??
【簡(jiǎn)介】
高功率因數(shù)的大功率開關(guān)電鍍電源研究
韓立圣，惠晶
（江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫214122）
摘要：介紹一種大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計(jì)方案。為解決電鍍電源中出現(xiàn)的電流嚴(yán)重畸變問(wèn)題，采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案，采用TMS320LF2812實(shí)現(xiàn)逆變器的FB-ZVSPWM控制方式，功率輸出采用變壓器功率合成及倍頻整流模式，降低了開關(guān)損耗，有效提高了開關(guān)頻率和輸出效率。采用Matlab對(duì)其進(jìn)行了仿真，仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，證明了設(shè)計(jì)的電源具有諧波污染小，功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電鍍電源；功率因數(shù)校正；全橋脈寬調(diào)制
中圖分類號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-100X（2010）05-0089-03
1·引言
傳統(tǒng)電鍍電解直流電源采用晶閘管相控整流模式，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波大、功率因數(shù)低。現(xiàn)代電鍍電解開關(guān)電源采用二極管整流-IGBT逆變橋-高頻變壓器耦合-低壓整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有體積小、效率高、直流電壓紋波小的優(yōu)點(diǎn)，但直流母線采用大電容濾波，同樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變、功率因數(shù)降低。鑒于電鍍電源要求輸出直流低電壓和大電流，設(shè)計(jì)的電源采用電壓空間矢量控制三相PWM整流器，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。采用IGBT全橋逆變，高頻變壓器耦合輸出，最后通過(guò)倍頻整流和LC濾波，使直流輸出電壓的質(zhì)量和裝置能量密度顯著提高。
文中介紹的電鍍用開關(guān)電源，其滿載輸出功率為60kW，輸出電壓為12V，輸出電流為5kA，且連續(xù)可調(diào)。通過(guò)采用三相PWM整流技術(shù)控制相電流實(shí)現(xiàn)正弦波。理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)表明，該電路實(shí)現(xiàn)了輸入電流的高功率因數(shù)整流和低電流畸變，有效抑制電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波。同時(shí)采用全橋零電壓軟開關(guān)控制方式，有效減少了功率損耗。
2·主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
鑒于大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖1示出電源主電路，包括：工頻三相交流電輸入、整流橋、濾波電感電容、高頻全橋逆變器、高頻變壓器、輸出整流環(huán)節(jié)、輸出LC濾波器等。其中，C1為小電容，用于濾除尖峰脈沖帶來(lái)的毛刺；C2為大容量電容；VTi（i=1～4）構(gòu)成全橋逆變器；Cz為防止變壓器發(fā)生磁偏的隔直電容。
盡管目前廣泛采用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計(jì)方案比以前晶閘管相控整流方式效果更佳，但仍存在損耗大、功率因數(shù)低以及諧波等問(wèn)題，故三相功率因數(shù)校正成為研究熱點(diǎn)。為此，在設(shè)計(jì)中增加了功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，從而有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。
3·三相PWM高功率因數(shù)整流環(huán)節(jié)
三相PWM高頻整流電路的主要原理是通過(guò)對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，使輸入電流非常接近于正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，因此，該整流電路可稱為高功率因數(shù)整流器。圖2示出基于三相PFC的電鍍電源系統(tǒng)框圖，其中前級(jí)為三相PFC及其控制電路。
3.1整流環(huán)節(jié)電路拓?fù)?/span>
圖3示出三相PWM高頻整流拓?fù)洌髦麟娐酚?/span>6個(gè)IGBT與快速恢復(fù)二極管構(gòu)成，系統(tǒng)中的電流方向如圖所示。
設(shè)三相對(duì)稱，定義開關(guān)函數(shù)：當(dāng)Sg=1（Sg*=0）時(shí)，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管截止；而當(dāng)Sg=1（Sg*=0）時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通情況相反，其中g=a，b，c。
3.2電壓空間矢量原理
三相PWM整流器采用電壓空間矢量控制，定義三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓矢量為：
根據(jù)三相PWM整流器開關(guān)信號(hào)S的定義，整流器有8種導(dǎo)通模式，對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量：U0（000），U1（100），U2（110），U3（010），U4（011），U5（001），U6（101），U7（111），其中U1～U6為6個(gè)非零有效矢量，U0和U7為兩個(gè)零矢量。在一個(gè)電流采樣周期內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零矢量結(jié)束。用6個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近電壓圓，整流器三相橋輸入端會(huì)得到等效的三相正弦波波形。可用兩個(gè)相鄰非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近任一空間電壓矢量，從而三相橋輸入為等效正弦波。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)，可以在空間中形象地用6個(gè)區(qū)域來(lái)劃分電網(wǎng)空間電壓矢量所在的位置：Ⅰ區(qū)θ=0～π/3；Ⅱ區(qū)θ=π/3～2π/3；Ⅲ區(qū)θ=2π/3～π；Ⅳ區(qū)θ=π～4π/3；Ⅴ區(qū)θ=4π/3～5π/3；Ⅵ區(qū)θ=5π/3～2π。
按上述定義對(duì)電壓空間矢量進(jìn)行合理分配，控制好零矢量的作用時(shí)間，形成等幅不等寬的PWM脈沖波，最終實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡，即實(shí)現(xiàn)SVPWM控制。因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓Udc與整流器輸入電流im（m=a，b，c）互相影響，使控制變得困難，因此提出了很多不同的控制方法。在采用電壓SVPWM控制系統(tǒng)中，根據(jù)文獻(xiàn)采用直接計(jì)算合成參考電壓的方法，定義空間矢量如下：
通過(guò)采用直接計(jì)算合成參考電壓矢量的方法，使計(jì)算變得簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了電源硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，很好地控制了直流側(cè)電壓和輸入電流，有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。
4·逆變橋控制及IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)
4.1逆變橋控制
全橋逆變器4個(gè)開關(guān)管均采用IGBT，通過(guò)DSP中的事件模塊輸出開關(guān)控制命令，即PWM控制信號(hào)。PWM信號(hào)通過(guò)基于HCLP316J的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路放大后控制逆變電路開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，使逆變器輸出預(yù)期波形，從而有效提高電鍍電源開關(guān)頻率，大幅減小器件體積，降低功率器件的開關(guān)損耗。TMS
4.2IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)
鑒于對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)的要求，考慮到可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為減小體積、降低噪聲干擾、改善驅(qū)動(dòng)和保護(hù)性能，選擇了驅(qū)動(dòng)器件HCLP316J來(lái)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管IGBT。HCLP316J內(nèi)部使用了光電耦合器來(lái)提供控制與驅(qū)動(dòng)電氣上的隔離，還具有過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)功能，通過(guò)測(cè)量IGBT兩端的飽和壓降，當(dāng)IGBT流過(guò)電流過(guò)大如短路時(shí)，HCLP316J可檢測(cè)到危險(xiǎn)，同時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖并給出報(bào)警信號(hào)。圖4示出基于HCPL316J驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。
5·功率合成
由于設(shè)計(jì)的電源功率較大，為進(jìn)一步提高電源效率，有效實(shí)現(xiàn)大功率合成，該電源通過(guò)采用多個(gè)變壓器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流，如圖1虛線框內(nèi)所示。為進(jìn)一步減小損耗，輸出采用多個(gè)額定電流
每個(gè)變壓器的次級(jí)輸出采用倍流整流方式，從而使變壓器輸出繞組無(wú)需中心抽頭，制造工序簡(jiǎn)化。與全波整流方式相比，變壓器的匝比減小1/2，從而變壓器的漏感可以更小，變壓器次級(jí)電壓升高一倍，電流減小一半，可大幅減小輸出繞組的損耗；與橋式整流相比，倍流整流器使用的二極管數(shù)量減少一半。倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點(diǎn)的整流器。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗，提高了效率。
6·實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)以上策略，在圖1所示電路基礎(chǔ)上，采用1.2kV/
理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)表明，該電路很容易實(shí)現(xiàn)三相單位功率因數(shù)和低電流畸變，可有效抑制三相大功率電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波；負(fù)載電壓電流相位一致，可實(shí)現(xiàn)ZCS，減小開關(guān)損耗，提高電源利用效率。
7·結(jié)論
該電源采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案，很好地解決了電鍍電源的電流嚴(yán)重畸變問(wèn)題；使用全橋軟開關(guān)技術(shù)，使功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗及噪聲，提高了效率。基于TMS320LF2812的電鍍電源，充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源；控制電路采用穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換方案，實(shí)現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動(dòng)切換，提高了輸出性能；通過(guò)變壓器的功率合成方式，增大了電源容量，滿足了大功率應(yīng)用場(chǎng)合的需求。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該電源具有相當(dāng)?shù)耐茝V和使用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]賈貴璽，武香群.三相大功率焊接逆變電APFC[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（12）：104-107.
[2]姜桂賓，裴云慶，劉海濤，等.12V/5kA大功率軟開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電工電能新技術(shù)，2003，22（1）：56-60.
[3]王婷婷，謝運(yùn)祥.三相功率因數(shù)校正及其軟開關(guān)技術(shù)分析[J].電力電子技術(shù)，2003，37（7）：52-55.
[4]沈錦飛，吳雷.電源變換應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[5]趙葵銀，王輝，吳俊.三相高功率因數(shù)PWM整流器的研究[J].電氣開關(guān)，2004，46（1）：39-41.
[6]浦志勇.三相PWM整流器空間矢量控制簡(jiǎn)化算法的研究[J].電工電能新技術(shù)，2002，（2）：43-45.
[7]吳雷，惠晶.基于DSP大功率中頻感應(yīng)焊機(jī)的研究[J].電力電子技術(shù)，2003，37（4）：62-64.
