磁選機(jī)激磁高頻開關(guān)電源技術(shù)原理與應(yīng)用

李建中，楊文龍，趙志剛

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

0 引言

激磁整流裝置是各類磁選機(jī)的主要配套設(shè)備，在該行業(yè)，應(yīng)用較多的是可控硅調(diào)節(jié)整流柜，這種設(shè)備通過相控調(diào)壓及整流獲得直流輸出，當(dāng)相控角較小時(shí)，設(shè)備的傳輸效率可達(dá)80％左右，其功率消耗主要發(fā)生在可控硅調(diào)壓、整流變壓器降壓以及二極管整流等電能轉(zhuǎn)換過程；另有一部分消耗在線路傳輸過程，如導(dǎo)電體和壓接點(diǎn)等。其中整流變壓器是主要功耗部位。實(shí)際工作中，由于現(xiàn)場工藝參數(shù)的不同要求，其負(fù)載往往低于額定工作狀態(tài)，此時(shí)可控硅相控角后移，實(shí)際傳輸效率比額定工作狀態(tài)更低。從現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)看，一般的可控硅整流裝置其整流傳輸效率僅70％左右，當(dāng)可控硅深控調(diào)壓時(shí)，其傳輸效率會低于50％、功率因數(shù)低至0.5以下，同時(shí)，帶來電源網(wǎng)側(cè)污染和波形畸變。

近年來，隨著新材料、新器件和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，一種新型的電源變換裝置——高頻大功率開關(guān)電源逐步在多個(gè)行業(yè)開發(fā)應(yīng)用。高頻開關(guān)電源是通過高頻功率變換技術(shù)，將直流或交流整流后的直流電壓斬波成頻率很高的脈沖電壓加到變壓器上，經(jīng)變壓器高頻轉(zhuǎn)換及整流濾波輸出，最終變成各種需要的穩(wěn)定直流電壓。由于脈沖電壓頻率相比交流工頻大大提高，變壓器和濾波電感等磁性元件的體積和質(zhì)量就大大縮小，同時(shí)效率也明顯提高。高頻大功率開關(guān)電源具有傳輸效率高、功率因數(shù)高、節(jié)能效果好、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)；另一較大的特點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載低于額定輸出功率時(shí)，能始終保持較高的整機(jī)傳輸效率和功率因數(shù)。據(jù)現(xiàn)場測試，在額定狀態(tài)下傳輸效率達(dá)90％以上，功率因素達(dá)0.95以上，比同類可控硅整流裝置節(jié)能約10％～30％。其節(jié)能的主要因素是采用了高頻傳輸電路、高頻逆變電路、高頻變壓器及高頻整流電路等［1］。

在鎢選礦行業(yè)，磁選機(jī)常用于除鐵、黑鎢精選和細(xì)泥選別。磁選機(jī)主要由激磁線圈、鐵芯、轉(zhuǎn)環(huán)、磁介質(zhì)和其他輔助部件組成。根據(jù)磁選機(jī)的工作原理，穩(wěn)定的直流激磁電流是保障工藝選別效果和設(shè)備高效運(yùn)行的必要條件。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由輸入電路、逆變電路、整流電路、控制與驅(qū)動電路等幾大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

線路系統(tǒng)由三相380V/50Hz供電輸入，經(jīng)整流、濾波加至絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）組成的逆變電路，由控制電路使其轉(zhuǎn)換成脈寬可調(diào)的高頻交流（15～20kHz），再經(jīng)以非晶軟磁材料為鐵芯的高頻變壓器降壓、快速二極管整流轉(zhuǎn)換成適于工作要求的低壓直流。控制單元輸出的控制信號可以對主電路輸出做出迅速響應(yīng)，從而給出優(yōu)良的動、靜態(tài)輸出特性，對輸入電壓的波動予以補(bǔ)償，并對各種原因造成的故障做出迅速的保護(hù)響應(yīng)。

1.2 電路單元工作原理

1.2.1 輸入電路

輸入電路是將三相交流轉(zhuǎn)換成直流，主要由電源開關(guān)、網(wǎng)側(cè)濾波器、三相整流模塊（IPM）和直流濾波器組成。

電源開關(guān)是整臺設(shè)備的電源分?jǐn)嘌b置；直流側(cè)濾波器包括電感線圈和無感電容器，作用是有效抑制逆變過程產(chǎn)生的尖峰脈沖，同時(shí)具有平波作用，保證逆變前諧波分量最?。蝗嗾髂K采用IPM（Intelligent Power Module）大規(guī)模集成器件，該器件不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。

實(shí)際線路中，輸入電路還包括輸入過壓保護(hù)、IPM溫度檢測、直流側(cè)過流保護(hù)等相關(guān)器件和功能。

1.2.2 高頻逆變電路

高頻逆變電路是通過絕緣柵雙極型功率管（IGBT管）的導(dǎo)通/關(guān)斷特性將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電。電路由4個(gè)IGBT管模塊、阻容器件和高頻變壓器原邊繞組組成一套全橋逆變單元，見圖2。

圖2 逆變電路原理圖

全橋電路中的IGBT管在控制電路驅(qū)動下，VT1與VT4同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷、VT2與VT3同時(shí)關(guān)斷或?qū)?，二組IGBT管交替進(jìn)行，相位差180°，在高頻變壓器原邊形成脈沖電流?？刂齐娐份敵雒}寬可調(diào)（PWM）的方波，使全橋電路在工作頻率固定的情況下輸出可變占空比的交流方波，方波面積越大，輸出電流越大。鑒于IGBT管和高頻變壓器鐵芯的頻率特性，脈沖頻率一般設(shè)計(jì)在15～20kHz左右。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型功率管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。

1.2.3 電壓轉(zhuǎn)換電路

轉(zhuǎn)換電路用高頻變壓器取代傳統(tǒng)的工頻變壓器，大大減小了設(shè)備的體積和質(zhì)量。開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減小磁芯體積。近年多采用非晶納米晶軟磁材料作為高頻變壓器鐵芯。非晶主要是指鐵基非晶、鐵鎳基非晶、鈷基非晶以及在非晶化基礎(chǔ)上熱處理而得到的納米晶，這些合金材料因其獨(dú)特的非晶組織結(jié)構(gòu)與納米晶組織結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)優(yōu)異軟磁合金特性，與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，由于非晶原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且具有高的電阻率、高的飽和磁感、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低的高頻損耗和良好的溫度特性，其綜合磁性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硅鋼、鐵氧體、坡莫合金等。

由于受材料的磁飽和、發(fā)熱條件和加工工藝的限制，目前單個(gè)非晶鐵芯能繞制高頻變壓器的最大允許承載功率15～20kW、電流400～500A。因此，要得到較大功率轉(zhuǎn)換和輸出，就涉及到高頻變壓器拼接使用技術(shù)。

1.2.4 高頻整流電路

高頻整流電路是將高頻變壓器副邊的高頻脈沖方波轉(zhuǎn)換成直流。該電路由高頻變壓器副邊線圈、高頻整流二極管和濾波電路組成。整流電路采用全波整流，整流二極管選用高頻特性好的快速恢復(fù)二極管。濾波電路吸收和消除逆變電路開通和管斷產(chǎn)生的高頻尖峰脈沖，高頻尖峰脈沖的存在使得二極管的耐壓必須提高，耐壓越高，其通態(tài)電壓越大，功耗越大，這不僅使整流效率降低，而且使電路可靠性降低，損毀器件；另外，高頻干擾的存在也對環(huán)境造成污染。因此，濾波電路設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮高頻尖峰脈沖的處理。電路原理見圖3。

圖3 高頻整流濾波電路

1.2.5 控制與驅(qū)動電路

控制電路由PWM控制器和IGBT驅(qū)動電路組成（見圖4）。PWM控制器產(chǎn)生固定頻率、脈寬可調(diào)的方波通過驅(qū)動電路控制IGBT全橋的開通和關(guān)斷，PWM控制器產(chǎn)生工作頻率為15～20kHz。常用的PWM控制器有多種形式，如UC3828、SG3525等電路模塊。本文僅以SG3525介紹其控制功能［3］。

圖4 控制電路原理框圖

SG3525是美國硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）生產(chǎn)的電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。原理見圖5。

圖5 SG3525A電路原理圖

SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0％，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。在CT（引腳5）和Discharge（引腳7）之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要在接入端（引腳8）外接一個(gè)5μ定時(shí)電容即可達(dá)到軟啟動效果。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。實(shí)際電路中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長，PWM鎖存器輸出高電平的時(shí)間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)禁止端（引腳10）上的信號為高電平時(shí)，PWM鎖存器立即動作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷的同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號到來，PWM鎖存器才被復(fù)位。

SG3525的輸出級采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，其灌電流/拉電流能力超過200mA。原理圖見圖6。

VT1和VT2分別由SG3525的輸出端A和輸出端B輸出的正向驅(qū)動電流驅(qū)動。電阻R2和R3是限流電阻，是為了防止注入VT1和VT2的正向基極電流超出控制器所允許的輸出電流。C1和C2是加速電容，起到加速VT1和VT2導(dǎo)通的作用。

圖6 SG3525輸出結(jié)構(gòu)原理圖

1.2.6 檢測與保護(hù)電路

設(shè)備中的電子器件除高頻變壓器外過載能力都比較差，工作溫度過高、過電壓、過電流極易損毀器件。由于線路系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài)，因此，要求檢測電路有快速的反應(yīng)，才能有效實(shí)施保護(hù)。

（1）溫度保護(hù)。溫度檢測的部位有：IPM散熱底板、每個(gè)IGBT管散熱底板、輸出陽極板和陰極板等。溫度檢測有一定的滯后性，設(shè)定保護(hù)動作臨界值應(yīng)有提前量。

（2）過流保護(hù)。在直流回路和逆變回路均設(shè)有電流環(huán)，對瞬間產(chǎn)生的過電流檢測和動作保護(hù)。輸出電流信號在分流器上獲得，該信號只做最大電流限制而不產(chǎn)生停機(jī)動作。在逆變前的直流線路中串入快速熔斷器，當(dāng)后續(xù)電路產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)過流故障時(shí)，該熔斷器切斷直流供電電源，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）過壓保護(hù)。在電路中設(shè)置了較多的RC阻容保護(hù)電路，吸收電路各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的尖峰脈沖。對輸入三相電路電壓差進(jìn)行比較，當(dāng)電壓超過/低于設(shè)定值或三相電壓之間偏差過大時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷保護(hù)。

2 效果分析

針對磁選機(jī)激磁線圈負(fù)載，大功率高頻開關(guān)電源與某型號的可控硅整流電源進(jìn)行了比較試驗(yàn)。磁選機(jī)主要電參數(shù)：激磁電流1 000A，激磁電壓16V（最大）。

試驗(yàn)時(shí)磁選機(jī)帶負(fù)荷，試驗(yàn)過程中兩種電源裝置輸出電流分別從600A調(diào)節(jié)至1 000A，每100A讀取一組數(shù)據(jù)，兩種電源均處同等輸入狀態(tài)。兩種設(shè)備的檢測結(jié)果見表1和表2。

對比表1和表2，分析出兩種設(shè)備各自輸入/輸出的關(guān)系及相互比較的差異。

（1）傳輸效率。當(dāng)激磁電流達(dá)到額定值1 000A時(shí)，高頻開關(guān)電源輸出功率P1=9.95kW，對應(yīng)輸入有功功率P2=11.01kW，傳輸效率達(dá)90％；可控硅整流電源輸出功率P1=10.1kW，輸入有功功率P2=17.02kW，傳輸效率僅59％，二者相差31％?？梢娫陬~定狀態(tài)，開關(guān)電源比可控硅電源直接節(jié)能30％以上。從額定電流調(diào)至600A時(shí)，開關(guān)電源的傳輸效率降到79％；可控硅整流電源傳輸效率則降到52％，二者相差27％。由此說明，在深控時(shí)，開關(guān)電源仍能保持較高的傳輸效率。

表1 可控硅整流電源試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)

（2）功率因數(shù)。表2所示，高頻開關(guān)電源在600～1 000A電流輸出調(diào)節(jié)過程中，功率因數(shù)COSΦ始終維持在0.98以上，此時(shí)，輸入有功功率接近視在功率，說明該設(shè)備基本上不存在無功消耗，也就保證了電網(wǎng)送電效率及線路的用電安全。從表1可知，可控硅整流電源在額定輸出時(shí)的功率因數(shù)是0.62，電流下調(diào)時(shí)降至0.41，這就是可控硅整流電源能耗高、設(shè)備和線纜發(fā)熱嚴(yán)重的主要原因之一。

表2 高頻開關(guān)電源試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)

（3）輸入電流。額定狀態(tài)時(shí)，高頻開關(guān)電源的平均輸入電流15.9A，可控硅整流電源平均輸入電流40.91A，后者高25.01A，這從另一個(gè)方面說明高頻開關(guān)電源要比可控硅整流電源更加節(jié)能。不考慮功率因數(shù)直接測量輸入電流是判斷用電設(shè)備電耗的快速方法，在日常的電工測量中使用十分普遍。

（4）輸出電壓。從表1和表2中直流輸出電壓U值可看出，同等工況條件下可控硅整流電源比開關(guān)電源的輸出電壓更高，其原因是可控硅整流電源對50Hz工頻截波整流獲得直流輸出，該直流脈動成分較大，是由于諧波分量較大引起的；而開關(guān)電源輸出高頻直流方波，諧波分量相當(dāng)小，由此引起的功耗也就相當(dāng)小。

通過上述分析，高頻開關(guān)電源的用電參數(shù)和用電指標(biāo)是可控硅整流電源無可比擬的。磁選機(jī)激磁電源功耗較大，輸出電流從幾百安至幾千安、輸出電壓幾十伏、功率幾十千瓦至一百多千瓦，僅鎢選礦行業(yè)各類磁選機(jī)每年裝機(jī)容量就達(dá)10 000kW以上，如果采用大功率高頻開關(guān)電源取代可控硅整流電源，按節(jié)能30％計(jì)，每年節(jié)約電能達(dá)3 000kW以上。由此可見經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分巨大。

3 結(jié)語

大功率高頻開關(guān)電源，是近年發(fā)展起來的一種新興“綠色”電源。這種設(shè)備已在電鍍和電解行業(yè)廣泛應(yīng)用，稀土金屬冶煉行業(yè)也感受到高頻開關(guān)電源的節(jié)能效果，正在逐步取代可控硅整流電源。

本項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，高頻開關(guān)電源完全能夠用作鎢礦磁選設(shè)備的激磁電源。與可控硅整流設(shè)備相比，額定狀態(tài)下節(jié)能達(dá)30％、功率因數(shù)提高到0.99。設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，特別是傳輸效率高、節(jié)能顯著等特點(diǎn)，既符合國家“節(jié)能減排”的政策，也可降低選礦成本、提高磁選設(shè)備性能。因此，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

［1］周志敏，周繼海，紀(jì)愛華.逆變電源實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］倪海東，蔣玉萍.高頻開關(guān)電源集成控制器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］張崇巍，張 興.PWM整流器及其控制器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.