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    LT108-S7電流傳感器-西安浩南電子

    更新時(shí)間:2023-04-20

    簡(jiǎn)要描述:

    LEM傳感器(萊姆模塊), LEM的工業(yè)傳感器的應用于電力電子領(lǐng)域,如:電機驅動(dòng)、工業(yè)機器人、起重機、電動(dòng)車(chē)和電梯、通風(fēng)設備以及空調設備,精密器械、服務(wù)器電源和通訊基站電源。LEM產(chǎn)品線(xiàn)豐富,測量電流從0.25A到10kA。測量電壓從10V到6400V。產(chǎn)品基于不同原理:開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、Eta等。LEM傳感器依據設計,通過(guò)了CE、UL。我們還通過(guò)了ISO9001質(zhì)量體系,并提供5年質(zhì)量。

    摘要:文中介紹了內燃機車(chē)蓄電池智能充電器的設計方案,以及LEM型電壓、電流傳感器在充電器中的具體應用,說(shuō)明了傳感器的選型及外圍電路的設計、參數配置、電磁兼容設計等方面的問(wèn)題。
      關(guān)鍵詞:內燃機車(chē)蓄電池;智能充電器;LEM型電壓、電流傳感器
      0.引言
       在鐵路內燃機車(chē)上使用的蓄電池組為300—500Ah的免維護鉛酸蓄電池,目前普遍采用的充電方式,是用內燃機車(chē)上的輔助發(fā)電機輸出的DC110V直流電壓,通過(guò)限流電阻直接對蓄電池組進(jìn)行充電。這種恒壓充電方式雖然使用電阻對充電電流進(jìn)行了,但電阻這種靠?jì)啥说碾妷航祦?lái)限流的方式是十分粗糙的。當電池嚴重虧電時(shí),蓄電池的電壓較低(如低于DC88V),充電電流將會(huì )很大(有時(shí)可達到幾百安培),很導致電池損壞。本文所介紹的內燃機車(chē)蓄電池充電器屬于智能型充電器,可以靈活設定充電模式及充電電流限流值,對充電電流進(jìn)行自動(dòng)調節,延長(cháng)了蓄電池的使用壽命。系統同時(shí)還兼顧了對蓄電池的狀態(tài)管理,對蓄電池的故障狀態(tài)給出預報,指導機務(wù)段的檢修作業(yè)。
      1. 蓄電池智能充電器系統介紹
       蓄電池智能充電器對單使用恒壓的充電方式進(jìn)行改進(jìn),引入了自動(dòng)限流充電模式。由于系統中的充電電流是通過(guò)DC/DC變換器的輸出來(lái)實(shí)現的,所以比傳統的電阻限流為。
    充電過(guò)程中,當蓄電池電壓比較低時(shí),先采取電流充電。此方式有3個(gè)充電電流檔:19A,25A,50A,在充電電壓的基礎上,分別將充電電流到相應的數值。充電時(shí),通過(guò)單片微機先使用電流充電,隨著(zhù)充電電壓的升,然后依次將充電電流值降低,進(jìn)行恒壓充電(充電電流較?。?;當蓄電池電壓充到接近額定電壓之后,充電轉為的恒壓浮充電方式。上述的復合式(多種充電模式)充電方式,可以克服傳統充電方式中可能出現的充電電流過(guò)值,在對蓄電池的充電過(guò)程中,既地了充電電流,又具有很快的充電速度。充電器對蓄電池組的充電過(guò)程按照蓄電池自身的充電特曲線(xiàn)進(jìn)行,蓄電池的固有特,降低了充電過(guò)程中對蓄電池造成損壞的可能。
       本充電器系統還具有智能化電池管理功能。充電器可以采集、儲存每個(gè)單節電池的運行數據,可以通過(guò)USB口進(jìn)行數據轉儲。地面分析軟件的人機界面經(jīng)過(guò)對這些數據的分析和計算,預測出相應電池的壽命,給出電池損壞情況的不良概率?,F場(chǎng)檢修人員可以根據這些數據對相應電池進(jìn)行及時(shí)維修和換,防止由于單節電池的損壞造成整組電池的報廢,這就提了機務(wù)段的檢修作業(yè)效率,降低了檢修成本。
      2. 蓄電池智能充電器的原理與組成
        充電器的主電路原理圖,如圖1所示。
     

     
        圖中DC/DC變換器采用橋直流變換電路,C1為輸入側的濾波電容,參數為10000F/250V。C5為IPM模塊的吸收電容。IGBT管T1至T4組成逆變橋兩個(gè)橋臂。Tr為頻變壓器。變壓器副邊采用頻波整流,D1和D2為整流二管。L為輸出側濾波電感,電感量150H,C2為輸出側濾波電容,參數為4700F/250V。
       充電器的容量為約5kW,額定電流45A。主電路的輸入電壓為內燃機車(chē)輔助發(fā)電機發(fā)出的DC110V電源,允許輸出有±1的波動(dòng)。系統中DC/DC變換器采用橋變換電路。輸入的直流電壓由單相逆變橋逆變成頻交變的方波電壓加在變壓器的原邊。經(jīng)過(guò)頻變壓器進(jìn)行變壓后,副邊交變的方波電壓由波整流電路整流成直流方波電壓,經(jīng)LC濾波輸出直流電壓,供給蓄電池充電。 
       充電電路中還引入了針對變換器輸入側濾波電容C1的預充電輔助電路,在投切輔發(fā)電源到主電路之前,先接觸器將預充電電路投切到主回路上,用蓄電池組上的剩壓對電容C1進(jìn)行預充電,當電容上的電壓達到值后,再由器接觸器將DC110V電源投切到主回路上,充電器進(jìn)入正常工作狀態(tài),由器主回路對蓄電池進(jìn)行充電。
       在充電過(guò)程中,需要使用傳感器充電電流、充電電壓,以及蓄電池溫度,由單片微機進(jìn)行模式識別和切換。各傳感器在主電路中的位置如圖1所示。DC/DC變換器的輸入側,使用電流傳感器A1采集輸入電流,用來(lái)對電路進(jìn)行過(guò)流保護;LC濾波電路的輸出側,使用電流傳感器A2和電壓傳感器V1分別蓄電池的充電電流和充電電壓。單片微機根據此電流值和電壓值確定相應的充電模式,產(chǎn)生充電電流和充電電壓的給定值,輸入到電流和電壓的PI調節器,與充電電流和充電電壓起進(jìn)行閉環(huán)。zui后,兩個(gè)PI調節器的輸出取zui小值,驅動(dòng)PWM波發(fā)生單元產(chǎn)生相應占空比的PWM波形,IPM產(chǎn)生充電過(guò)程中的充電電壓和充電電流。
       充電過(guò)程中的充電電壓值和充電電流值決定著(zhù)充電系統的工作模式,輸入電流用于對電路的過(guò)流保護,它們的穩定、、線(xiàn)形度等直接決定著(zhù)系統的工作能與輸出指標。所以,相應這些電量傳感器的選擇顯得十分重要。
      3.  LEM型傳感器在蓄電池智能充電器中的應用
    3.1  LEM型傳感器的特點(diǎn)
       LEM型電流傳感器是基于霍爾效應的閉環(huán)電流傳感器,是種模塊化的有源電子傳感器。它的內部把互感器、霍爾器件和電子電路很好地加以結合,既有普通互感器測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn),又兼顧了電子電路反應速度快的長(cháng)處。同時(shí),LEM型電流傳感器內部應用了磁通平衡原理,內部聚磁環(huán)的副邊電流和原邊電流保持固定比例,可以根據副邊電流值間接得到原邊的被測電流值。傳感器外接的測量電阻Rm將副邊的電流信號轉換成電壓信號Vm。所以,通過(guò)測量電阻Rm上的電壓值,就可以zui終得出要測量的主電路電流值。LEM型電壓傳感器的原理,與電流傳感器基本相同,不同點(diǎn)只是用戶(hù)需要在傳感器的原邊電路上串聯(lián)個(gè)電阻,將電壓信號轉換為電流信號,然后按照與電流傳感器類(lèi)似的方式進(jìn)行測量使用即可,十分方便。
       LEM系列傳感器實(shí)現了主電路與()電路之間的電氣,具有轉換,強,工作頻帶寬,工作等特點(diǎn)。足夠寬的工作頻帶可以地反映蓄電池在充電過(guò)程中電壓和電流量的變化情況,降低了測量誤差,提了,為器實(shí)時(shí)進(jìn)行充電模式的切換,實(shí)現電路故障判斷并采取相應的保護提供了可靠的。LEM型傳感器強,經(jīng)過(guò)實(shí)際的長(cháng)時(shí)間上車(chē)帶載調試,能十分穩定,沒(méi)有發(fā)生因為干擾而導致的工作異?,F象,是系統的重要保障。LEM傳感器能內燃機車(chē)內強振動(dòng)、環(huán)境溫度等較嚴酷運行環(huán)境的要求,實(shí)踐證明其適合在鐵路車(chē)載設備上應用。
    3.2  系統中LEM型傳感器的選型與安裝
       電流傳感器:系統中共需要2個(gè)電流傳感器A1和A2,分別測量DC/DC變換器的輸入電流和蓄電池的充電電流。
       (1) 電流傳感器A1:系統中DC/DC變換器的輸入側額定電流為45A,考慮到輸入電流波動(dòng)要留出的裕量,采用LEM型電流傳感器LT108-S7測量輸入側電流。
    傳感器主要參數:原邊額定值電流:IPN=100A;測量范圍:0—150A;副邊額定值電流:ISN=50mA;總=0.6%;線(xiàn)度<0.1%。
       (2) 電流傳感器A2:蓄電池的充電電流限流值zui大為50A,所以,選取原邊額定電流為50A的LEM型電流傳感器LT58-S7測量充電電流。
       傳感器主要參數:原邊額定值電流:IPN=50A;測量范圍:0—70A;副邊額定值電流:ISN=50mA;總=0.8%;線(xiàn)度<0.2%。
       電壓傳感器:系統中使用了個(gè)電壓傳感器V1,測量蓄電池的充電電壓。
       系統中充電電壓額定值為110V,選取LEM電壓傳感器LV28-P測量蓄電池組的充電電壓。
       傳感器參數:原邊額定值電流:IPN =10mA;副邊額定值電流:ISN =25mA;總=0.6%;線(xiàn)度<0.2%。
       系統中輸入電流的傳感器LT108-S7和充電電流的傳感器LT58-S7,使用螺絲固定在支架上工作。
       系統中充電電壓的電壓傳感器LV28-P焊接在傳感器板上,使用螺絲固定在充電器基座上。
      4.傳感器外圍電路的設計和參數配置
    4.1  傳感器輸出信號的調整電路
       傳感器的輸出需先經(jīng)過(guò)調整電路調整成需要的模擬量,再供給單片微機系統進(jìn)行A/D轉換,得到相應的電流和電壓值。充電器中使用的信號調整電路如圖2所示。 

       調整電路的*,由運放構成的波整流電路將輸入端的交流量整流為直流量。由于經(jīng)過(guò)波整流后的直流量為負,所以波整流電路后面,加上了第二反相變換電路。這樣,方面可以將直流輸出量的反相為正,A/D轉換的要求;另方面可以通過(guò)反饋支路上的電位器對調整電路的zui終輸出值進(jìn)行調節,A/D轉換的幅值要求。zui后,反相器的輸出接入由二管構成的電壓鉗位限幅電路,對調整后的電壓進(jìn)行限幅,單片微機的A/D輸入通道對電壓的要求。
    4.2 傳感器配置電阻的選擇
       對于LEM型電流傳感器負載電阻的選擇,先應傳感器的要求,阻值在規定的范圍之內;其次,還要和調整電路相互匹配,調整電路的參數。要防止負載電阻兩端的電壓在輸入調整電路之后,導致輸出波形失真。圖2中波整流電路的輸入量不能過(guò)電路中運放的供電電源12V。負載電阻選得過(guò)大,可能導致輸出波形失真,引入測量誤差。這就是說(shuō),過(guò)大的負載電阻會(huì )被電流量和電壓量的幅值范圍,使傳感器的測量能力不能發(fā)揮。另方面,若選得太小,在整個(gè)電流范圍內,轉換得到的輸出電壓都很小,由于A(yíng)/D轉換器的,zui后轉換的數字量對被測信號的分辨率很小,會(huì )測量。因此,在選擇負載電阻阻值時(shí),應綜合上述兩種情況折中考慮;再者,負載電阻的取值對傳感器的線(xiàn)度也有影響,選取負載電阻的阻值時(shí)應綜合判斷合理選擇,傳感器的線(xiàn)度*。
       依據上述原則,系統中各傳感器的負載電阻值zui后選取為:輸入電流傳感器負載電阻選取150;輸出電流傳感器負載電阻選取150;輸出電壓傳感器負載電阻選取300。
       對于電壓傳感器,輸入電路所串外部電阻的選取也應注意,它決定著(zhù)被測電壓與原邊電流的比值,同時(shí)對傳感器的線(xiàn)度也有影響。系統中電壓傳感器測量的是110V直流電壓,選定的外接電阻為15K。根據該值可以得出正常狀態(tài)下原邊的輸入電流為IPN=10mA>7.3mA(110V/15K),傳感器的相應參數范圍要求。經(jīng)過(guò)實(shí)驗調試,系統中電流、電壓傳感器輸出的線(xiàn)形度得到了很好的。
    4.3 電磁兼容設計
       內燃機車(chē)充電器系統的電磁環(huán)境較差,干擾較強,但系統運行的、卻要求較。因為內燃機車(chē)內部電磁環(huán)境十分復雜,干擾,有多種電氣設備共存,其中有很多大功率開(kāi)關(guān)設備;另外,系統中使用了IPM頻DC/DC變換器,也會(huì )引入的頻干擾;而系統中使用的單片微機器,要求運行的電磁環(huán)境好,才能信號的,這就對系統的電磁兼容設計提出了要求,必須精心考慮和設計。
       在充電器系統中,采取了些電磁兼容方面的設計,列舉如下:
      (1)    使用模塊電源,各處供電電源分散供電;
      (2)    信號線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn),遠離大電流通路,頻變壓器,功率開(kāi)關(guān)器件等干擾源;
      (3)    在采樣信號端使用頻濾波網(wǎng)絡(luò )電路;
      (4)    對單片微機的輸入、輸出信號線(xiàn),晶振電路等采取設計;
      (5)    在傳感器的調整電路輸入端加接LC濾波網(wǎng)絡(luò )電路。
      5   實(shí)驗結果與波形圖  
     


                             圖4 頻變壓器輸出波形
       充電器系統經(jīng)過(guò)了滿(mǎn)功率考核試驗和實(shí)際裝車(chē)運用考核試驗。在直流110V充電電壓下,充電電流達到50A,恒流充電模式運行,系統運行正常。系統能夠實(shí)現很好的故障保護功能。圖3給出了實(shí)驗時(shí)IPM模塊中個(gè)橋臂上下兩個(gè)IGBT的驅動(dòng)信號。從波形中可以看出,該時(shí)刻IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為9.52kHz,上下橋臂互補通斷。但要注意的是,圖示信號經(jīng)反相后才用來(lái)驅動(dòng)IGBT管。通過(guò)該波形可以分析出兩個(gè)驅動(dòng)脈沖之間已加上了死區時(shí)間,防止同橋臂的上下兩個(gè)管子直通故障。圖4給出了DC/DC變換器中頻變壓器次邊的波形。通過(guò)波形可以看出,逆變橋開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷過(guò)程中會(huì )引入些電壓。
      6.結論
        實(shí)驗結果和裝車(chē)考核試驗表明,內燃機車(chē)蓄電池智能充電器的設計可以機車(chē)的實(shí)際運用要求,實(shí)現了恒壓充電過(guò)程中的自動(dòng)限流充電,提了充電的效率和質(zhì)量,大大減輕了充電過(guò)程對車(chē)載蓄電池組的損壞程度。系統中,LEM傳感器測量信號實(shí)時(shí)、,故障保護,穩壓、限流等功能和測量的要求。傳感器的外圍接口電路、供電電源、布線(xiàn)、電磁兼容設計等均要求,設計合理。目前充電器已經(jīng)通過(guò)了現場(chǎng)裝車(chē)運用考核,可望實(shí)現批量裝車(chē),擴大市場(chǎng)。 
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