《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高頻開關(guān)電源雙閉環(huán)反饋并聯(lián)系統(tǒng)
摘要:  高頻開關(guān)電源在二十世紀(jì)八十年代進入我國后,,由于其具有體積小.重量輕.效率高.噪音低等優(yōu)點,,大量地進入我國郵電通訊.電力部門及其它領(lǐng)域,,其發(fā)展迅速,市場潛力巨大,,取代了許多傳統(tǒng)的中小功率可控硅整流電源.而在傳統(tǒng)的工礦企業(yè),,如電解電鍍.電化.電火花.電池充電.水處理.熱處理.焊接.冶煉等諸多領(lǐng)域,,目前還在大量使用傳統(tǒng)的可控硅整流電源,不符合國家環(huán)保節(jié)能的政策.
Abstract:
Key words :

1.前言

  高頻開關(guān)電源在二十世紀(jì)八十年代進入我國后,,由于其具有體積小.重量輕.效率高.噪音低等優(yōu)點,,大量地進入我國郵電通訊.電力部門及其它領(lǐng)域,其發(fā)展迅速,,市場潛力巨大,,取代了許多傳統(tǒng)的中小功率可控硅整流電源.而在傳統(tǒng)的工礦企業(yè),如電解電鍍.電化.電火花.電池充電.水處理.熱處理.焊接.冶煉等諸多領(lǐng)域,,目前還在大量使用傳統(tǒng)的可控硅整流電源,,不符合國家環(huán)保節(jié)能的政策.目前市場上的單臺高頻開關(guān)電源功率受到器件的約束及其它因素的限制,難以在大功率(50KW以上)場合實用需要.為了把功率做大,,簡單的方法就是把許多單臺高頻開關(guān)電源,,將其輸出簡單并聯(lián),形成擴流輸出.但這種方法有一個局限性,,那就是并聯(lián)后的系統(tǒng)只能是穩(wěn)流輸出,,而不能適應(yīng)穩(wěn)壓輸出的應(yīng)用場合.本文設(shè)計思想就是在上述簡單并聯(lián)后的基礎(chǔ)上,再單獨設(shè)計一個輸出電壓負(fù)反饋系統(tǒng),,利用電壓反饋系統(tǒng)的輸出來控制各臺高頻開關(guān)電源,,形成雙閉環(huán)反饋,從而達到并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出.由于單臺高頻開關(guān)電源的工作原理眾所周知,,故以下著重從自動控制系統(tǒng)原理方面介紹并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理.

  2.系統(tǒng)控制原理圖

  并聯(lián)系統(tǒng)的自動控制原理如圖1所示.

  在自動控制電機直流調(diào)速系統(tǒng)中,,有一種轉(zhuǎn)速.電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng),又稱串級系統(tǒng).

  外環(huán)是轉(zhuǎn)速反饋,,內(nèi)環(huán)是電流反饋.任何系統(tǒng)內(nèi)外擾動或電網(wǎng)電流變化造成的轉(zhuǎn)速變化,,都能通過外環(huán)或內(nèi)環(huán)的反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié),達到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出.本文正是基于此設(shè)計思想,,設(shè)計了如圖1的高頻開關(guān)電源雙閉環(huán)反饋并聯(lián)自動控制系統(tǒng).圖中各臺高頻開關(guān)電源本身就是可以獨立工作的,,且內(nèi)部形成電壓或電流負(fù)反饋系統(tǒng).并聯(lián)系統(tǒng)電壓反饋屬于外環(huán),內(nèi)環(huán)由高頻開關(guān)電源內(nèi)部形成.這種并聯(lián)系統(tǒng)之所以簡單,,就是在單臺獨立工作的電源基礎(chǔ)上,,把輸出端簡單并聯(lián)在一起.而輸入端的給定由外環(huán)統(tǒng)一加到各臺獨立的高頻開關(guān)電源.

  圖1中虛線框內(nèi)1#.2#.…….N#為各臺高頻開關(guān)電源,其內(nèi)部自動控制原理圖簡化為一階系統(tǒng)比例積分環(huán)節(jié),,所以各臺高頻開關(guān)電源的穩(wěn)流或穩(wěn)壓精度很高.圖中它們工作在穩(wěn)流狀態(tài)下.

  3.系統(tǒng)工作設(shè)計原理

  3.1 單臺高頻開關(guān)電源設(shè)計及總體框圖

  單臺高頻開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo):

  輸入電壓:380V,50HZ

  輸出電壓:DC 18V

  輸出電流:DC 800A

  限流值:850A

  限壓值:18.5V

  保護:過流保護.熱保護.過壓保護.欠壓保護

  轉(zhuǎn)換效率:>80%

  單臺高頻開關(guān)電源總體框圖如圖2所示.

  整機電路可分為變換主回路和控制電路兩大部分.交流380V電壓經(jīng)輸入電源濾波器.輸入直流整流濾波得到550V左右的直流電壓,,供給脈寬調(diào)制器,,它有兩組IGBT模塊.高頻變壓器及輸出整流濾波組成.

 由PWM控制電路提供交變脈沖經(jīng)驅(qū)動電路來控制IGBT模塊的通斷,,將直流電壓變換成交變的20KHZ脈沖電壓,經(jīng)高頻變壓器隔離變換成所需的電壓,,再經(jīng)輸出整流二極管全波整流,,得到平均幅值為18V的直流電壓.

  控制電路由PWM控制電路.驅(qū)動電路.反饋取樣電路.限流限壓電路及輔助電源組成.

  PWM控制電路輸出兩路彼此相位差180度,,并有一定死區(qū)的脈沖,經(jīng)驅(qū)動電路放大,,控制主回路IGBT模塊的通斷.為了得到穩(wěn)定的輸出電壓或電流,,對輸出電壓或電流進行采樣.反饋,與基準(zhǔn)值比較.放大,,控制PWM電路的脈沖寬度,,調(diào)整IGBT的占空比來實現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流.同時通過軟啟動.過流過壓保護.短路保護及限壓限流電路對電源本身實施保護措施.

  單臺高頻開關(guān)電源構(gòu)成一個電流負(fù)反饋控制系統(tǒng),簡稱內(nèi)環(huán).自動控制原理如圖3所示.

  圖3中采用了PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)電流負(fù)反饋控制系統(tǒng),,既保證了動態(tài)穩(wěn)定性,,又能做到無靜差,很好地解決了動.靜態(tài)的矛盾.其調(diào)節(jié)原理:在電流給定值不變的情況下,,當(dāng)負(fù)載變動或電源內(nèi)部原因造成了電源輸出電流變動時,,自動控制調(diào)節(jié)過程為:

  通過以上的調(diào)節(jié)過程,可以保證單臺高頻開關(guān)電源輸出穩(wěn)定的電流.這樣,,把各個單獨工作的高頻開關(guān)電源輸出并聯(lián)在一起,,且工作在穩(wěn)流狀態(tài)下,接受同一的電流給定值,,就可保證各臺高頻開關(guān)電源輸出同樣大小的電流.

  從而實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的擴流輸出.為了提高系統(tǒng)的整體可靠性,,還可根據(jù)系統(tǒng)的要求,增加N+1冗于設(shè)計.這種簡單的組合在一起,,當(dāng)某臺高頻開關(guān)電源出現(xiàn)故障,,可立即把其關(guān)電退出運行并斷開輸出連接,把備份的高頻開關(guān)電源通電投入運行即可.從而把處理故障的時間減少到最小.

  3.2 系統(tǒng)自動控制原理

  雙閉環(huán)并聯(lián)系統(tǒng)自動控制原理如圖4所示.

  圖4中在高頻開關(guān)電源系統(tǒng)外增加了一個比例積分調(diào)節(jié)器,,用來調(diào)節(jié)并聯(lián)系統(tǒng)的電壓.

  把并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓反饋和并聯(lián)系統(tǒng)給定值進行比較,,其差值經(jīng)信號放大,作為高頻開關(guān)電源系統(tǒng)電流給定值,,而高頻開關(guān)電源系統(tǒng)根據(jù)不斷變化的電流給定值來調(diào)節(jié)自身的輸出電壓,,以此保證自身的輸出電流根據(jù)給定值變化而變化.從而也保證了并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定.從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在高頻開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部,,是內(nèi)環(huán),;電壓調(diào)節(jié)環(huán)在外面,成為外環(huán).二者之間實行串級連接,,即以電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的控制,那么兩種調(diào)節(jié)器作用就能互相配合,,相輔相成了.這就形成電壓.電流雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng).為了獲得良好的靜.動態(tài)性能,,兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器.

  當(dāng)由于負(fù)載擾動,造成了并聯(lián)系統(tǒng)電壓輸出變動,則系統(tǒng)自動控制調(diào)節(jié)過程為:

  上述電壓調(diào)節(jié)過程可以保證并聯(lián)系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作狀態(tài)下,,輸出電壓穩(wěn)定.若系統(tǒng)要工作在穩(wěn)流狀態(tài)下,,只需通過系統(tǒng)內(nèi)部的選擇開關(guān),把外環(huán)電壓反饋單元關(guān)閉,,直接把電壓給定信號加到各臺高頻開關(guān)電源,,由于各臺高頻開關(guān)電源本身工作在穩(wěn)流狀態(tài)下,從而可以保證并聯(lián)系統(tǒng)的每臺高頻開關(guān)電源輸出同等大小電流.

  從動態(tài)穩(wěn)定性上看,,在設(shè)計過程中,,先把單臺高頻開關(guān)電源設(shè)計調(diào)整好,使之能穩(wěn)定的輸出額定電流.然后把各臺并聯(lián)連接在一起,,加上電壓反饋外環(huán),,再按系統(tǒng)設(shè)計要求并調(diào)整外環(huán),使系統(tǒng)輸出電壓保持穩(wěn)定.需要注意的是:內(nèi)環(huán)根據(jù)其設(shè)計指標(biāo)要逐一開啟和外環(huán)連調(diào),,等所有的內(nèi)環(huán)調(diào)整好后,,再把所有內(nèi)環(huán)開啟,與外環(huán)一同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓和電流.

  4.實驗與結(jié)論

 

  應(yīng)用以上原理,,制作了一臺組合式并聯(lián)的72KW高頻開關(guān)電源.具體參數(shù)為:AC380V±10%,穩(wěn)壓輸出18VDC;限流電流4100ADC;穩(wěn)流輸出4000ADC;限壓電壓18.5VDC.該并聯(lián)系統(tǒng)由五臺單獨的高頻開關(guān)電源并聯(lián)組合,,每臺高頻開關(guān)電源都輸出同等的800A/18V.系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作時,即使輸出短路也能限流在4100A穩(wěn)定工作,;穩(wěn)流工作時,,輸出端開路能實現(xiàn)限壓而穩(wěn)定工作.若為了提高并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,還可增加一臺備份.該電源在電鍍行業(yè)鍍鉻工藝中現(xiàn)場運行已有近兩年,,基本上達到了設(shè)計要求,,用戶反應(yīng)良好.

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