CN104218898B - 基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法 - Google Patents
基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，包括以下步骤，1）检测三相程控功率源输出的电流值、电压值，并通过温度传感单元监测三相程控功率源运行时的环境温度；2）建立电流源用功率放大器的发热模型、电压源用功率放大器的发热模型、电流源用功率放大器的热量传输模型、电压源用功率放大器的热量传输模型；3）根据建立的四组模型，建立过热保护策略，对三相程控功率源的各相进行独立的过热判断、动作和保护。本发明建立过热保护控制策略，实现针对功率放大器有效的过热保护，实现对三相程控功率源内的功率放大器实时有效快速全面的保护，延长设备的使用寿命，提高其工作性能，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，属于电源装置技术领域。
背景技术
程控功率源是将计算机或单片机作为功率源系统的控制和数据运算处理部件，使功率源系统按照预先编制好的程序和数据，自动输出相应的电压和电流，并使其稳定在给定数值上的一种电源装置，与一般常规电源相比，程控功率源具有标准化、系列化、智能化高可靠性、高性能等特点，.程控功率源是一种智能化电源，它能根据不同环境的需要为其他设备提供合乎规格的能源，不仅广泛应用于自动测试系统中，而且可以作为一种通用的动力源，在工业生产和实验研究等领域中起着重要的作用。
目前，市面上的三相程控功率源的工作原理一般为基于升流器的原理，但这类的三相程控功率源的输出信号单一，负载能力相对较小，应用场合具有一定的局限性。而基于功率放大器实现功率放大的三相程控功率源则很好的解决了上述问题，且转换速度更快，适合对功率源要求较高的场合，但功率放大器在工作工程中会产生较大的耗散功率，虽可以采取相应的散热设计，如加装散热片和风扇进行散热，但效果比较有限，长期运行依然有可能会造成功率放大器的损坏，甚至造成其他设备的损坏。而且，若只是一味采用加装散热片和风扇的方式进行散热要使散热效果更明显需要增加散热片的面积、风扇的风力以及散热空间，这必然会增大三相程控功率源的体积和成本，若采用加装温度传感器监测功率源的实时温度进行过热保护，需对每个功率放大器配置一个温度传感器，不仅实现复杂，增加了整个设备的成本而且对温度传感器的耐热要求较高，温度传感器一旦发生故障就无法正确保护，可靠性较低。同时，实际工况比较复杂，误操作时有发生，这些都会对这类的三相程控放大器的正常稳定运行产生较大的影响。
因此需要一个完整简便的针对功率放大器的过热保护策略，以保证三相程控功率源的使用寿命和性能，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服对基于功率放大器实现功率放大的三相程控功率，没有有效的过热保护的问题。本发明的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，建立过热保护控制策略，实现针对功率放大器有效的过热保护，实现对三相程控功率源内的功率放大器实时有效快速全面的保护，延长设备的使用寿命，提高其工作性能，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(1)，检测三相程控功率源输出的电流值、电压值，并通过温度传感单元监测三相程控功率源运行时的环境温度；
步骤(2)根据三相程控功率源的输出电流、输出电压、运行时间建立电流源用功率放大器的发热模型、电压源用功率放大器的发热模型、电流源用功率放大器的热量传输模型、电压源用功率放大器的热量传输模型，
所述电流源用功率放大器的发热模型为根据输出电流计算电流源用功率放大器的耗散功率；
所述电压源用功率放大器的发热模型为根据输出电压计算电压源用功率放大器的耗散功率；
所述电流源用功率放大器的热量传输模型为计算电流源用功率放大器的实时温度；
所述电压源用功率放大器的热量传输模型为计算电压源用功率放大器的实时温度；
步骤(3)，根据步骤(2)建立的四组模型，建立过热保护策略，对三相程控功率源的各相进行独立的过热判断、动作和保护。
前述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电流源用功率放大器的发热模型为，
P1＝I1·(V1-R1I1-R2I1)＝I1V1-(R1+R2)I1 2
其中，P1为电流用功率放大器的耗散功率、I1为电流源的输出电流、V1为电流源用功率放大器的工作电压、R1为其取样电阻；
所述电压源用功率放大器的发热模型为，
其中，P2为电压源用功率放大器的耗散功率、V2为电压源的输出电压、V3为电压源用功率放大器的工作电压、R3为电压源所接负载；
所述电流源用功率放大器的热量传输模型为，
其中，TI(t)为电流源用功率放大器的实时温度、TI(t-1)为电流源用功率放大器前一秒的温度、RIq为电流源用功率放大器的等效热阻、tIq为电流源用功率放大器的热时间常数；
所述电压源用功率放大器的热量传输模型为，
其中，TU(t)为电流源用功率放大器的实时温度、TU(t-1)为电流源用功率放大器前一秒的温度、，RUq为电压源用功率放大器的等效热阻，tUq为电流源用功率放大器的热时间常数。
前述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电流源用功率放大器的热量传输模型的建立过程为，
(1)根据公式(1)，计算出电流源用功率放大器的实时温度TI，
其中，RI1为热量从电流源用功率放大器到电流源用散热片所形成的热阻、RI2为电流源用散热片通过风扇向周围空气散热所形成的热阻、CI1为电流源用功率放大器的热容量；
(2)将公式(1)离散解析后得到公式(2)，
其中，tIq＝RIqCIq；
(3)将电流源用功率放大器的发热模型代入公式(2)，得到电流源用功率放大器的热量传输模型，
前述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电压源用功率放大器的热量传输模型的建立过程为，
(1)根据公式(3)，计算出电压源用功率放大器的实时温度TU，
其中，RU1为热量从电压源用功率放大器到电压源用散热片所形成的热阻、RI2为电压源用散热片通过风扇向周围空气散热所形成的热阻、CU1为电压源用功率放大器的热容量；
(2)将公式(3)离散解析后得到公式(4)，
其中，tUq＝RUqCUq；
(3)将电压源用功率放大器的发热模型代入公式(4)，得到电压源用功率放大器的热量传输模型，
前述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：步骤(3)，根据步骤(2)建立的四组模型，建立过热保护策略，对三相程控功率源进行独立电流、电压的过热判断、动作和保护的过程为，
其中对三相程控功率源的各相电流的过热判断、动作和保护的过程为，
(1)根据电流源用功率放大器的发热模型，计算出电流源用功率放大器的耗散功率；
(2)根据电流源用功率放大器的热量传输模型，配合计时器记录的时间，迭代出电流源用功率放大器的实时温度；
(3)电流源用功率放大器的初始温度为环境温度，若计算的电流源用功率放大器的实时温度小于对应的环境温度时，将环境温度代替实时温度，重复(2)的迭代计算；若计算的电流源用功率放大器的实时温度大于其对应的环境温度且小于电流源用功率放大器的保护温度时，为正常运行状态，重复(2)的迭代计算；若计算的电流源用功率放大器的实时温度大于电流源用功率放大器的保护温度时，为异常运行状态，则使三相程控功率源的电流输出为零，并进行报警；
其中对三相程控功率源的各相电压的过热判断、动作和保护的过程为，
(1)根据电压源用功率放大器的发热模型，计算出电压源用功率放大器的耗散功率；
(2)根据电压源用功率放大器的热量传输模型，配合计时器记录的时间，迭代出电压源用功率放大器的实时温度；
(3)电压源用功率放大器的初始温度为环境温度，若计算的电压源用功率放大器的实时温度小于对应的环境温度时，将环境温度代替实时温度，重复(2)的迭代计算；若计算的电压源用功率放大器的实时温度大于其对应的环境温度且小于电压源用功率放大器的保护温度时，为正常运行状态，重复(2)的迭代计算；若计算的电压源用功率放大器的实时温度大于电压源用功率放大器的保护温度时，为异常运行状态，则使三相程控功率源的电压输出为零，并进行报警；
前述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电流源用功率放大器、电压源用功率放大器的保护温度为人工设置的，与其对应的额定功率之间留有的裕量。
本发明的有益效果是：本发明的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，根据三相程控功率源的输出电流、输出电压、运行时间建立电流源用功率放大器的发热模型、电压源用功率放大器的发热模型、电流源用功率放大器的热量传输模型、电压源用功率放大器的热量传输模型，并建立过热保护控制策略，实现针对实现三相程控功率源的电流、电压的独立过热保护，实时有效快速全面的保护，延长设备的使用寿命，提高其工作性能，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法的流程图。
图2是本发明的电流源用功率放大器的发热模型的示意图。
图3是本发明的电压源用功率放大器的发热模型的示意图。
图4是本发明的电流源用功率放大器的热量传输模型的示意图。
图5是本发明的电压源用功率放大器的热量传输模型的示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，根据三相程控功率源的输出电流、输出电压、运行时间建立电流源用功率放大器的发热模型、电压源用功率放大器的发热模型、电流源用功率放大器的热量传输模型、电压源用功率放大器的热量传输模型，并建立过热保护控制策略，实现针对实现三相程控功率源的电流、电压的独立过热保护，实时有效快速全面的保护，延迟其的使用寿命及性能，如图1所示，具体包括以下步骤，
步骤(1)，检测三相程控功率源输出的电流值、电压值，并通过温度传感单元监测三相程控功率源运行时的环境温度；
步骤(2)根据三相程控功率源的输出电流、输出电压、运行时间建立电流源用功率放大器的发热模型、电压源用功率放大器的发热模型、电流源用功率放大器的热量传输模型、电压源用功率放大器的热量传输模型，
所述电流源用功率放大器的发热模型为根据输出电流计算电流源用功率放大器的耗散功率，如图2所示，电流源用功率放大器的发热模型为，
P1＝I1·(V1-R1I1-R2I1)＝I1V1-(R1+R2)I1 2
其中，P1为电流用功率放大器的耗散功率、I1为电流源的输出电流、V1为电流源用功率放大器的工作电压、R1为其取样电阻，电流源输出的电流大小直接影响其耗散功率；
所述电压源用功率放大器的发热模型为根据输出电压计算电压源用功率放大器的耗散功率，如图3所示，电压源用功率放大器的发热模型为，
其中，P2为电压源用功率放大器的耗散功率、V2为电压源的输出电压、V3为电压源用功率放大器的工作电压、R3为电压源所接负载，电压源输出电压的大小直接影响其功率放大器的耗散功率；
所述电流源用功率放大器的热量传输模型为计算电流源用功率放大器的实时温度，如图4所示，电流源用功率放大器的热量传输模型为，
其中，TI(t)为电流源用功率放大器的实时温度、TI(t-1)为电流源用功率放大器前一秒的温度、RIq为电流源用功率放大器的等效热阻、tIq为电流源用功率放大器的热时间常数；
所述电压源用功率放大器的热量传输模型为计算电压源用功率放大器的实时温度，如图5所示，电压源用功率放大器的热量传输模型为，
其中，TU(t)为电流源用功率放大器的实时温度、TU(t-1)为电流源用功率放大器前一秒的温度、，RUq为电压源用功率放大器的等效热阻，tUq为电流源用功率放大器的热时间常数；
所述电流源用功率放大器的热量传输模型的建立过程为，
(1)根据公式(1)，计算出电流源用功率放大器的实时温度TI，
其中，RI1为热量从电流源用功率放大器到电流源用散热片所形成的热阻、RI2为电流源用散热片通过风扇向周围空气散热所形成的热阻、CI1为电流源用功率放大器的热容量；
(2)将公式(1)离散解析后得到公式(2)，
其中，tIq＝RIqCIq；
(3)将电流源用功率放大器的发热模型代入公式(2)，得到电流源用功率放大器的热量传输模型，
所述电压源用功率放大器的热量传输模型的建立过程为，
(1)根据公式(3)，计算出电压源用功率放大器的实时温度TU，
其中，RU1为热量从电压源用功率放大器到电压源用散热片所形成的热阻、RI2为电压源用散热片通过风扇向周围空气散热所形成的热阻、CU1为电压源用功率放大器的热容量；
(2)将公式(3)离散解析后得到公式(4)，
其中，tUq＝RUqCUq；
(3)将电压源用功率放大器的发热模型代入公式(4)，得到电压源用功率放大器的热量传输模型，
步骤(3)，根据步骤(2)建立的四组模型，建立过热保护策略，对三相程控功率源的输出电流、电压进行独立的过热判断、动作和保护。
其中对三相程控功率源的各相电流的过热判断、动作和保护的过程为，
(1)根据电流源用功率放大器的发热模型，计算出电流源用功率放大器的耗散功率；
(2)根据电流源用功率放大器的热量传输模型，配合计时器记录的时间，迭代出电流源用功率放大器的实时温度；
(3)电流源用功率放大器的初始温度为环境温度，若计算的电流源用功率放大器的实时温度小于对应的环境温度时，将环境温度代替实时温度，重复(2)的迭代计算；若计算的电流源用功率放大器的实时温度大于其对应的环境温度且小于电流源用功率放大器的保护温度时，为正常运行状态，重复(2)的迭代计算；若计算的电流源用功率放大器的实时温度大于电流源用功率放大器的保护温度时，为异常运行状态，则使三相程控功率源的电流输出为零，并进行报警；
其中对三相程控功率源的各相电压的过热判断、动作和保护的过程为，
(1)根据电压源用功率放大器的发热模型，计算出电压源用功率放大器的耗散功率；
(2)根据电压源用功率放大器的热量传输模型，配合计时器记录的时间，迭代出电压源用功率放大器的实时温度；
(3)电压源用功率放大器的初始温度为环境温度，若计算的电压源用功率放大器的实时温度小于对应的环境温度时，将环境温度代替实时温度，重复(2)的迭代计算；若计算的电压源用功率放大器的实时温度大于其对应的环境温度且小于电压源用功率放大器的保护温度时，为正常运行状态，重复(2)的迭代计算；若计算的电压源用功率放大器的实时温度大于电压源用功率放大器的保护温度时，为异常运行状态，则使三相程控功率源的电压输出为零，并进行报警；
所述电流源用功率放大器、电压源用功率放大器的保护温度为人工设置的，与其对应的额定功率之间留有的裕量，可根据实际需求设定，但为了提高功率放大器的使用寿命，需留有一定的裕量。
在本发明实施例中，电流源用功率放大器可选用PA12A，供电电压V1可选为12V，取样电阻R1选为0.5欧，电压源用功率放大器可选用PA91，供电电压V2可选为120V，电流源与电压源负载根据实际带载情况而定，热阻RI1，RU1，RI2，RU2，CI1，CU1可通过查找芯片资料获得，当功率放大器的温度达到其耐额定温度热极限时，需要对功率放大器进行保护，从而避免造成功率放大器及其他设备的损坏，可实现三相电流与电压的独立过热保护，同时，针对一已定的三相程控功率源，功率放大器是否过热保护仅与输出电流电压、运行时的环境温度和运行时间有关，不同的输出整个设备可连续工作的时间也不同，实现了分段保护，保证整个三相程控功率源的工作效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(1)，检测三相程控功率源输出的电流值、电压值，并通过温度传感单元监测三相程控功率源运行时的环境温度；
步骤(2)，根据三相程控功率源的输出电流、输出电压、运行时间建立电流源用功率放大器的发热模型、电压源用功率放大器的发热模型、电流源用功率放大器的热量传输模型、电压源用功率放大器的热量传输模型，
所述电流源用功率放大器的发热模型为根据输出电流计算电流源用功率放大器的耗散功率；
所述电压源用功率放大器的发热模型为根据输出电压计算电压源用功率放大器的耗散功率；
所述电流源用功率放大器的热量传输模型为计算电流源用功率放大器的实时温度；
所述电压源用功率放大器的热量传输模型为计算电压源用功率放大器的实时温度；
步骤(3)，根据步骤(2)建立的四组模型，建立过热保护策略，对三相程控功率源的输出电流、电压进行独立的过热判断、动作和保护。
2.根据权利要求1所述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电流源用功率放大器的发热模型为，
P1＝I1·(V1-R1I1-R2I1)＝I1V1-(R1+R2)I1 2
其中，P1为电流源用功率放大器的耗散功率、I1为电流源的输出电流、V1为电流源用功率放大器的工作电压、R1为第一取样电阻、R2为第二取样电阻；
所述电压源用功率放大器的发热模型为，
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其中，P2为电压源用功率放大器的耗散功率、V2为电压源的输出电压、V3为电压源用功率放大器的工作电压、R3为电压源所接负载；
所述电流源用功率放大器的热量传输模型为，
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其中，TI(t)为电流源用功率放大器的实时温度、TI(t-1)为电流源用功率放大器前一秒的温度、RIq为电流源用功率放大器的等效热阻、tIq为电流源用功率放大器的热时间常数；
所述电压源用功率放大器的热量传输模型为，
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</mrow>
</mrow>
其中，TU(t)为电压源用功率放大器的实时温度、TU(t-1)为电压源用功率放大器前一秒的温度，RUq为电压源用功率放大器的等效热阻，tUq为电压源用功率放大器的热时间常数。
3.根据权利要求2所述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电流源用功率放大器的热量传输模型的建立过程为，
(1)根据公式(1)，计算出电流源用功率放大器的实时温度TI，
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其中，RI1为热量从电流源用功率放大器到电流源用散热片所形成的热阻、RI2为电流源用散热片通过风扇向周围空气散热所形成的热阻、CI1为电流源用功率放大器的热容量；
(2)将公式(1)离散解析后得到公式(2)，
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其中，tIq＝RIqCIq；
(3)将电流源用功率放大器的发热模型代入公式(2)，得到电流源用功率放大器的热量传输模型，
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4.根据权利要求2所述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电压源用功率放大器的热量传输模型的建立过程为，
(1)根据公式(4)，计算出电压源用功率放大器的实时温度TU，
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</mrow>
其中，RU1为热量从电压源用功率放大器到电压源用散热片所形成的热阻、RU2为电压源用散热片通过风扇向周围空气散热所形成的热阻、CU1为电压源用功率放大器的热容量；
(2)将公式(4)离散解析后得到公式(5)，
<mrow>
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其中，tUq＝RUqCUq；
(3)将电压源用功率放大器的发热模型代入公式(5)，得到电压源用功率放大器的热量传输模型，
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5.根据权利要求1所述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：步骤(3)，根据步骤(2)建立的四组模型，建立过热保护策略，对三相程控功率源进行独立电流、电压的过热判断、动作和保护的过程为，
其中对三相程控功率源的各相电流的过热判断、动作和保护的过程为，
(1)根据电流源用功率放大器的发热模型，计算出电流源用功率放大器的耗散功率；
(2)根据电流源用功率放大器的热量传输模型，配合计时器记录的时间，迭代出电流源用功率放大器的实时温度；
(3)电流源用功率放大器的初始温度为环境温度，若计算的电流源用功率放大器的实时温度小于对应的环境温度时，将环境温度代替实时温度，重复(2)的迭代计算；若计算的电流源用功率放大器的实时温度大于其对应的环境温度且小于电流源用功率放大器的保护温度时，为正常运行状态，重复(2)的迭代计算；若计算的电流源用功率放大器的实时温度大于电流源用功率放大器的保护温度时，为异常运行状态，则使三相程控功率源的电流输出为零，并进行报警；
其中对三相程控功率源的各相电压的过热判断、动作和保护的过程为，
(1)根据电压源用功率放大器的发热模型，计算出电压源用功率放大器的耗散功率；
(2)根据电压源用功率放大器的热量传输模型，配合计时器记录的时间，迭代出电压源用功率放大器的实时温度；
(3)电压源用功率放大器的初始温度为环境温度，若计算的电压源用功率放大器的实时温度小于对应的环境温度时，将环境温度代替实时温度，重复(2)的迭代计算；若计算的电压源用功率放大器的实时温度大于其对应的环境温度且小于电压源用功率放大器的保护温度时，为正常运行状态，重复(2)的迭代计算；若计算的电压源用功率放大器的实时温度大于电压源用功率放大器的保护温度时，为异常运行状态，则使三相程控功率源的电压输出为零，并进行报警。
6.根据权利要求5所述的基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法，其特征在于：所述电流源用功率放大器的保护温度为人工设置的，与其对应的额定功率之间留有裕量；所述电压源用功率放大器的保护温度为人工设置的，与其对应的额定功率之间留有裕量。
Priority Applications (1)
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| CN201410410198.0A CN104218898B (zh) | 2014-08-20 | 2014-08-20 | 基于多参数物理模型的三相程控功率源过热保护方法 |
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