電化學(xué)加工高效節(jié)能高頻開關(guān)電源及智能化系統(tǒng)

張桂東，張 波，肖文勛，丘東元

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

1 引言

電化學(xué)加工是一個(gè)耗能極大、污染十分嚴(yán)重的工藝過程。電化學(xué)加工的年耗電量占全國每年總耗電量的8%，相當(dāng)于4個(gè)三峽發(fā)電站一年的發(fā)電總量。傳統(tǒng)的電化學(xué)加工需解決以下兩個(gè)問題：（1）高效的電化學(xué)加工電源。目前國內(nèi)外的大功率電化學(xué)加工電源主要是工頻整流式電源，能耗高，最大效率僅為70%，且體積大、笨重、動(dòng)特性較差，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的諧波干擾，高頻開關(guān)電源是節(jié)能的有效技術(shù)，然而目前應(yīng)用于電化學(xué)加工高頻開關(guān)電源僅限于小功率容量范圍。大功率電化學(xué)加工高頻開關(guān)電源是一個(gè)新的研究方向[1-3]。（2）加工過程的智能化控制。傳統(tǒng)的電化學(xué)加工系統(tǒng)沒有根據(jù)工藝要求，控制電源的輸出，工藝過程自動(dòng)化程度低導(dǎo)致加工過程金屬流失嚴(yán)重，廢水處理難度高，對(duì)環(huán)境造成了很大的污染[4]。為此，研究高效節(jié)能的電化學(xué)加工電源及工藝過程智能控制系統(tǒng)，對(duì)節(jié)能減排意義重大。

近年來，國內(nèi)已完成了60 kW大功率等級(jí)的電化學(xué)電源的研制[5-7]，還對(duì)電鍍電源中各部分如高功率因數(shù)控制、大功率軟開關(guān)技術(shù)等的深入研究[8-10]。國外為了提高電化學(xué)電源的性能，則提出了各種各樣的拓?fù)洌蟛糠指倪M(jìn)由于需要增加輔助諧振電路而使得它們很難應(yīng)用于大功率場(chǎng)合[11-16]。且尚未能突破較高的功率等級(jí)，效率最高為87%，效率問題成為目前一個(gè)棘手的問題之一。

本文在目前國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，以大功率開關(guān)電源及智能化控制為突破點(diǎn)，研制出一套智能化的電化學(xué)加工高頻開關(guān)電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)由15 V/10 kA/150 kW的新型節(jié)能電化學(xué)電源裝置和一套電化學(xué)工藝過程智能監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用高頻電源裝置和工藝過程的協(xié)同控制策略，可根據(jù)不同工藝情況實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電源的電能輸出，滿足電解電鍍等電化學(xué)加工所需要的電流強(qiáng)度和波形，從而在大幅度節(jié)能的同時(shí)也提高了產(chǎn)品質(zhì)量；（2）實(shí)現(xiàn)電化學(xué)工藝參數(shù)的在線控制，有效減少被加工金屬的不合理流失，減輕對(duì)環(huán)境的污染。經(jīng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，電源效率可達(dá)90%，比傳統(tǒng)的電化學(xué)加工裝置節(jié)能20%以上，減少金屬流失10%以上，具有很好的市場(chǎng)前景。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用電源模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由五臺(tái)15 V/2000 A的單機(jī)電源模塊并聯(lián)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)見圖1。采用最大電流均流法實(shí)現(xiàn)各模塊電源電流的均流控制；加工工藝過程的信息管理系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)電源模塊、總輸出以及電化學(xué)工藝過程進(jìn)行監(jiān)控，完成協(xié)同控制，它采用Labview軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 電源主電路及設(shè)計(jì)

3.1 主電路拓?fù)?/h3>

移相全橋變換器適用于大功率場(chǎng)合[17]，因此，選擇它作為高頻開關(guān)電源的主電路拓?fù)洌_關(guān)管選擇IGBT，并采用零電壓軟開關(guān)技術(shù)（ZVS），主電路拓?fù)浼翱刂埔妶D2。

圖2 主電路及控制系統(tǒng)

3.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)[18-20]

（1）逆變頻率選擇。綜合考慮功率管的開關(guān)損耗、高頻變壓器的體積、輸出電感的體積以及電源動(dòng)特性等影響逆變頻率的因素，確定本文的逆變頻率為20 kHz。

（2）死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)。死區(qū)時(shí)間應(yīng)等于串聯(lián)諧振周期的1/4倍，才能防止開關(guān)管直通、獲得最寬的軟開關(guān)范圍以及保證最大的輸出功率等。因此，主電路軟開關(guān)換流時(shí)間的最大值就是開關(guān)管死區(qū)時(shí)間的最佳值。即

式中：Td為開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間；Tr為串聯(lián)諧振周期：Lr為串聯(lián)諧振電感；Cr為串聯(lián)諧振電容。

（3）諧振元件參數(shù)設(shè)計(jì)。超前橋臂的諧振能量由輸出濾波電感提供，因此諧振過程中變壓器原邊電流近似恒定，故ZVS實(shí)現(xiàn)比較容易，只需讓死區(qū)時(shí)間不小于諧振電容的充放電時(shí)間，即滿足式（2）。

式中：Td（lead）為超前管死區(qū)時(shí)間；Vin為直流母線電壓；Ip為變壓器原邊電流；Clead為超前臂諧振電容。

由于此時(shí)Ip較大且近似恒定，故由此式所得死區(qū)時(shí)間一般較小。綜合考慮最大占空比及IGBT通斷延時(shí)等因素，確定超前臂死區(qū)時(shí)間為1.2 μs。實(shí)際裝置設(shè)計(jì)中，一般將超前臂和滯后臂的死區(qū)時(shí)間設(shè)為一致。選定死區(qū)時(shí)間之后，代入式（2）即可求得超前臂的諧振電容取值范圍。即

本文要求在10%額定負(fù)載的情況下能實(shí)現(xiàn)超前橋臂的ZVS，則由式（3）可求得超前臂諧振電容的取值范圍如下：

因此，本設(shè)計(jì)中超前臂諧振電容取10 nF。

滯后橋臂的ZVS實(shí)現(xiàn)較為困難，其參數(shù)設(shè)計(jì)要滿足以下兩個(gè)約束條件：

（1）滯后橋臂死區(qū)時(shí)間等于諧振周期的1/4，即

式中：Td（lag）為滯后橋臂的死區(qū)時(shí)間；Clag為滯后橋臂的諧振電容。

（2）諧振電感儲(chǔ)能大于諧振電容儲(chǔ)能，即

在滿足上述約束條件的前提下，各元件參數(shù)的取值應(yīng)盡量小，最終確定諧振電感Lr=37 μH，滯后橋臂諧振電容C2=C4=Clag=7.8 nF。

4 控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

4.1 主電路控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

為了保證單臺(tái)電源能適應(yīng)較大的負(fù)載波動(dòng)，確定控制電路采用電壓環(huán)和電流環(huán)相結(jié)合的并列雙環(huán)控制策略，如圖2中虛線框部分所示。由于該控制系統(tǒng)電流環(huán)和電壓環(huán)經(jīng)選擇器并聯(lián)，可將輸出電壓和電流均限制在給定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓輸出或恒流輸出。

圖2 對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)控制小信號(hào)模型流圖如圖3所示，圖3中，Gvd，Gid分別是占空比到輸出電壓、電感電流的傳遞函數(shù)；Hv，Hi分別是電壓采樣、電流采樣傳遞函數(shù)；Gcv，Gci分別是電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；GPWM是脈寬調(diào)制器傳遞函數(shù)?分別是輸出電壓、輸出電流、基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)電流、占空比的小信號(hào)增量。

根據(jù)圖3可以建立主電路和控制電路的模型，從復(fù)頻域分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，最后依據(jù)指標(biāo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制電路參數(shù)。

圖3 控制系統(tǒng)小信號(hào)模型流圖

由圖3中可以得到電壓、電流環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。

電流環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

電壓環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

根據(jù)以下設(shè)計(jì)規(guī)則來設(shè)計(jì)Gcv，Gci。設(shè)計(jì)規(guī)則如下：

（1）系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)穿越頻率盡量高，但要注意防止高頻振蕩；

（2）電壓環(huán)和電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)穿越頻率要錯(cuò)開。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果和式（7）、（8），得到單臺(tái)電源裝置15 V/2 000 A控制系統(tǒng)的電流、電壓開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖，如圖4、圖5所示。從圖中可見電流環(huán)的相位裕度為59.7°，19.6 dB，電壓環(huán)的相位裕度和幅值裕度分別為42°，19.2 dB，滿足了穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的要求。

圖4 電流環(huán)開環(huán)傳函波特圖

圖5 電壓環(huán)開環(huán)傳函波特圖

4.2 均流控制電路及設(shè)計(jì)

圖6 中畫出了本文采用最大均流法其中一個(gè)并聯(lián)模塊的控制原理圖。其工作原理如下：當(dāng)該電源模塊輸出電流最大時(shí)，其他電源模塊根據(jù)該電流信號(hào)來調(diào)整自身的輸出電流，直到某一個(gè)模塊的輸出電流超過該輸出電流，成為新的最大電流，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)各模塊的輸出電流均衡。該方法可以實(shí)現(xiàn)較好的冗余，不會(huì)因?yàn)槟骋荒K的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，而且均流母線的抗干擾性能比較好。

圖6 最大均流法控制電路

如圖6所示，假設(shè)初始各電源電流均衡，當(dāng)該模塊電流突然增大且最大時(shí)，跟隨器的二極管D導(dǎo)通，其輸出電壓Vb等于VIx，均流母線電壓被箝為VIx，由于均流母線連接到各模塊的均流控制器輸出端，這將使其他模塊均流控制器輸出變化，實(shí)現(xiàn)均流控制。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于以下4個(gè)原則[21-22]：

（1）保證熱敏感元器件的工作可靠性；

（2）盡量減少引線長(zhǎng)度，一方面可以降低引線損耗，另一方面還能減少電磁干擾；

（3）體積要小，便于安裝、檢修與拆卸；

（4）風(fēng)道設(shè)計(jì)不應(yīng)使氣流壓頭損失過大，流速下降過多，且要盡量減少散熱片的體積。

為保證功率器件不會(huì)因溫度過高而損毀，要求器件的殼溫即散熱片的底板溫度小于等于70℃。采用2個(gè)抽風(fēng)機(jī)建立雙風(fēng)道進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，電化學(xué)電源中的主要發(fā)熱器件是功率開關(guān)管、輸入輸出整流管，因此本設(shè)計(jì)基本流程如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)流程圖

基于以上設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)出單機(jī)結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。所設(shè)計(jì)的電源結(jié)構(gòu)體積小，并能進(jìn)行有效散熱，從而確保了電源工作的穩(wěn)定可靠。

圖8 單機(jī)結(jié)構(gòu)模型示意圖

5.2 熱分析

以圖8為模型進(jìn)行仿真分析，可以得到電源整體的溫度分布，見圖9，表1是圖9中4個(gè)點(diǎn)A，B，C，D測(cè)溫點(diǎn)的仿真溫度與實(shí)際比較，從圖中可見，仿真結(jié)果與實(shí)際十分吻合，證明熱設(shè)計(jì)的有效性。

表1 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)的溫度比較（滿載運(yùn)行30 min）

6 電源信息管理系統(tǒng)

為保證電源的可靠性并合理控制電源的輸出功率，采用智能化的上位機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文采用NI公司開發(fā)的Labview軟件和數(shù)據(jù)采集卡PCI6221，開發(fā)了一套電源信息管理系統(tǒng)[23-24]。電源信息管理系統(tǒng)的框圖如圖10所示，該系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，所要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

（1）對(duì)大功率電化學(xué)電源裝備、單臺(tái)電源的狀態(tài)參數(shù)（16個(gè)參數(shù)以上，包括輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、直流電壓、直流電流、控制板電壓、驅(qū)動(dòng)板電壓以及電源內(nèi)部各主要部件的溫度）以及工藝過程的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及顯示，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度達(dá)到微秒級(jí)；

（2）根據(jù)檢測(cè)狀態(tài)參數(shù)對(duì)電源進(jìn)行故障診斷和故障預(yù)測(cè)，使裝備平均無故障時(shí)間提高50%；

（3）實(shí)現(xiàn)電源之間以及電源、工藝過程之間的協(xié)調(diào)控制，提高電源的可靠性；并在實(shí)現(xiàn)電源節(jié)能的同時(shí)，達(dá)到工藝過程節(jié)能及提高工藝質(zhì)量，減少金屬流失的目的。

圖9 電源溫度分布仿真

圖10 電源信息管理系統(tǒng)框圖

根據(jù)圖10電源信息管理系統(tǒng)的工作原理，圖11為設(shè)計(jì)的電源信息管理系統(tǒng)界面。

圖11 參數(shù)設(shè)置主界面

7 實(shí)驗(yàn)

研制的15 V/2 000 A單臺(tái)樣機(jī)如圖12所示，如圖13為整機(jī)。對(duì)整機(jī)測(cè)試表明，滿載效率可達(dá)90%，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足了設(shè)計(jì)要求和工業(yè)生產(chǎn)需求。

圖12 單臺(tái)高頻開關(guān)電源

圖13 整機(jī)

8 結(jié)論

（1） 從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)幾個(gè)方面全面介紹了15 V/10 kA/150 kW的新型節(jié)能電化學(xué)電源裝置及其電化學(xué)工藝過程智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)發(fā)展大功率電化學(xué)加工電源具有較好的實(shí)際意義。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用移相全橋主電路以及主電路各參數(shù)的設(shè)計(jì)、電壓電流并列雙環(huán)的單機(jī)控制方式能夠使電源有穩(wěn)定的輸出；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，散熱性好。

（3）研制的工藝過程智能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)電鍍電源的協(xié)同控制，系統(tǒng)效率可達(dá)90%，比傳統(tǒng)的電化學(xué)加工裝置節(jié)能20%以上，減少金屬流失10%以上，節(jié)能減排效果顯著。

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