高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

史艷博 林勝輝 陳大杰 徐益寶

摘要：為了優(yōu)化高頻電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，提高高頻電磁閥開啟速度，通過控制兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）的通斷，為電磁閥建立高壓驅(qū)動(dòng)回路、能量回收回路及續(xù)流回路，實(shí)現(xiàn)將高頻電磁閥的釋放能量臨時(shí)存儲(chǔ)在電容中并重復(fù)利用，將電容與直流電源串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓驅(qū)動(dòng)電磁閥，并同步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。該設(shè)計(jì)利用單一低壓電源實(shí)現(xiàn)了高壓電源的驅(qū)動(dòng)效果。

關(guān)鍵詞：高頻電磁閥；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；高壓驅(qū)動(dòng)；儲(chǔ)能

中圖分類號：TH35? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0011-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.003

0? ? 引言

高頻電磁閥適用于液態(tài)介質(zhì)或氣態(tài)介質(zhì)管路傳輸流量的柔性控制，電磁閥的開關(guān)頻率越高，介質(zhì)傳輸流量控制越平滑、越穩(wěn)定。70 MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是對高頻瓶口電磁閥的精確控制?，F(xiàn)階段驅(qū)動(dòng)電磁閥廣泛使用單電源，基于Peak-Hold模式[1-2]，采用PWM（Pulse width modulation）大占空比調(diào)制電磁閥Peak電流短時(shí)間強(qiáng)激電磁閥啟動(dòng)，電磁閥啟動(dòng)后，小占空比調(diào)制Hold電流長時(shí)間維持電磁閥的啟動(dòng)狀態(tài)。典型的意大利OMB生產(chǎn)的OTV-70 MPa高頻電磁閥采用Peak-Hold模式驅(qū)動(dòng)，Peak電流為3.2 A/800～3 000 ms，Hold電流為1.1 A。但單電源驅(qū)動(dòng)方案中電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差，為優(yōu)化電磁閥的開啟響應(yīng)速度，可采用雙電源驅(qū)動(dòng)高頻電磁閥，在開啟階段，控制高邊開關(guān)管導(dǎo)通，采用高壓電源對電磁閥線圈施加高電壓強(qiáng)激啟動(dòng)[3]，在維持階段，控制高邊開關(guān)管導(dǎo)通，采用低壓電源對電磁閥線圈施加低電壓維持電磁閥啟動(dòng)狀態(tài)[4-5]。但該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一個(gè)高壓電源及一個(gè)低壓電源。為優(yōu)化電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，本文基于單電源設(shè)計(jì)高頻電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，通過將電磁閥的釋放電能回收再利用，利用低壓電源實(shí)現(xiàn)高壓電源驅(qū)動(dòng)效果，并同步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1? ? 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高頻電磁閥的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為導(dǎo)線線圈纏繞磁芯組成，其驅(qū)動(dòng)線圈可以等效為電阻R和電感L串聯(lián)。高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)淙鐖D1所示，高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路由直流電源、電磁閥、兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）及三個(gè)鉗位二極管（VD1、VD2、VD3）構(gòu)成。通過控制兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）的通斷，形成不同工作模態(tài)。

高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路的電壓及電流波形理論分析如圖2所示，其中，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2的觸發(fā)脈沖一致，流過的電流相同。

通過控制兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）的通斷，為高頻電磁閥建立高壓驅(qū)動(dòng)回路、能量回收回路及續(xù)流回路。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）同時(shí)關(guān)斷時(shí)，建立電磁閥能量回收回路，將電磁閥的釋放電能存儲(chǔ)在電容中；當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）同時(shí)開啟時(shí)，建立電磁閥高壓驅(qū)動(dòng)回路，電容與直流電源串聯(lián)，共同驅(qū)動(dòng)電磁閥。鉗位二極管VD1將電容電壓鉗位至直流電源電壓，防止電容電壓過充，并通過鉗位二極管VD1為高頻電磁閥提供續(xù)流回路。

2? ? 工作模態(tài)研究

高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路具有三種工作模態(tài)，分別是：高壓驅(qū)動(dòng)模態(tài)、能量回收模態(tài)、續(xù)流模態(tài)。在一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)，三種工作模態(tài)交替運(yùn)行。

2.1? ? 高壓驅(qū)動(dòng)模態(tài)

如圖2所示，在0—t1時(shí)刻，高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路處于高壓驅(qū)動(dòng)模態(tài)，電路運(yùn)行模態(tài)如圖3所示，此時(shí)脈沖觸發(fā)開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2同時(shí)導(dǎo)通，開關(guān)管Q1、開關(guān)管Q2、電容C1、高頻電磁閥及直流電源構(gòu)成電氣回路，電容和直流電源串聯(lián)共同為高頻電磁閥提供驅(qū)動(dòng)電能，電容電壓逐漸下降，高頻電磁閥線圈電流快速上升，高頻電磁閥線圈存儲(chǔ)電能。高頻電磁閥線圈電壓uOTV為：

uOTV=ui+uc? ? ? ? ? （1）

式中：ui為直流電源電壓；uc為電容兩端電壓。

2.2? ? 能量回收模態(tài)

如圖2所示，在t1—t2時(shí)刻，高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路處于能量回收模態(tài)，電路運(yùn)行模態(tài)如圖4所示，此時(shí)開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2均關(guān)斷，迫使鉗位二極管VD2、電容C1、鉗位二極管VD3、直流電源及高頻電磁閥構(gòu)成電氣回路，直流電源和高頻電磁閥共同釋放電能為電容充能，高頻電磁閥線圈電流逐漸下降，電容電壓逐漸上升至直流電源電壓。高頻電磁閥線圈電壓uOTV為：

ui=uOTV+uc? ?（2）

2.3? ? 續(xù)流模態(tài)

如圖2所示，在t2—t3時(shí)刻，高頻電磁閥單電源驅(qū)動(dòng)電路處于續(xù)流模態(tài)，電路運(yùn)行模態(tài)如圖5所示，此時(shí)開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q2均關(guān)斷，高頻電磁閥線圈電流繼續(xù)逐漸下降。在能量回收模態(tài)，電容電壓逐漸上升至直流電源電壓，由于鉗位二極管VD1的鉗位作用，電容電壓被鉗位至直流電源電壓，停止為電容繼續(xù)充電，鉗位二極管VD1為高頻電磁閥線圈提供續(xù)流回路。鉗位二極管VD2、鉗位二極管VD1及高頻電磁閥共同構(gòu)成電氣回路。

3? ? 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證理論的正確性及方法的可行性，在Matlab/

Simulink中搭建模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。直流電源電壓為24 V，高頻電磁閥等效電阻為5 Ω，等效電感為3 mH。采用Peak-Hold模式驅(qū)動(dòng)高頻電磁閥，仿真波形如圖6～11所示，圖中模態(tài)1為高壓驅(qū)動(dòng)模態(tài)，模態(tài)2為能量回收模態(tài)，模態(tài)3為續(xù)流模態(tài)。高壓驅(qū)動(dòng)模態(tài)時(shí)高頻電磁閥的初始驅(qū)動(dòng)電壓為48 V，是直流電源電壓的2倍。鉗位二極管VD1將電容電壓鉗位至24 V。圖12為高頻電磁閥在0～0.1 s時(shí)間內(nèi)的線圈電流波形圖，與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路相比，本設(shè)計(jì)可以利用單一低壓電源實(shí)現(xiàn)高壓電源的驅(qū)動(dòng)效果，并同步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4? ? 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過優(yōu)化控制兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）的通斷，為高頻電磁閥建立高壓驅(qū)動(dòng)回路及能量回收回路，做到了采用低壓電源實(shí)現(xiàn)高壓電源的驅(qū)動(dòng)效果。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）同時(shí)關(guān)斷時(shí)，建立電磁閥能量回收回路，將電磁閥的釋放電能存儲(chǔ)在電容中；當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管（Q1和Q2）同時(shí)開啟時(shí)，建立電磁閥高壓驅(qū)動(dòng)回路，電容與直流電源串聯(lián)，共同驅(qū)動(dòng)電磁閥。實(shí)驗(yàn)證明了理論的正確性及方法的可行性。

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收稿日期：2024-02-23

作者簡介：史艷博（1995—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化、儲(chǔ)氫系統(tǒng)控制技術(shù)。