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电源纹波测试方法范文1
绕组计算对于进行方波转换的高频变压器，其基本设计公式为［4］（式略）式中:N1为变压器原边绕组匝数(T);V1为施加在该绕组上的电压幅值，这里指输入电压，V1=27V;B为工作磁通密度，B=3400GS;SC为磁心有效截面积，SC取0．42cm2;f为高频变压器工作频率，f=80×103Hz。由式(1)得N1≈5．9T，取N1为6匝（式略）式中:N2为变压器副边绕组匝数(T);V2为变压器副边绕组输出电压，V2=1250V。由式(2)得N2=277．8T，取N2为278匝。导线线径计算集肤效应的考虑导线中通过交变电流时会产生集肤效应。由于电流的集肤效应，使导线有效截面积减少，因而导线在交流电作用时的实际电阻将比它在直流电作用时要大［5］。显然，交变的频率越高，电阻增大也越多。本电路工作频率是80kHz，在选择电流密度和导线线径时必须考虑集肤效应引起的有效截面积的减少。导线通有高频交变电流时有效截面积的减少可以用穿透深度Δ来表示。Δ是交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度，它所具有的横断面积即为导线的有效截面［6］。Δ随电流的交变频率f、导线的导磁率μ以及电导率γ的不同而异，有下述关系（式略）显然，在选用高频变压器原副边绕组导线线径时应遵循小于两倍穿透深度。当使用的导线线径大于由穿透深度决定的数值时，应知由于集肤效应引起的电阻的增加，以便计算线路压降和温升。导线在交变电流下的电阻RAC和直流电阻RDC的比值用Kr来记，有（式略）式中:Kr称为趋表系数［8］。Kr值的大小不仅与交变电流的频率有关，而且还与材料的性质、导线的形状等有关，要精确地计算颇难，在实际应用时通常利用现成的曲线图表查得。初级线圈线径计算变压器最大输出功率P0=4W，η=85%，则流过（式略）
绕组的绕制要求
高频变压器绕制时需要特别注意漏感带来的影响。漏感将会引起关断电压尖峰，虽然可以用RC吸收网络加以抑制，但最根本的办法还是在选择磁芯和绕组绕制时尽可能地减小漏感。无论何种磁芯形状都应使原副绕组尽可能紧密耦合。对于环形磁芯结构，不管原副边绕组匝数多少均应沿磁环圆周均匀地分布。
变压器的屏蔽
处理屏蔽有3类，即电磁屏蔽、静电屏蔽和磁屏蔽。电磁屏蔽主要是防止高频电场的影响，利用电磁场在金属导体内部产生涡流从而起屏蔽作用，因此来自空间的辐射干扰将受到电磁屏蔽的保护。如果将电磁屏蔽接地，则兼有静电屏蔽的功能。静电屏蔽是切断相邻导体之间的静电耦合，并且通过分布电容和适当的接地点(或某个对地有固定电位差的授位点)，为干扰提供一个旁路通道。磁屏蔽防止磁耦合，用高导磁率材料将需要屏蔽的地方包起来，以便将磁力线限定在磁阻小的磁屏蔽导体内部，防止扩散到外部去，或者避免外部漏磁闯进来。变压器的安装位置及屏蔽方法，对电路的设计至关重要。一个变压器如不设磁屏蔽，则漏磁不可避免地要和周围电磁元件发生交连。漏磁在X方向上最显著，Y方向上最少，。又因漏磁影响与距离平方成反比，所以仔细选择变压器的安装位置对改善漏磁干扰有一定效果。磁屏蔽材料必须具有一定的厚度，否则磁屏蔽不可能彻底［10］。在多种变压器的安装方式中选择两种典型的方式进行测试对比(两种电源的原理及所用器件一致)。Ⅰ型高压电源的输入插座置于变压器的X方向上，且距离较近，变压器未加屏蔽。Ⅱ型高压电源的输入插座距离变压器较远，不在变压器X方向上，且变压器加屏蔽板，屏蔽板厚度为0．5mm，材料为铜。输入插座为高压电源提供两路输入电压:一路为控制芯片的工作电压;另一路为变压器的供电电源，都为+27V。Ⅰ型高压电源测试结果芯片工作电源纹波Vp-p=3．6V，工作电源已受到变压器的干扰，频率与变压器工作频率相同。在芯片工作电源处增加滤波电容，纹波仍然，且未减小。输出电压纹波杂乱且不稳定，长时间通电，纹波还会增大。为减小纹波在控制电路及反馈电路中增加滤波电容，但效果不明显，没有改观。Ⅱ型高压电源测试结果芯片工作电源纹波Vp-p=560mV，波形如图7所示。纹波只是电源自身及测试线造成的纹波，变压器对电源测试结果分析从测试结果可看出:Ⅰ型高压电源+27V工作电源受到一个固定的尖脉冲干扰，这个固定尖脉冲的周期与变压器的工作周期相同，即便增加滤波电容也无明显改善，并由此导致板极电压的纹波大。由此可见输入电压插座在变压器X方向，且变压器未加屏蔽时对输入电压的干扰严重，这种干扰很难减弱，并会影响整个电路的正常工作。而Ⅱ型高压电源+27V工作电源的纹波是由电源自身及测试线引起，幅值很低，对输出没有造成影响。改变输入插座的安装位置，使其远离变压器，并对变压器进行很好的屏蔽处理，可将变压器的干扰减少到最小。
电源纹波测试方法范文2
本文介绍在开关模式电源中利用数字电源技术实现省电的方法。输入线路电压范围内的开关频率控制
开关模式电源的主要功率损耗源包括：开关损耗、磁芯损耗、铜损耗、栅极驱动损耗和流经电容ESR的纹波电流。开关频率会对这些损耗产生直接影响。本节说明如何优化开关频率以降低功率损耗，同时保持整体性能不变。
以全桥拓扑结构为例，输出电感的峰峰值电流纹波为
I=(Vin×D×(1-2 D))／(n×Lo×fsw) (1)
式中，Vin是输入电压；D是占空比；n是匝比；Lo是输出电感；fsw是开关频率。
图1举例说明了输出电感电流纹波与输入电压的关系。可以看出，输出电感电流以非线性方式随着输入电压而变化。为了满足输出纹波要求，开关频率应足够高，以使最大输入电压时的I保持在限值以内，但在大多数输入电压情况下，效率无法达到最优水平。
如果我们通过一个算法来使开关频率发生变化，就可以在线路电压较低时降低开关频率。这样，电源既能实现高效率，又能使输出电流纹波保持在可接受的范围内。利用数字电源控制器可以轻松实现这种算法。
自适应死区控制
适当的死区设置对于提高效率十分重要。死区过长，会增大硬开关和体二极管的高导通损耗所引起的功率损耗。死区过短，会增大交叉导通所引起的功率损耗。为了实现高效率，优化死区是必要的。但在不同的工作条件下，死区优化值也不同。例如，在满负载条件与轻负载条件下，或者在高线路电压条件与低线路条件下，死区优化值是不同的。
为了解决这一问题，需要引入自适应死区控制功能。一种简单的解决办法是根据不同的输出电流阈值提供多个死区设置。通过对这些设置进行编程，可以优化不同负载条件下的死区。图2举例说明了如何根据负载电流设置死区。
轻负载模式和深度轻负载模式
为在整个负载范围内实现省电，可以将开关电源设置为不同的工作模式，包括正常模式、轻负载模式和深度轻负载模式。在不同的工作模式下，同步整流器采用不同的工作方案。
当电源在中高负载下工作时，使能正常模式。同步整流器与全桥PwM(脉宽调制)通道互补。当负载降为满负载的20％～30％时，使能轻负载模式。这种模式下，同步整流器仍然有效，但它与全桥PWM通道同相。当负载非常小时，可以使能深度轻负载模式。在这种模式下，同步整流器禁用。
利用负载电流信息，可以为数字电源控制器设置不同的轻负载和深度轻负载阈值。图3显示了正常模式、轻负载模式和深度轻负载模式的工作情况。
切相控制
交错技术可改善电路效率，减小输出电流纹波，提高有效纹波频率，降低输出滤波器电容要求。交错方法还能显著降低输入滤波器电感和电容要求。两相并行工作可降低满负载下的导通损耗，但会提高轻负载下的开关损耗。一相关闭时，导通损耗会提高，但开关损耗会降低，从而在轻负载下获得更高的效率。通过监控输出电流，可以实现对相数的实时优化。用户可以更改切相(phase shedding)的负载电流阂值。
在两相系统中，控制器应能利用交错相位工作，还能平衡电流并增加相位或进行切相。利用数字控制技术，可以在控制器中轻松实现这些功能。图4显示了在轻负载条件下利用切相控制提高效率的实验测试结果。
冷冗余
在空闲模式和其他低功耗条件下，为了提高系统能效并实现省电，需要引入冷冗余模式。在这种模式下，控制电路仅仅激活省电所需的电源模块，其他电源模块关闭，处于待机状态。一旦负载变大，或者在用电源发生故障，就可以激活冗余电源。
为实现冷冗余，开关电源控制器应能在不同情况下监控系统并控制电源。例如，数字控制器能够检测负载和故障条件，然后采用不同的软启动时序激活待机电源。与模拟解决方案相比，数字电源技术更灵活，能够对冷冗余进行智能控制。
电源纹波测试方法范文3
关键词 电源 线性稳定电源 开关型直流稳压电源
中图分类号：TN86 文献标识码：A
1 电源的分类
直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：
1.1 化学电源
我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。
1.2 线性稳定电源
线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热，而且由于变压器工作在工频（50Hz）上，所以重量较大。
这类电源的优点是：（1）电源稳定性及负载稳定性较高，可靠性高；（2）输出纹波电压小；（3）瞬态响应速度快；（4）线路结构简单，便于输出连续可调的成品，也便于维修；（5）没有开关干扰。
线性稳压电源的缺点是：（1）功耗大，效率相对较低，一般只有45%；（2）体积大、较笨重、不能微小型化；（3）必须有较大的滤波电容。
造成这些缺点的原因是：（1）调整管在电源的整个工作中，一直都工作在晶体管的线性放大区，调整管本身的功耗与输出电流成正比，这样调制管本身的功耗就会随电源的输出功率的增大而增大，使调制管急剧发热。为了保证管子能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。（2）线性稳压电源使用了50HZ工频变压器，通常，这种变压器的效率只有80%～90%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率。（3）由于线性稳压电源的工作频率较低，仅为50HZ，所以要降低输出电压中纹波电压的峰峰值，就必须增大滤波电容的容量。
这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。
1.3 开关型直流稳压电源
与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。
开关电源的优点是：（1）体积小，重量轻；（2）功耗小，效率高；（3）稳压范围宽；（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小；（5）电路形式灵活多样，能设计出满足应用于不同场合的稳压电源。开关电源相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P），功率调整管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰。
2 电压的相关数值
2.1 负载变化对输出电压影响
（1）负载调整率（也称电流调整率）
在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化，用百分数表示：
= ？100 / 100
（2）输出电阻（也称内阻）
在额定输出电压条件下，负载电流变化引起输出电压的变化，则输出电阻为：
= | |
2.2 稳压系数
稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量与输入交流电压变化量之比，即：
=
它表示输入交流电压变化时，引起的输出电压变化量。绝对稳压系数值越小越好。越小说明同一引起的越小，输出电压就越稳定。这种表示方法在工程中常常用到。相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压的相对变化量 / 与输入交流电压的相对变化量/之比：
=
电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化 ？10%时，稳压电源输出电压的相对变化量（百分数）：
= ？100 / 100
一般直流稳压电源的电压调整率为1%、0.1%、0.01%等。有时也可用绝对值表示。
2.3 电压调整率
输入电压相对变化为？0%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。
2.4 输出电阻及电流调整率
输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值。电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。
2.5 纹波电压
（1）最大纹波电压。在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。
（2）纹波系数。在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波电压的有效值Urma与输出直流电压之比，即：
= ？100 / 100
总结：电源广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施等各个方面，与人们生活息息相关。因此，基于电源的重要性，对其进行的分析是具有现实意义的。
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）（第5版）. 北京：高等教育出版社，2008.
[2] 康华光.电子技术基础（数字部分）（第5版）. 北京：高等教育出版社，2008.
电源纹波测试方法范文4
关键词：EMI；DC-DC微型模块；低热耗散
开关稳压器噪声辐射
有两种类型的辐射：传导和辐射。传导依赖于连接一个产品的导线和走线，因此噪声局限于设计中的特定终端或连接器，在开发过程中，常常可以用良好的布局或滤波器设计相对较早地保证符合传导辐射的要求。
辐射则不同。电路板上所有携带电流的东西都辐射出电磁场。电路板上的所有走线相当于天线，而所有铜平面都是谐振器。不同于纯正弦波或DC电压的任何信号都产生遍布信号频谱的噪声。即使进行了仔细设计，仍然不可能在系统测试之前知道辐射情况有多糟，而辐射测试直到设计基本完成才能正式进行。
那么设计工程师能做的是什么呢?一种方法是采用经过预先测试并已知具有低辐射的器件。使用这些“经过检验和认证”的器件可极大提高设计师成功的机会。
任何变化的电流或电压都会产生电磁(EM)形式的能量。这种能量在蜂窝电话、Pc、医疗扫描仪、汽车、发送器、荧光灯以及电线等中以不同强度出现，且是在一定频率范围内定义的强度，强度随距离而变化。噪声这个名称尽管不是一个科学定义的术语，但是在EM能量干扰、中断或禁止其它电子器件和组件工作时，仍然用噪声来表示这种能量，它也被称为电磁干扰或EMI。
滤波器可通过衰减在某一频率上或一个频率范围内的EMI强度来降低EMI。这种能量通过空间传播(辐射)的部分靠增加金属或磁屏蔽衰减。依赖于PCB走线(传导)的部分靠增加铁氧体珠和其它滤波器来控制。EMI不能消除，但可衰减到一个其它通信和数字组件可接受的水平。此外，几个监管机构实施了一些标准，以确保符合EMI要求。
超低噪声DC-DC稳压器系统级封装
凌力尔特公司一个新的Dc－DC微型模块(μModule)稳压器系列通过在DC-DC稳压器电路这个源头衰减传导和辐射能量。一个DC-DC微型模块是一个完整的DC-DC系统级封装，它包括电感器、控制器Ic、MOSFET(或开关组件)、输入和输出电容器以及补偿电路，这些组件搭建在一个基片上并装入一个密封的表面贴装塑料封装中，就像一个IC一样。
这个系列已经过鉴定合格的EMI测试机构的评估，并通过了国际规范CISPR22的认证。换言之，这些产品经过检验和认证，可实现低噪声工作。
超低EMI DC-DC微型模块稳压器
一个开关稳压器的噪声主要由接通和断开时电流(和电压)的快速通断动作所引起。LTM4606和LTM4612作为完整的开关稳压器系统，用来实现低输入和输出噪声，同时提供开关稳压器电路的所有优点。表1给出其特性比较。LTM4612与LTM4606类似，但具有更大的输入和输出电压范围。
在这两款产品的输入端上集成了一个输入高频电感器，以衰减输入噪声。为了进一步衰减低输出噪声，这两款器件内部都安装了用于MOSFET和噪声消除网络的优化栅极驱动器，以减轻噪声耦合。
辐射EMI噪声测试结果
LTM4606和LTM4612集成了一种功能，以最大限度地降低辐射EMI噪声。输入Ⅱ型滤波器可以减轻从该器件耦合到主输入总线的噪声，因此减轻了影响其它电路系统的风险。它还限制传导噪声环路。在欧洲，容许的电磁辐射一般由EN55022定义。另一个常用规范是CISPR22，它来自国际机构Comite International Special desPerturbations Radioelectriques。结果显示，新的DC-DC微型模块稳压器具有比CISPR22 ClassB(准峰值)辐射限制低超过12dBμv的裕度，如图1所示。
一种用于高速SERDES和FPGA I／O的干净高效的电源
尽管线性稳压器仍然是在FPGA和AsIc中为I／O线路供电的可行而简单的解决方案，但随着以非常高速率(在有些情况下超过8Gbps和高达10Gbps)工作的SERDES(串行器－解串器)的推出，线性稳压器不得不提供比过去更大的功率。在提供大输出功率的同时，线性稳压器要耗散更多热量。其结果是，器件变得更热，而热量管理可能变得昂贵、具有挑战性并常常变得不切实际。
另外，因为线性稳压器的电源抑制比(PSRR)在100kHz以上会大幅降低，所以线性稳压器在从高频开关稳压器(如500kHz)中滤除噪声方面是无效的。由此，铁氧体珠和Ⅱ型滤波器被加入到线性稳压器中，以降低高频噪声。
诸如新的低噪声微型模块稳压器系列等经仔细设计的开关稳压器解决方案，不仅能以只相当于线性稳压器一小部分的热耗散就提供同样的输出功率，还实现了非常低的噪声性能，因此可用于FPGA或ASIC系统中的高速收发器。
将Dc－Dc微型模块噪声性能转换成抖动和眼图扫描结果：DC－Dc微型模块系列经过赛灵思公司检验，适用于RocketIO。
用这个超低噪声Dc－Dc稳压器系列实现噪声降低已经显示了极好的结果。目前，经过几次测试，这些结果已经转换到了数字域。根据赛灵思公司设置的试验，可以得出几个结论。
眼图扫描
用来测量收发器眼图张开度的眼图扫描结果显示了良好的质量。如图2所示，眼图张开度保证这个DC-Dc微型模块稳压器系列提供大电流(能提供高达6A的电流)，而且不会降低眼图质量。
抖动测试
收发器的性能取决于发送器产生的抖动和接收器的抖动容限。包括LTM4606在内的4个产品都显示了相当于线性稳压器且在有些情况下比线性稳压器还好的值。换句话说，微型模块对抖动的影响可忽略不计，参见图3与表2。
纹波
系统设计师用于高速I／O电源的另一个测量指标是电源纹波。更低的纹波是首选。表2还显示了每个DC-Dc微型模块在1.0V和1.2V的输出纹波。与线性稳压器(LTC3026)的纹波相比，结果有时更好。
结语
结合超低EMI、低热耗散和紧凑外形的DC-DC解决方案像线性稳压器一样简单，适用于高速I／O和SERDES。
一个创新性DC-DC微型模块稳压器系列已经设计出来，用于在高速数据传输中关注EMI和／或最低BER的噪声敏感电子系统。这些器件已经通过获得认证可进行EMI评估的测试实验室测试。此外，这个产品系列的一个子集在高速收发器系统上经过测试，以评估其对抖动的影响。
电源纹波测试方法范文5
高效、仿纹波模式、可调开关频率是新一代SIMPLE SWITCHER的重要特征
SIMPLE SWITCHER操作简单，适用于设计高效、中等电流量的降压电源控制器。型号为LM3150、LM3151、LM3152及LM3153的4款控制器采用固定导通时间(COT)的控制方法，因此无需加设外置补偿电路，有助于减少外置元件数目，并精简系统设计。
若采用目前正在申请专利中的仿纹波模式技术，便可采用低等效串联电阻输出电容器，其优点是可以进一步缩小设计方案体积，精简系统设计，以及减少输出电压纹波，确保有关电路均可以发挥更高性能。
LM3150的输出电压可以按需要而调整，最低可达0.6V，而开关频率则可高达1MHz。LM3151、LM3152及LM3153等各自均有固定频率，分别为250kHz、500kHz及750kHz，输出电流高达12A。每一款控制器都可提供固定的3.3V输出电压，输入电压则各不相同，但均介于6V～42V之间，而且仅需搭配11颗外置元件，即有助于简化设计，还可缩小系统体积。
创新的 MOSFET 选择 工具
MOSFET筛选工具是首套可为开关控制器设计提供的端到端设计工具，其功能包括MOSFET选择、MOSFET性能优化工具以及系统设计模拟测试等。此套工具储存了不同供应商的MOSFET产品的规格参数，从而使工程师可以根据热能参数、功耗及价格寻找并挑选最适用的MOSFET。
如果工程师以效率或方案体积作为系统设计的先决条件，WEBENCH设计工具网页的优化曲线图及图表可让工程师清楚看到该性能优化决策在不同工作电压下会对整个设计产生的影响。工程师可以采用不同的频率、效率、大小作为比较基准，分析并比较MOSFET在不同情况下的功耗，工程师也可分析MOSFET在整个负载电流及输入电压范围内的不同功耗。
电源纹波测试方法范文6
关键词：整流器；旋转；励磁系统；电路
中图分类号：tp271 文献标识码：a 文章编号：2095-6835（2014）10-0101-02
随着发电模块单机容量大幅度的增加，发电模块的寿命和可靠性显得更为重要，而旋转整流器是无刷励磁系统（由旋转整流器（功率二极管）、励磁机、励磁调节器等组成）中的重要环节，当遇到过电压、过电流和其他非正常情况时，旋转整流器中的功率二极管可能会出现开路或短路故障。当功率二极管开路时，励磁调节器需要立即增加励磁电流，来维持励磁机的输出，这就可能造成励磁调节器过励故障；当功率二极管短路时，有很高的电流流经励磁机电枢，会导致励磁机过热甚至损坏。
为了保证无刷励磁发电机的正常运行，提高发电模块的寿命和可靠性，对旋转整流器进行故障检测是非常必要的。此外，在发电机运行时，无刷励磁部分始终处于高速旋转状态，各种状态信号难以直接获取，使得旋转整流器的在线故障检测变得更加困难。因此，必须进行专题研究加以突破，研究出适合于舰用环境的、高可靠性的在线故障诊断模块。
1 旋转整流器
旋转整流器是无刷励磁同步电机的重要组成部分，它将与同步电机同轴的交流励磁机发出的三相交流电整流成直流，为同步电机提供励磁电源，实现同步电机的无刷励磁。由于旋转整流器是无刷同步电机内部唯一的电子器件，装在电机转轴上，当电机运行时，随电机转子一起旋转，所以，它必须承受较大的离心力和一定的机械振动力；同时，还要承受元件整流所产生的热应力。旋转整流器失效，会导致同步电机不能正常运行，因此对旋转整流器进行设计、对整流元件的性能进行选择成为了无刷同步电机设计的一个关键环节。
2 仿真分析
根据同步发电机数学模型，应用matlab中的simpower systems库的同步发电机的仿真模块，它由一个包括阻尼绕组影响的6阶状态方程组来描述，可以较为精确地模拟励磁机特性，并利用powergui模块进行谐波分析。
仿真结果如图1所示，无刷励磁系统在正常情况下，励磁机励磁电流除了直流分量外，还含有少量的6次谐波，其幅值约为直流分量的3.1%.该6次谐波由励磁机电枢电流的基波电流产生的5次、7次谐波磁势和5次、7次谐波电流产生的基波磁势，通过气隙在励磁机励磁绕组上感应而产生的。
旋转整流器的故障初期表现为一管开路或一管短路。当一只功率二极管损坏后，励磁机就处于不对称运行状态，每相电枢电流都含有大量不对称的直流、基波、2次谐波和3次谐波等各次谐波分量；而三相电流的各次谐波分量又会在励磁绕组上感应出相应的谐波分量。如果考虑到旋转整流器的换相重叠角和发电机励磁绕组阻抗角的影响，对故障情况下励磁机励磁电流的谐波分析则相当复杂。但利用无刷励磁系统仿真模型进行故障情况下的仿真，可以简捷、有效地得出谐波分析结果。
从图1可以看出，一管开路时，励磁机励磁电流的2次谐波最大，约为直流分量的9.6%；1次谐波的幅值虽然比2次谐波小，但相差不大，约为直流分量的8.8%；6次谐波的幅值减小为直流分量的2.5%.一管短路时，励磁机励磁电流的1次谐波最大，约为直流分量的37.9%；2次谐波的幅值相对较小，约为直流分量的8.7%；6次谐波则减小到直流分量的0.4%.
分析上述数据可以得出以下两点结论：①旋转整流器发生故障后，1次谐波、2次谐波幅值增长明显，6次谐波幅值减小；②当发生一管开路故障时，2次谐波幅值较大；而发生一管短路故障时，1次谐波幅值较大。
3 故障诊断模块实现方案
通过以上内容可知，在旋转整流器工作正常时，励磁机励磁电流中含高频小幅纹波。当旋转整流器出现一只管短路或开路时，励磁机励磁电流中含低频大幅纹波，可以通过实时监测励磁机励磁电流中纹波的水平，来判断旋转二级管工作状态；如果旋转二级管故障，则输出继电器信号。该故障诊断模块的实现有数字电路和模拟电路两种方案。
3.1 数字电路方案
数字电路实现方案由基于t
ms320f2812芯片的dsp最小系统、励磁电流采样电阻、信号调理、led和继电器等组成。通过采样电阻、ad芯片采样励磁机励磁电流，并用fft软件来计算励磁电流中的谐波，根据其谐波大小，来判断二级管的相应工作状态，作出故障显示和输出继电器信号。数字电路方案成本高、性能先进、通信性强，但开发难度大，开发周期较长。
3.2 模拟电路方案
模拟电路实现方案可由励磁电流采样电阻、滤波器、自动增益放大器、纹波放大器、led和继电器等组成。该方案通过采样电阻采集励磁机励磁电流信号，通过滤波器、自动增益放大器、纹波放大器和精密整流器，来抽取旋转整流器故障诊断用谐波。根据精密整流器输出大小，来判断旋转二级管是否正常工作，并作出相应显示和输出继电器信号。模拟电路方案成本低、性能一般，易于开发且开发周期短。
根据实际需求，考虑研制周期、模块成本和开发难度等因素，本论文中故障诊断模块采用模拟电路方案。
4 诊断方案设计
故障诊断模块与发电机的连接如图2所示，模块与励磁机励磁绕组、励磁调节器连接，通过实时监测励磁机励磁电流中纹波的水平来判断其工作状态。如果旋转二级管故障，则输出常开或常闭触点信号。
故障诊断系统功能结构图设计如图3所示，并据此设计电路原路图。各模块设计方案如下：①输入滤波器。采样电阻r和发电机的励磁机励磁绕组相连，当发电机空载时，在采样电阻上的电压降经输入滤波器放大为1 v；在发电机的各种负载情况时，该电压的变化范围为1～4 v。②自动增益放大器。由于输入滤波器的输出电压范围为1～4 v，相应的谐波也会变化，为了避免故障诊断模块把这种电压变化诊断为旋转整流器故障，自动增益放大器根据信号变化自动调节放大器的信号偏置，来使监测电路检测到的纹波为一固定幅度的信号。③纹波放大器。当旋转整流器都正常工作时，磁场电流的纹波为小幅值高频纹波； 当有二级管故障时，该纹波为大幅值低频纹波（是二级管正常工作时的1/6～1/3）。因此，该纹波放大器起低频高增益和高频低增益放大的作用。同时，为了兼容不同的无刷励磁发电机，该放大器提供了高频增益的调节电位器，以备用户调
节使用。④精密整流器。该精密整流器将纹波放大器输出的纹波整流成直流输出。⑤反时限定时器。当二极管短路故障时，精密整流器输出的直流电压经过反时限定时器。立即驱动报警继电器动作；当二极管开路故障时，精密整流器输出的直流电压经过反时限定时器延时一定时间后。驱动报警继电器动作。⑥继电器驱动。继电器的驱动电路由晶体管等组成。⑦led。自动增益放大器用于显示励磁机励磁电流纹波水平、故障诊断模块的用户设定和故障显示。⑧avr纹波放大器。由于avr输出的励磁电压由脉冲组成，励磁电流中含有大量纹波，这就使得诊断旋转二级管的开路故障较为困难。为了消除avr这种固有纹波的影响，在模块中，avr电压输出的f+端经过滤波器，零点调节，avr纹波放大器后，输出信号到输入滤波器，以消除由于avr输出的励磁电流中固有纹波的影响。⑨电源。整个模块的电源由变压器-整流器-晶体管组成典型的供电电源。
5 结束语
本论文用matlab对励磁机励磁电流的谐波成分进行仿真研究，通过比较数字电路和模拟电路两种方案，设计了模拟电路方案以检测其谐波来实现旋转二级管故障诊断，方案易于实现、成本低。在今后的研究中，还应该在现有matlab离线仿真模型的基础上，建立在线仿真试验平台，用于故障诊断模块的试验和测试；同时，还可以利用小型发电机和二极管整流桥等试验设备，来模拟旋转整流器一管开路、一管短路等故障，以进行故障诊断模块的动模试验。
参考文献
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