量向負(fù)載RL提供的輸出電流。采樣電阻器Rs獲得的采樣電壓準(zhǔn)確地反映出輸出電流值，主控制電路根據(jù)這一電壓控制OCL放大器的輸出電流，這樣，通過(guò)反饋系統(tǒng)確保輸出電流的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。本實(shí)用新型控制回路的關(guān)鍵是控制回路的信號(hào)地與OCL輸出端共地，所以，控制回路中使用普通運(yùn)放即可完成反饋放大功能。正隨動(dòng)電源中Va用于控制智能整流模塊可控硅導(dǎo)通角的大小，Va輸入范圍為(0-10)V。變壓器次級(jí)電壓經(jīng)智能整流模塊整流，再經(jīng)L1、C1濾波形成正電源V+，V+為OCL輸出電路提供正電源的同時(shí)，又經(jīng)Rl和R2分壓，經(jīng)運(yùn)放Al跟隨后產(chǎn)生VI，VI和Vcl經(jīng)過(guò)R3，R4，R5，A2構(gòu)成反向加法器，Vcl為一固定負(fù)電壓時(shí)，為了防止振蕩，在運(yùn)放A2輸入輸出端串聯(lián)C3、R6。Va是由Vcl和V+共同決定的，有如下公式V1=V+(1)R2+R1Va=-Vcl^-Vl^(2)R4R37根據(jù)公式(1)(2)可知，當(dāng)V+減小時(shí)，Va增大，可控硅導(dǎo)通角增大，使得V+增大。反之，當(dāng)V+增大時(shí)，Va減小，可控硅導(dǎo)通角減小，使得V+減小。當(dāng)正輸出電流時(shí)，無(wú)論電流怎么變化，V+都維持在一個(gè)相對(duì)固定的電壓，調(diào)整V+反饋深度，可使得輸出電流在(0-50)A時(shí)，V+的電壓范圍是(15-9)V之間。請(qǐng)注意，V+不是濾波電容C1兩端電壓，是C1電容正端相對(duì)于OCL輸出端電壓。所謂正隨動(dòng)供電是指濾波電容C1兩端電壓隨正輸出電壓正比例變化。負(fù)隨動(dòng)電源中Vb用于控制智能整流模塊可控硅導(dǎo)通角的大小，Vb輸入范圍為(0-10)V。變壓器次級(jí)電壓經(jīng)智能整流模塊整流，再經(jīng)L2、C2濾波形成負(fù)電源V-，V-為OCL輸出電路提供負(fù)電源的同時(shí)，又經(jīng)R7和R8分壓，經(jīng)運(yùn)放A3跟隨后產(chǎn)生V2，V2經(jīng)R9、RIO、A4反向形成V3，V3和Vc2經(jīng)過(guò)R11，R12，R13，A5構(gòu)成反向加法器，Vc2為一固定負(fù)電壓時(shí)，為了防止振蕩，在運(yùn)放A5輸入輸出端串聯(lián)C4、R14。Vb是由Vc2和V-共同決定的，有如下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>[0045]根據(jù)公式(3)(4)(5)可知，當(dāng)V一絕對(duì)值減小時(shí)，Vb增大，可控硅導(dǎo)通角增大，使得V一絕對(duì)值增大。反之，當(dāng)V一絕對(duì)值增大時(shí)，Vb減小，可控硅導(dǎo)通角減小，使得V一絕對(duì)值減小。當(dāng)負(fù)輸出電流時(shí)，無(wú)論電流怎么變化，V一都維持在一個(gè)相對(duì)固定的電壓，調(diào)整v一反饋深度，可使得輸出電流在(0—50)A時(shí)，V一的電壓范圍是(一15—9)V之間。請(qǐng)注意，v一不是濾波電容c2兩端電壓，是c2電容負(fù)端相對(duì)于0cL輸出端電壓。所謂負(fù)隨動(dòng)供電是指濾波電容c2兩端電壓隨負(fù)輸出電壓正比例變化。[0046]當(dāng)正輸出電流時(shí)，負(fù)隨動(dòng)電源c2電容兩端維持一個(gè)小的固定電壓，由于控制回路的信號(hào)地與0cL輸出端共地，正輸出的電壓越大，V一的絕對(duì)值越大。反之，當(dāng)負(fù)輸出電流時(shí)，正隨動(dòng)電源cl電容兩端維持一個(gè)小的固定電壓，由于控制回路的信號(hào)地與0cL輸出端共地，負(fù)輸出的電壓越大，V+越大。[0047]0cL輸出電路中R17、Dl、D2、D3、D4和R18構(gòu)成偏置電路，使得在零輸出時(shí)，功率管中流有靜態(tài)偏置電流；Tl、T3、T5、T7一T36組成達(dá)林頓NPN管，T2、T4、T6、T37一T66組成達(dá)林頓PNP管；R19、R2l、R22、R23、R24和R25為泄放電阻，R20為匹配電阻，調(diào)整R20大小，使得達(dá)林頓PNP和NPN管在靜態(tài)時(shí)偏置電流相等；R26一R55、R56一R85為均流電阻；Rs為電流采樣電阻，RL為負(fù)載電阻，即電磁鐵繞組的電阻。輸出電流10經(jīng)Rs采樣變成電壓，再經(jīng)儀用放大器A6放大形成V4，V4與Vc通過(guò)R16、R15、c5和運(yùn)放A7構(gòu)成的積分器放大控制輸出電流大小，由于積分器直流放大倍數(shù)可以認(rèn)為無(wú)窮大，當(dāng)運(yùn)放A7在正常工作狀態(tài)時(shí)，有如下公式[0048]V4一K10Rs(6)[0049]旦一旦(7)R15R16、’[0050]當(dāng)Vc為正，輸出負(fù)電流10，當(dāng)Vc為負(fù)，輸出正電流10。由公式(6)(7)可以看出，當(dāng)Vc變化時(shí)，輸出電流成比例變化，嚴(yán)格跟隨Vc。[0051]本實(shí)用新型的原理圖2中各參數(shù)如表l，根據(jù)原理圖2和表l參數(shù)設(shè)置，本實(shí)用新型達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下[0052]輸出電壓±220V[0053]輸出電流±50A[0054]輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于1001)pm／8小時(shí)[0055]負(fù)載電磁鐵阻值4．4Q[0056]效率最大輸出電流時(shí)優(yōu)于90％[0057]紋波輸出50A時(shí)5mA(rms)[0058]線形調(diào)整率0．0l％(50A輸出時(shí)，電網(wǎng)輸入變化10％)[0059]表l附圖標(biāo)記及其具體參數(shù)[0060]<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>以上對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)介紹，應(yīng)用了具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本實(shí)用新型的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實(shí)用新型的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。權(quán)利要求一種高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，該裝置包括輸入變壓器、OCL輸出電路，和分別產(chǎn)生OCL輸出電路所需正、負(fù)電壓的正、負(fù)電源電路，其特征在于所述正電源電路為正隨動(dòng)電源，負(fù)電源電路為負(fù)隨動(dòng)電源，分別得到正隨動(dòng)電壓V+和負(fù)隨動(dòng)電壓V-，正、負(fù)隨動(dòng)電源分別有智能整流模塊、直流電感、電容和控制回路；所述正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源中的控制回路信號(hào)接地端與OCL電路的輸出端共地。2.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于該裝置還包括一輔助電源，用于提供上述控制回路中各個(gè)運(yùn)算放大器所需的正、負(fù)電壓。3.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于所述正、負(fù)隨動(dòng)電源中，智能整流模塊包括壓控可控硅整流元件，可控硅元件的導(dǎo)通角由電壓控制，觸發(fā)控制回路與主電路電器隔離。4.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于所述輸入變壓器包括一個(gè)輸入繞組和兩個(gè)輸出繞組，兩個(gè)輸出繞組的輸出端分別與正、負(fù)隨動(dòng)電源的智能整流模塊相連，用于電網(wǎng)隔離和供給正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源能量。5.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于所述輸入變壓器是單相變壓器或三相變壓器。6.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于正隨動(dòng)電源的智能整流模塊的正輸出端經(jīng)直流電感(Ll)、電容(Cl)輸出正隨動(dòng)電壓V+，V+為OCL輸出電路提供正電源的同時(shí)，又輸入一控制回路，該控制回路包括正電壓反饋回路。7.如權(quán)利要求6所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于正隨動(dòng)電源的控制回路包括運(yùn)算放大器(Al和A2)。8.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源，其特征在于負(fù)隨動(dòng)電源的智能整流模塊經(jīng)直流電感(L2)、電容(C2)輸出負(fù)隨動(dòng)電壓V-，V-為OCL輸出電路提供負(fù)電源的同時(shí)，又輸入一控制回路，該控制回路包括負(fù)電壓反饋回路。9.如權(quán)利要求8所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于負(fù)隨動(dòng)電源的控制回路包括運(yùn)算放大器(A3、A4和A5)。10.如權(quán)利要求1所述的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置，其特征在于所述OCL輸出電路為甲乙類推挽功率放大器，包括偏置電路、NPN復(fù)合管、PNP復(fù)合管、電流采樣電阻、控制回路、積分器；其中電阻和二極管(R17、D1、D2、D3、D4和R18)串聯(lián)構(gòu)成偏置電路；三極管(T1、T3、T5、T7-T36)并聯(lián)組成NPN復(fù)合管，三極管(T2、T4、T6、T37-T66)并聯(lián)組成PNP復(fù)合管；輸出電流Io經(jīng)電流采樣電阻(Rs)采樣變成電壓，再經(jīng)儀用放大器(A6)放大形成V4，V4與控制電壓Vc—同輸入積分器；電阻(R16、R15)、電容(C5)和運(yùn)算放大器(A7)構(gòu)成積分器。專利摘要本實(shí)用新型屬于一種直流電源，特別是指一種用于磁性測(cè)量的高效高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源裝置。該裝置包括輸入變壓器、OCL輸出電路，和分別產(chǎn)生OCL輸出電路所需正、負(fù)電壓的正、負(fù)電源電路，其中，所述正電源電路為正隨動(dòng)電源，負(fù)電源電路為負(fù)隨動(dòng)電源，分別得到正隨動(dòng)電壓V+和負(fù)隨動(dòng)電壓V-，正、負(fù)隨動(dòng)電源分別有智能整流模塊、直流電感、電容和控制回路；所述正隨動(dòng)電源和負(fù)隨動(dòng)電源中的控制回路信號(hào)接地端與OCL電路的輸出端共地。本實(shí)用新型采用隨動(dòng)電路代替整流濾波電路，提高了電源效率、增大了輸出電壓。文檔編號(hào)H01F7/18GK201440358SQ20092016364公開日2010年4月21日申請(qǐng)日期2009年7月7日優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日發(fā)明者侯瑞芬,張志高,范雯,賀建申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院