超导磁体失超检测中电压隔离校正电路的设计

2012-06-29 19:50:42来源: 21ic

  0 引言

  超导储能系统具有大功率、高灵敏度、小体积,低损耗等诸多优势,在工业和科研领域得到广泛的应用。尤其是在输电电网中,能够解决用电高峰和低谷期电网输电的供求矛盾,提高电网的电能容量,增强系统的稳定性。因此,超导储能因为其得天独厚的优点,成为未来最具潜力的储能装置。超导储能系统在运行时,内部线圈会因为瞬间高压、局部高热以及过载应力等电磁和机械扰动,使系统处在失超状态,易受损且可靠性下降。故研究失超保护系统有助于延长超导储能装置的稳定性和寿命,是推广超导储能系统应用的重要一环。而设计研发高灵敏度的失超检测装置,预先监测超导系统运行指标,更是失超保护系统的焦点所在。

  本文在超导储能混合磁体的失超检测系统中,为该系统设计一套光耦隔离与校正电路,用于检测串联超导磁体线圈的失超电压,同时将该电压与干扰信号隔离,并相应地放大或缩小单线圈电压,消除作为干扰因素的串联线圈感生电压分量。该电路有效提高失超保护系统的可靠性,满足超导储能系统失超保护的要求。

  1 失超检测装置的设计原理与分析

  失超检测流程如图1所示。

失超检测流程

  以下着重阐述电压隔离矫正部分的机理:

  在电压隔离校正环节中,超导线圈L1和L2上的电压v1和v2经过电压隔离校正电路后,一方面隔离超导线圈端的干扰信号;另一方面调整光耦隔离放大电路的参数,消除电感量带来的差别。超导线圈在纵轴方向上串联连接,故不考虑互感的影响。根据实际超导储能混合磁体的特点,采取有源功率检测法,并对电压差测量环节进行了校正,如图2所示。

  r1和r2,L1和L2分别为超导线圈的电感和失超电阻。有源功率检测法通过测量P=[(L1-L2)di/dt+(r1-r2)i]i=[(L1-L2)di/dt]i+(r1-r2)i2的值来检测失超。由于误判断是由于感应电压差(L1-L2)di/dt引起的,对v2进行L1/L2倍放大,得到(L1/L2)v2,再经过电压差测量环节与v1进行比较,得v1-(L1/L2)v2=0,消除了感应电压产生的影响。

  随后由差分运算电路、绝对值运算电路、电流传感器电路、模拟乘法运算电路、滤波电路电路、低通滤波器、比较电路对信号进行处理,比较电路得出的信号送入数字信号处理器DSP中,判别超导线圈状态,并进一步找出失超线圈的具体位置。

  进一步分析可得:

超导线圈状态

  从上述3种情况看出,P1值已不包含感应电压差分量,此时可通过有源功率检测法测得P1值与阈值比较判断是否失超。

  2 电压隔离电路的硬件电路设计与实现

  根据上述失超检测系统的原理框图,进行硬件电路设计。本文研究的电压隔离校正电路有2部分功能,一是检测超导磁体单个线圈的电压;二是对电压进行隔离并按比例放大。

  利用隔离器件将磁体与检测电路以及DSP隔离开,保护整个检测系统。线性光耦HCNR201可以较好地实现电路隔离。该耦合器是一种由3个光电元件组成的器件。图3是HCNR201的外围电路配置。其中Ipd1和Ipd2表示LED的输入电流If和光敏二极管的反向电压处在额定值时光敏二极管中流过的电流。该电流的大小与If有关。

HCNR201的外围电路配置

  如果LED的输出光强发生改变,那么,光耦的前端运放N1就会调节If以进行补偿,并且在PD1,PD2上保持一个稳定的电流。将第3,4输出端与第1,2输入端一起接入前端运放N1回路,其中第3,4端的光敏二极管起反馈作用,它可将产生的输出电流再反馈到第1,2端的LED上,以对输入信号进行反馈控制。Ipd1,Ipd2的大小与If的关系如下:Ipd1=K1If,Ipd2=K2If,K1和K2分别为Ipd1和Ipd2随If的变化参数。对于图3所示电路,其输入Uin=Ipd1R1,输出端Uout=Ipd2R2,故有Uout/Uin=K2R2/K1R1=R2/R1。隔离放大器的增益可通过调整R2与R1的比值来实现。

  根据HCNR201的运行特性选定前置运放的类型和阻值。本设计电路采用双电源供电的LM358集成运算放大器,其输出电流可达40 mA。R2可以根据所需要的放大倍数确定,另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在R2处并联电容,构成低通滤波器。

电压隔离放大电路

[1] [2]

关键字:超导储能  失超检测  电压隔离校正

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0629/article_5328.html
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