大功率高頻開關(guān)電鍍電源的研究

龐莉

摘 要：電鍍電源作為電鍍行業(yè)的主要設(shè)備，在電鍍行業(yè)不斷發(fā)展的過程中，電源輸出功率也在不斷的增加。電鍍工業(yè)要求電源在工作過程中具有良好的穩(wěn)定性，較高的恒壓恒流精度及快速的上鍍時間，并且還要全面滿足低壓電流的需求。現(xiàn)代我國一般使用的可控整流機(jī)的體積較大，并且消耗的電量較多，均鍍的誤差較大，所以就要研發(fā)輸出功率較大、具有良好控制精度及節(jié)能的全新電鍍電源?；诖?，文章就使用子模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，對大功率高頻開關(guān)電鍍電源的設(shè)計進(jìn)行了全面的研究。

關(guān)鍵詞：大功率；高頻開關(guān)；電鍍電源；設(shè)計；方案

中圖分類號：TQ153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0185-02

電鍍電源其實(shí)就是一種功率變換器，其能夠?qū)㈦娋W(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭绷骰蛘呙}沖電壓，從而被電鍍所使用。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，電鍍工業(yè)中涉及的內(nèi)容不斷增多，并且使用范圍不斷擴(kuò)展，人們對于鍍層的需求也不斷提高，要求電鍍電源具有較高的工作頻率。所以，全新電鍍電源的研發(fā)引起了人們的關(guān)注?，F(xiàn)代功率變換器逐漸朝著高頻化的方向發(fā)展，從而為電鍍電源的發(fā)展帶來了全新的機(jī)遇。有效提高開關(guān)器件開關(guān)頻率對功率變換器來說具有較多的好處，比如提高功率變換器的密度、體積及提高響應(yīng)能力。傳統(tǒng)電鍍電源的變換技術(shù)限制了功率變換器工作效率的有效提高，滿足不了現(xiàn)代高頻化的趨勢需求。本文主要針對大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計和使用進(jìn)行分析。

1 大功率高頻開關(guān)電鍍電源的硬件設(shè)計研究

1.1 總體設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計的需求，為了能夠有效實(shí)現(xiàn)電鍍電源的大功率電流輸出，本文設(shè)計的電源使用多子模塊并聯(lián)，其中電路的輸入端和380V三相交流電相互連接，CPU等控制電路中的電流通過整流和濾波進(jìn)行提供，部分通過接觸器和主保險絲到子模塊電源中傳輸，通過三相整流橋整流成為540V的直流電壓，通過濾波提供給全橋式功率變換模塊，之后再通過整流濾波實(shí)現(xiàn)直流電壓的濾波。CPU控制單元和LCD、鍵盤相互連接，實(shí)現(xiàn)電壓電流輸出的調(diào)節(jié)、顯示、通信及保護(hù)[1]。

其中使用全橋移相零電壓開關(guān)作為高頻逆變電路的主電路，并且使用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率低損耗的高頻逆變。高頻開關(guān)管使用大功率模塊，以此能夠有效提高電源在使用過程中的可靠性，高頻整流管使用肖特基整流模塊從而有效提高電源效率?？刂茊卧敵隹刂菩盘栔饕康木褪菍?shí)現(xiàn)主電路輸出的迅速響應(yīng)，以此得到動態(tài)及靜態(tài)的輸出特性，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)各種輸入電壓波動的補(bǔ)償，對于由于種種因素產(chǎn)生的故障實(shí)現(xiàn)保護(hù)響應(yīng)。電源系統(tǒng)的主要功能包括：根據(jù)輸出電壓及電流偏差實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)壓及穩(wěn)流調(diào)節(jié)；通過電流及電壓表實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出狀態(tài)的檢測；系統(tǒng)具備過熱保護(hù)、過流保護(hù)和缺水保護(hù)等措施，并且還具有光電三維報警功能；其中的穩(wěn)壓及穩(wěn)流工作模式能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]。

1.2 驅(qū)動電路的設(shè)計

使用IGBT驅(qū)動電路，其是一種電壓驅(qū)動元件，屬于全控型器件，具有較大的輸入阻抗，并且對于柵極電荷較為敏感，具有3V-6V的閾值電壓，所以對于驅(qū)動電路具有較高的要求。IGBI驅(qū)動電路較多，在大功率場合中使用光電耦合或者變壓器耦合的方式。光電耦合驅(qū)動器雙側(cè)為有源，通過其提供的脈沖寬度不會受到限制，能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT通態(tài)集電極電壓的檢測，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)多種情況的短路及過流保護(hù)，還能夠?qū)ν鈱?shí)現(xiàn)過流信號的輸出。但是此種方式要求具有較多的工作電源實(shí)現(xiàn)，從而提高了電路的復(fù)雜性。相反，變壓器耦合驅(qū)動器就不需要設(shè)置工作電源，并且具有較快的工作速度及較高的輸入輸出耐壓。那么本文就使用變壓器耦合驅(qū)動，為驅(qū)動短路在關(guān)閉過程中得到持續(xù)反相柵壓。在使用變壓器耦合驅(qū)動基礎(chǔ)上，為了使驅(qū)動電路開關(guān)管能夠快速的導(dǎo)通及管段，在設(shè)計過程中使用高速驅(qū)動芯片，從而能夠提供較大的峰值驅(qū)動電流[3]。

1.3 高頻變壓器

高頻變壓器是一種能量傳遞和電器隔離的磁性元件，是開關(guān)電源中的重要部件，其性能直接影響到了變壓器自身效率，并且決定了電源系統(tǒng)的性能。變壓器在設(shè)計過程中包括三個設(shè)備的選擇，分別為原副邊匝數(shù)、原副邊匝數(shù)比和磁芯。在選擇磁芯過程中主要是選擇幾何形狀及材料，主要材料包括鐵氧體和坡莫合金，鐵氧體具有鐵磁性，并且電阻較高，所以其能夠在高頻變壓器中使用方便[4]。

1.4 輸出整流管和RC吸收網(wǎng)絡(luò)

在整流二極管選擇過程中，要全面考慮二極管電流，通過整流二極管電流及額定電壓的計算，保留充足的量，最后選擇使用肖特基二極管。PC吸收網(wǎng)絡(luò)的主要目的就是避免輸出整流二極管在關(guān)閉過程中出現(xiàn)反向恢復(fù)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)振鈴。在設(shè)計過程中可以選擇使用電容容值作為二極管寄生電容容值，電阻值要使用能夠使電容在十分之一周期中完成充電和放電的，并且還要密切注意電阻功率能夠滿足吸收的需求[5]。

2 電源的實(shí)驗(yàn)

通過理論分析實(shí)現(xiàn)電鍍電源的設(shè)計，成功研制出水冷卻，其工作頻率和功率分別為20kHz、18kV的大功率高頻開關(guān)電鍍電源[7]。本文中所實(shí)驗(yàn)的主回路實(shí)驗(yàn)裝置是一個箱體結(jié)構(gòu)，其具有較小的體積和較輕的重量，功率元件和高頻變壓器原副邊繞組都使用了水冷卻，右上方的三根促管是冷卻水管，主回路導(dǎo)電通路鋼管為空心。在實(shí)驗(yàn)裝置下方是高頻變壓器、濾波電路及輸出整流電路。電鍍的工作原理為通過電源電極的吸附性相反電荷離子，因?yàn)殡x子運(yùn)動成為電流。但是由于條件的限制，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場電鍍的模擬，在實(shí)驗(yàn)過程中使用氯化鈉溶液成為電解液，將電鍍電源輸出正負(fù)極和鋁極板相互連接放入到氯化鈉溶液中。縮短極板之間的距離，也就是提高負(fù)載及輸出電流。因?yàn)橛须娏?，所以氯化鈉就開始反應(yīng)，電源正極由于負(fù)離子的吸附變黑，電源負(fù)極就會變白，電流越大，那么反應(yīng)就會越激烈。現(xiàn)場故障的模擬系統(tǒng)都能夠正確的響應(yīng)，并且停止脈沖，對模塊進(jìn)行保護(hù)，還能夠相互切換恒壓和恒流，輸出電壓能夠調(diào)節(jié)。

將本裝置安裝到某材料公司的電鍍生產(chǎn)線中，通過一年的運(yùn)行情況可以看出來，本文所設(shè)計的系統(tǒng)工作穩(wěn)定、系統(tǒng)良好，并且能源消耗較低，能夠繼續(xù)使用[8]。endprint

3 開鍍電源的應(yīng)用趨勢

其一，高頻高效。大功率高頻開關(guān)使用的開關(guān)電源能夠替代傳統(tǒng)的整流電源，其能夠有效降低損耗，提高功率的密度?，F(xiàn)代電鍍開關(guān)電源主要是使用在1500A以下的中小功率方面，所以使用先進(jìn)的功率電子器件及技術(shù)能夠創(chuàng)新現(xiàn)代功率器件及磁性材料輸出功率的局限性，通過變壓器的串聯(lián)及并聯(lián)將開關(guān)管功率輸出能力充分的發(fā)揮出來，以此有效提高單機(jī)功率的輸出效率。使用多單元積木式并聯(lián)技術(shù)有效提高電源輸出能力。軟開關(guān)技術(shù)能夠有效降低器件的開關(guān)損耗，以此有效提高開關(guān)頻率，優(yōu)化器件工作環(huán)境，使用此技術(shù)能夠降低高頻狀態(tài)下功率的開關(guān)管損耗，提高電源的整體效率，并且有效提高電源的工作頻率。

其二，智能化。要求電鍍工藝將人為因素影響消除并且降低過程能量損耗，從而對電源智能化提出了較高的需求。從節(jié)能和提高工藝質(zhì)量方面分析，電鍍中除了電源裝置損耗，工藝過程能耗也占據(jù)了大部分內(nèi)容，其對工藝過程能耗的主要影響因素為電流效率及槽壓，通過檢測電解液溫度、濃度等參數(shù)，合理調(diào)整電源電流電壓輸出，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效及提高工藝質(zhì)量的目的。從控制方面分析，電鍍工藝電鍍能源能量轉(zhuǎn)換為非線性的時變系統(tǒng)，無法創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的模型實(shí)現(xiàn)控制。智能控制能夠不依賴人，通過人的操作知識、經(jīng)驗(yàn)，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而有效提高電鍍電源工藝質(zhì)量及性能。所以在電鍍技術(shù)不斷發(fā)展過程中，要開發(fā)滿足不通過工藝需求的智能化電源設(shè)備，從而滿足現(xiàn)代社會全新技術(shù)的發(fā)展需求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的主要目的就是完成大功率高精度電鍍單元的設(shè)計，要求此電源能夠滿足低壓大電流的需求，使用積木結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多模組冗余并聯(lián)，通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)表示，其能夠使用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，并且系統(tǒng)在運(yùn)行過程中良好且穩(wěn)定，能源的消耗較低，能夠滿足電鍍工藝需求。并且對電鍍電源的應(yīng)用趨勢進(jìn)行了研究，使電鍍電源在發(fā)展過程中能夠有效滿足現(xiàn)今社會的使用需求。

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