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1、特种加热器试验电源方案设计 系 统 解 决 方 案 赖 小 平 。 裴云庆 ( 1 西安 交通 大学电气工程学院 ， 西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 中国空气动力研 究与发展 中心超 高速 空气动力研 究所 四川 绵 阳 6 2 2 6 6 3 ) 摘 要： 介绍高超声速风洞的特种加热器作用、 试验 电源功能要求 ， 分析 比较各种类型的电源特点、 关键技术 、 优 越性及其应用， 指 出高超声速风洞的最佳试验电源。 关 键 词 ： 电力 电子 ； 电源 ； 电路 ； 电气控制 ； 加 热 器 O引言 在用 空气作试验介 质的高超声 速风洞 中 由于马 赫数很 高 气 流经喷管而剧烈膨胀
2、 造成试验段气流温 度迅 速下降 ， 空气就 发生凝 结 。 伴 随凝结 的进 行 放 出 凝结 热 ， 并传给气流 ， 从 而使气流变 成非等熵 的流动 同时凝结是不均匀 的， 造成流场 的不均匀性 使实验数 据不准确 这在高超声速风洞气 动试验 中是不允许 的 为 了消除凝结 必须提高来 流温度 因此在 以空气为介 质 的高超声速风洞 中需要设计加热器 而高超声速风洞 的主要用途是高精度气动力试验 要求试验气流无污 染 且 为了避免连续式 电阻加热器功率 大 热载高等缺 点 高超声速风洞需要采用电预热蓄热式加热器 。 高超 声速 风洞 电阻式 蓄热式 加热 器是 风洞 的核 心设备 ， 加
3、热 器运行 周期 长 、 造 价 高 、 检修 难度 大 、 检 修时 间长 并 且加 热器元 件是 非标 的 所 以加 热器使 用寿命与运行安全性尤为重要 加热器试验 电源及控 制系 统研 制最 主要 的 目的 与用途 就是要 提高 加热器 运行 的安 全性 与 自然使 用 寿命 并 保证 预热 控温效 果 。 研究加热器 电源方案 ， 比较 其优缺点 ， 并 给出应用 于高超声速风洞 的效果与结论 1 高超声速风洞加热器负载特性 高超 声速风洞加热器采用的电熟 冬 韵 如图 1 所 示 。 图 1 高超声速风 洞加热 器电热元件结构 作 者 简 介 ： 赖 小 平 ( 1 9 7 0 一
4、) ， 硕 士 ， 高级 工程 师 ， 研 究方 向 为 电力拖 动 、 电力 电子 以及 自动控 制 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 1 8 加热器为 6 组 1 3 5 k W、 2 组 1 5 0 k W 额定 电压 3 8 0 V 的电阻性负载， 每组负载连接成星形接法 ， 无中性线 。 2高超声速风洞试验电源功能要求 蓄热 式 电加热器 工作 原理是 通过 电源 系统 向加 热器 的 电热 元件供 电 。 将 电能转化 为热能 利用 蓄热 元件将 热 能蓄存起 来 ， 试 验 时用于加 热气 体 以满足 不 同试验状态对气流温度 的要求 加热器试验 电源研制 的主要 目的
5、与功能 ： ( 1 ) 电源系统 长 时运行 工作制 ， 能对加 热器 可靠 有效地提供 电能 满足 风洞运行 总温需要 ( 2 ) 电源 系统能 在各种 试验 状态 下 把 负 载加热 到 要求 的温度值 并 进行温 度控制 要求 电源 系统供 电主 回路 方案 合理 ， 可靠 性高 ， 可 操作 性 可 维 护性 强 。 操作透 明度 高 安全性高 。 ( 3 ) 能避 免对 加热器造 成 电冲击 与温 度 冲击 实 现 温度平稳控制 保证加 热器 的安全使 用与 自然使 用 寿命 并保证电预热效果 3试验 电源型式 特点 为了达到通 电加热控温的 目的从实现的原 理性 上讲 ， 电加热器
6、 电源方案有继 电式 电源 、 调压变压器电 源、 电子式电源 。 其中电子式方案又分为调功器原理电 源 、 调压器原理 电源 、 固态开关式电源与 P WM式 电源 3 1继电式电源方案 继电式 电源方案核心器件是继 电器 、接触器 及仪 表 ， 它是通过 回差或通过设置上下限来控制电路的通断 达到调节负载温度 的目的。此方案特点是利用继 电器 、 接触器的频繁通断进行温度调节 其调节粗 略、响声 大 ， 且动作频繁 ， 冲击大 ， 电路触点易损坏 ， 使用寿命受 到影响 并且继 电式 电源控温是把温度控制在一定 的 范围之 内， 即在上限与下限之间， 控温效果较差 控温时 间响应 由继 电
7、器 的机械时 间常数决定 相对较长 3 2调压变压器电源方案 调压变压器 电源方案是一种 系统 比较庞大 的 、 控 自动化应用 l 2 0 1 5 9期 i 1 2 系 统 解 决 方 案 制较 简单 的方 案 其 核心设 备是调 压变压 器 通 过改 变变压器二次输 出电压调节 加在负载上 的电压 从而 实现调节负载温度 的 目的。此方案特点是 比较笨重 、 调节粗 略、 投 资较大 ， 难 实现动态连续调节 ， 且温度设 定受 电网电压影响 系统 响应 时间较长 。 调压变压器分无载调压 与有载调压 无载调压变 压器是 在未合 闸带 负载 的情 况下 通过调 压装置 ( 可 有 电动 与
8、手动 )预先将变压 器档级调 到一 定位置 然 后合 闸 给负载通 电 根据 通 电及 升温情 况 进 行断 电 调 档级 最后在 一个合适 的档级 给负 载送 电( 有时要 辅助通断 电时 间) ， 达到控制负载温度 的运行 目的。 无 载调压方 案适合 于允许 有一定调 节范 围又预 知负 载 使用 电压档级 的场合 有载调压变压器是在带负载 的 情况下 通 过检测到的负载温度参数 ( 或 电参数 ) 进行 变压器输 出电压动态调节 实现控温 的运行 目的 可 通 过温度信 号 ( 或 电参数 信号 ) 作 为反 馈信号 的闭环 控制来 实现 也可 以通过开环控制来实现 3 3调功器原理
9、电源方案 调 功器原 理电源是通过过零触 发可控硅 以周 波 数控制方式对输 出功率进行调节 达 到控制负载运行 温度 的 目的 调功器原理 电源典型 的波形 图如图 2 所 示 此方案特点是 ： ( 1 ) 通 过改 变呈正 弦波群 的 电压 占空 比 ， 使 负 载 从 电源吸取功率的平均值可调 从而 在一个 总体效应 上达到调节负载运行温度的 目的 ( 2 ) 从 改变 负载从 电源 吸收 的等效 功率 从而 达 到控制 负载温度 的效果上看 调功器电源与继 电式电 源是一致的 都是改变通电间隔来实现功率调节 不同 点是 ： 电路上 的差别 调功器是无 触点 的通 断 而继 电 式 电源
10、是有触点 的通断 ： 频繁通断的频率有所不 同 ( 3 ) 从 电路上 分析 调功 器原 理 电源 避免 了相 位 控制 时缺角正弦波产生 的无线 电射频 干扰 但是负 载 电流中存 在次谐波 ( 频率低于基波频 率 的谐波 ) 分量 ， 其 含量 高 对 回路影 响较大 目前对 这种次 谐波 吸收 技术的掌握远不如避免射频干扰技术成熟 同时次谐 波吸收装 置 的设 计难度 大 、 成 本高 ， 故调功 器 电源 的 应用受 到一定 的限制 ( 4 ) 调功器 原理 电源输 出的 电压 、 电流测 量不 能 用普通 电压表 、 电流表 测量 其 电压 测量装 置 目前 国 内很少有研制厂家 (
11、 5 ) 调功器原理 电源不 能降低加在负载上 的电压 电流峰值 同时不能实现加在 负载上 电压 电流的平滑 调节 即加在阻性负载加热器上 的电流 ( 有效值 ) 不是 连续可调 的， 它要么是零 、 要 么是最大值 ， 故 负载受 到 l 3 W WW c h i n a c a a a c o m 自动化应用 的电动力也就是一个最大与最小交替的力。故调功器 原理电源在可控硅断续导通 时 电源变压器和负载 都 受到电流通一 断冲击 。 图 2 调功器 电源输出波形图 3 4调压器原理电源 方案 调压器原理 电源是通过移 相触发可控硅 实现输 出电压 0到额定值之 间的连续 可调 从而达 到加
12、 热器 吸收的 电功率 可调 负载运行温度可控的 目的。 图 3为 电阻负 载单相 与三相 调压 器原 理 电源 原 理图。对于单相 电路 ， 负载 电阻 R上 电压有效值 U与 控制角 o 的关 系为 ： 、 s in 2 + 式 中。 为输入交流 电压的有效值 。 从上式 可看 出 随着 的逐渐增 大 电阻 R上 的 电压有 效值要逐 渐减少 。当 = 盯时 ， U = O ， = 0时 ， ： 1 0 0 。因此单相交流调压器对 电阻性负载 ， 其 电压可 调范围为 O - 1 0 0 U 2 控制角移相范围为 0 订 由于 是电阻性负载 所以负载 电流波形与电压波形相 同 同样 可 以
13、分 析 出电阻性负载 三相 调压 器 电压调 节范 围为 0 1 0 0 ， 控制角移相范 围为 0 5 1 T 6 ， 同时输 出三相 电压平 衡 、 波形上下对称 。其 输 出电参 数如 图 4所示 可见 调压器 电源可在 0 1 0 0 之 间 连续可调 图 3 调压器 电源示意 图 图 4调压器 输出电参数波形 图 调压器 电源具有如下特 点 ： ( 1 ) 调压器 电源采用移相触发可控硅 ， 改变可控硅 控制角 ， 继而改变 电源输出电压 ， 使负载从 电源 吸收的 功率得到调节 ， 从而达到调节负载温度的运行 目的。 ( 2 ) 调压器 电源输 出电压 与电流能够在 0到额定 值之
14、间连续可调 从而可 以避免对 阻性负载的电冲击 。 ( 3 ) 从 电路 上分 析 。 虽 然调 压器 电源 存在 相位 控 制 时缺角正弦波产生 的无 线 电射频 干扰 但这 些干扰 都是 以基波频 率为倍数 的 3 、 5 、 7 、 9等奇次谐 波 ， 可 以 方便地进行 吸收装 置设计 ， 技术 成熟。 ( 4 ) 调压 器 电源 输 出电压 电流 测量 容易 ， 测量 装 置技术较成 熟 可方便地实现低参数供电操作方式 。 3 5固态开关式电源 固态开关式 电源把交流 电力电子开关反并联后 串 入交 流电路 中 代替 电路 中的机 械开关 起接通 和断开 的作用 原理上与继 电式 电
15、源方 案一样 不 同的是 固态 开关 式 电源 响应速 度快 ， 没有触 点 ， 寿命长 ， 可 以频 繁 控制通 断 与调功器原理 电源方案相 比 调功器原 理 电源 是改 变控 制周期 内电路导通 周期 数与 断开周 期 数 的比 而固态开关式 电源 并不是去控 制电路 的平 均 输 出功率 没有 明确 的控制 周期 而 只是根 据需要 控 制 电路 的接通 与断开 另外 固态开关 式 电源控制 频 率 比调功器原理电源低得多 3 6 P WM 式电源 P WM 式 电源 又称斩控式 交流调压 电源 其控 制 原理 及 波形如 图 5所 示 ， 输 入为 交流 电压 ， 用 V1 、 V2 进行斩波控制 ，用 V 3 、 V 4给负载 电流提供续 流通道 。 设 斩波 器件导 通 时间 为 t ， 开 关周 期为 导通 比 O = ，可通过改变 O 来 达到调节输出 电压的 目的 。 其特 点是 输出 电流 的基波 分量与 电源 电压 同相位 位移 因 素为 1 通过傅立叶分析可知 电源 电流 中不含低次谐 波 只含 与开关 周期 有 关 的少 数 的高次 谐波 这些 谐 波用很小 的滤波器 即可滤 除。另外 ， 其功 率 因数可 接 近 1 斩控调压峰值低 图
