大功率高效簡(jiǎn)化型電解電鍍高頻開關(guān)電源

汪健良

摘要：伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)開關(guān)電源的要求也越來越高。傳統(tǒng)的電源即電解電鍍直流電源已經(jīng)不再適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求，開發(fā)新型電源并應(yīng)用于生產(chǎn)生活逐漸成為研究熱點(diǎn)。大功率高效簡(jiǎn)化型電解電鍍高頻開關(guān)電源是目前應(yīng)用較為廣泛的電源類型，能滿足人們的實(shí)際需求，本文將對(duì)大功率高效簡(jiǎn)化型電解電鍍高頻開關(guān)電源的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究與討論，僅供參考。

關(guān)鍵詞：大功率;高頻開關(guān);電解電源;電鍍電源

傳統(tǒng)工頻整流電源占用空間大，能耗與材料消耗嚴(yán)重，并且會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。相比而言，高頻開關(guān)電源能有效節(jié)約能源，且體積小，性能穩(wěn)定，因此高頻開關(guān)電源逐漸成為電解電鍍行業(yè)研究的主要方向。隨著研究的不斷深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)大功率高頻開關(guān)電源通常會(huì)輸入不可控整流，然而由于其會(huì)明顯降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生大量的諧波，從而引發(fā)電網(wǎng)污染。學(xué)者熊飛，張軍明等提出應(yīng)用功率因數(shù)矯正技術(shù)來提高電流的輸入效率。下面從四個(gè)方面對(duì)當(dāng)前所應(yīng)用的大功率高效簡(jiǎn)化性電解電鍍高頻開關(guān)電源進(jìn)行探討。

1.簡(jiǎn)化型高頻開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

依據(jù)當(dāng)前的情況來看，大功率電解電鍍高頻開關(guān)的主電路主要會(huì)應(yīng)用兩級(jí)模式，即前級(jí)與后級(jí)，其中前級(jí)引入了AC/DC變換器，目的是將三相交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電之后穩(wěn)定輸出，而后級(jí)則會(huì)選擇DC/DC變換器，目的是將高壓直流電轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)生活需要的低壓直流電源，但是高頻開關(guān)電源的前級(jí)變換器通常會(huì)輸入不可控整流，導(dǎo)致電流輸入時(shí)發(fā)生畸變，大大降低了系統(tǒng)的工作效率。

若想實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)電源的穩(wěn)定運(yùn)行，減少能源損耗與諧波污染非常關(guān)鍵，同時(shí)還需要提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了一種高效簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的高頻開關(guān)電源（見圖1），其主要包含四個(gè)組成部分，分別為半橋逆變器、三相四開關(guān)PWM整流器、高頻耦合變壓器以及低壓全波整流器，與典型的電解電鍍高頻開關(guān)電源相比，現(xiàn)有的電源當(dāng)中半橋逆變器、三相四開關(guān)PWM整流器同時(shí)使用一個(gè)電容器，電路中的開關(guān)器件相對(duì)減少，系統(tǒng)的成本損耗也明顯降低。并且借助PWM整流器，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)諧波被消除，系統(tǒng)的工作效率大大提高。

在上述圖例當(dāng)中，三相電壓分別為Usa、Usb與Usc，三相交流端輸入的電流分別為isa、isb、iscC1與C2均作為直流電容使用，L是電路內(nèi)引入的濾波電感。在橋臂之后，交流電壓分別設(shè)置了兩個(gè)開關(guān)，目的是保障兩種電平輸出。開關(guān)所對(duì)應(yīng)的橋臂輸出狀態(tài)可以表示為：

假定直流端的電容與電壓保持一致，那么交流端的電壓可以用下式表示：

另外，因?yàn)殡娐穬?nèi)兩個(gè)開關(guān)臂是分開進(jìn)行控制的，互相之間不會(huì)影響，這也就利于開關(guān)臂電壓的有效輸出?？梢钥隙ǖ氖牵勒?qǐng)D一設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源，PWM整流器會(huì)以四種狀況動(dòng)作，而電壓與電流之間的關(guān)系可以這樣表示：

2.以負(fù)載功率前饋為基礎(chǔ)的PWM逆變器無差拍控制

文中所選用的整流器為PWM整流器，包含三相四開關(guān)，為了提升系統(tǒng)的整流效率，需要以負(fù)載功率前饋為基礎(chǔ)設(shè)置一種無差拍控制方式，調(diào)整逆變器的響應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的跟蹤反饋。另外采用無差拍控制方法，能有效減少電壓電流畸變的發(fā)生率，保障電能的高效運(yùn)用。其對(duì)應(yīng)的框架見圖2。

按照文章所描述的設(shè)計(jì)，應(yīng)用過三相四個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)PWM整流，進(jìn)而為直流設(shè)備提供電能。假定直流側(cè)負(fù)載的額定功率值為P1，若不考慮系統(tǒng)的開關(guān)損耗，那么可以提出對(duì)應(yīng)的能量平衡公式：PL=（3UIcosθ）/2。在該式當(dāng)中，U、I分別為三相側(cè)對(duì)應(yīng)的電壓和電流，θ是相功率因素角。在理想狀態(tài)下認(rèn)定θ值為0，此時(shí)cosθ=1，那么我們就可以換算得到三相電網(wǎng)的電流值的計(jì)算公式：IS=2PL/（3U）。依據(jù)上文的描述，不難計(jì)算前饋指令當(dāng)中的信號(hào)IS，即三相電網(wǎng)內(nèi)的期望電流值。

為了盡可能維持直流側(cè)電壓的持續(xù)性與穩(wěn)定性，可以通過調(diào)節(jié)P1調(diào)節(jié)器來關(guān)閉對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)，具體表達(dá)式為：

實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的電源時(shí)，如果需要由各自開關(guān)臂共同承擔(dān)功率損失，那么Iout就需要和各個(gè)同步信號(hào)相乘，將最終成績(jī)視為整流器中兩相開關(guān)閉的調(diào)壓指令信號(hào)?？梢詫⑵浔硎緸橄率剑?/p>

依據(jù)直流側(cè)的情況，其本身存在均壓平衡問題，容易對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成印象，對(duì)此需要給予直流側(cè)均壓控制方法，用以實(shí)現(xiàn)直流電容器的平衡。

3. 基于虛擬阻抗的自均控制方法

虛擬阻抗的均衡控制能實(shí)現(xiàn)電源中各個(gè)模塊的電流平衡。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，應(yīng)在高頻開關(guān)電源運(yùn)行過程中引入對(duì)應(yīng)模型，具體結(jié)構(gòu)見圖3。在圖3當(dāng)中，u1與u2分別表示后級(jí)中的輸出電壓，Io1、Io2分別為輸出電流，R1、R2指DC/DC變換器中的電阻。

當(dāng)電解電鍍高頻開關(guān)電源以并聯(lián)的形式運(yùn)行時(shí)，電源模塊間的環(huán)流會(huì)受到抑制，目的是保障電流以穩(wěn)定而平均的形態(tài)流出。具體控制策略如下：首先檢測(cè)直流側(cè)負(fù)載電流的Io，留用檢測(cè)值減去定值LT，P1調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)直至直流電路中外環(huán)控制器輸出對(duì)應(yīng)電壓。其次用外環(huán)控制器輸出信號(hào)減去虛擬阻抗中電壓的反饋信號(hào)，得到電壓內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟蹤功能。另外應(yīng)利用電流雙環(huán)控制方法，讓系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的電流與電壓，提高整個(gè)電源裝置的性能。

4.結(jié)語

對(duì)大功率高效簡(jiǎn)化型電解電鍍高頻開關(guān)電源而言，內(nèi)部的內(nèi)個(gè)變壓器都不需要中心抽頭，制造過程更為簡(jiǎn)便，并且變壓器的匝數(shù)減少，能降低變壓器的漏感，增強(qiáng)次級(jí)電壓。另外系統(tǒng)內(nèi)引入了少量二極管，提升了倍流整流器的性能，電源的使用效率大大提高。相信隨著社會(huì)發(fā)展，這一高頻開關(guān)電源會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

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