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【簡介】
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。
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。
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400A、額定電壓100V的肖特基二極管并聯(lián)。該變壓器是由14個(gè)相同的小變壓器構(gòu)成，變比均為4∶1。
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需中心抽頭，制造工序簡化。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/150A的IGBT模塊開發(fā)了一臺(tái)60kW/20kHz(5kA/12V)大功率高頻電鍍電源，輸出電壓電流均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：三相輸入電壓Uin=380V(50Hz)，輸出功率Po=60kW，工作頻率f=20kHz。圖5示出采用Tektronix示波器記錄的實(shí)驗(yàn)波形。
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)
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