高功率因数的大功率开关电镀电源研究

第44卷第5期 2010年5月 电力电子技术 4， 010 高功率因数的大功率开关电镀电源研究 韩立圣，惠 晶 (江南大学，江苏无锡214122) 摘要：介绍一种大功率开关电镀电源的设计方案。为解决电镀电源中出现的电流严重畸变问题，采用三相因数整流方案，采用率输出采用变压器功率合成及倍频 整流模式，降低了开关损耗，有效提高了开关频率和输出效率。采用真分析和实验结果验 证了设计方案的可行性，证明了设计的电源具有谐波污染小，功率因数高，转换效率高等优点。 关键词：电镀电源；功率因数校正；全桥脉宽调制 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1000100X(2010)05008903 iJ 214122， is n to of a of of WM is is tO of il 引 言 传统电镀电解直流电源采用晶闸管相控整流模 式，导致电网侧谐波大、功率因数低。现代电镀电解 开关电源采用二极管整流频变压器 耦合有体积小、效率高、直 流电压纹波小的优点，但直流母线采用大电容滤波 同样会导致网侧电流畸变、功率因数降低1鉴于电 镀电源要求输出直流低电压和大电流设计的电源 采用电压空间矢量控制三相而实 现了功率因数校正。采用频变压 器耦合输出，最后通过倍频整流和直流 输出电压的质量和装置能量密度显著提高。 文中介绍的电镀用开关电源。其满载输出功率 为60 出电压为12V，输出电流为5 连 续可调。通过采用三相现正弦波。理论分析、仿真及实验表明，该电路实 现了输入电流的高功率因数整流和低电流畸变，有 效抑制电镀电源的网侧电流谐波。同时采用全桥零 电压软开关控制方式，有效减少了功率损耗。 2主电路拓扑结构 鉴于大功率的输出，高频逆变部分采用以功率开关器件的全桥拓扑结构。 定稿日期：200 作者简介：韩立圣(1984一)，男，江苏徐州人，硕士研究生，研 究方向为电力电子与电力传动。 图1示出电源主电路，包括：工频三相交流电输 入、整流桥、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变 压器、输出整流环节、输出中，C 为 小电容，用于滤除尖峰脉冲带来的毛刺；电容：i=I4)构成全桥逆变器；发生磁偏的隔直电容。 图1电源主电路拓扑 尽管目前广泛采用软开关技术实现大功率开关 电镀电源的设计方案比以前晶闸管相控整流方式效 果更佳，但仍存在损耗大、功率因数低以及谐波等问 题，故三相功率因数校正成为研究热点31。为此，在设 计中增加了功率因数校正环节。从而有效地提高了 电源的功率因数和效率。 3三相相输入电流非常接近于 正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为l， 因此该整流电路可称为高功率因数整流器。图2示 出基于三相中前级为 三相89 第4_4卷第5期 2010年5月 电力电子技术 4 01O 前级 丽 丛 I CDC 前 节 控爵 节卜 图2电镀电源1整流环节电路拓扑 图3示出三相流主电 路由6个统中的 电流方向如图所示。 VT D ： i i，i 为电网三相输入电流；整流桥各桥臂电流 i 为滤波电容电流； 为直流母线电流 图3电压型三相对称，定义开关函数：当5 =1(5 ：0)时， 上桥臂开关管导通，下桥臂开关管截止；而当S 1 (S =0)时，开关管导通情况相反，其中g=a，b，c。 32电压空间矢量原理 三相 义三相电压型1： 2(Ua+(1) 式中： 根据三相 流器有8种导通模式，对应的空问电压矢量： 00)， (110)，10)，v4(01)，01)， (111)，其中 为6个非零有效矢量， 和 为两个零矢量。在一个电流采样周期内，开关管的导 通总是以零矢量开始并以零矢量结束。用6个非零 矢量和两个零矢量去逼近电压圆，整流器三相桥输 入端会得到等效的三相正弦波波形。可用两个相邻 非零矢量和两个零矢量去逼近任一空间电压矢量从 而三相桥输入为等效正弦波。因此，在系统运行的一 个电网周期内，可以在空间中形象地用6个区域来划 分电网空间电压矢量所在的位置：n3： 32；1T：区 =竹4；=435,；,2按上述定义对电压空问矢量进行合理分配控 制好零矢量的作用时间。形成等幅不等宽的冲波，最终实现追踪磁通的圆形轨迹，即实现 为直流侧电压 与整流器输入 电流 (m=a，b，e)互相影响，使控制变得困难，因 此提出了很多不同的控制方法。在采用电压 据文献6采用直接计算合 成参考电压的方法，定义空间矢量如下： 90 U=U+j = ( + + ) = +j =、 ( + 出+ ) (2) 产 +j =、 ( + ) 式中： 为电网电压空间矢量； 为线电流空间矢量。 当三相电网电压平衡，且只考虑基波分量时，则 空间矢量 ， ， 的关系为： A r 一 (3) 1 5 式中： 为采样周期。 通过采用直接计算合成参考电压矢量的方法， 使计算变得简单，简化了电源硬件和系统软件的设 计，很好地控制了直流侧电压和输入电流，有效地提 高了电源的功率因数和效率。 4逆变桥控制及1逆变桥控制 全桥逆变器4个开关管均采用过的事件模块输出开关控制命令，即。6大后控制逆变电路开关器件的开通和关断 。使逆 变器输出预期波形从而有效提高电镀电源开关频 率，大幅减小器件体积，降低功率器件的开关损耗。 集成32位第一次采用片内采用了多组总线并行机制具有速度高达150 指令周期频率，保证了信号处理的实时性。 42 于对电源和驱动的要求。考虑到可靠性和经 济性，为减小体积、降低噪声干扰、改善驱动和保护 性能，选择了驱动器件与驱动电气上的隔离，还具有过流检测与保护功 能，通过测量流过大如短路时，时 封锁驱动脉冲并给出报警信号。图4示出基于 M v p 4 功率合成 由于设计的电源功率较大。为进一步提高电源 效率，有效实现大功率合成，该电源通过采用多个变 压器串并联结构，使并联的输出整流二极管之间实 现自动均流，如图1虚线框内所示。为进一步减小损 J V f V 1 鬲功率因数的大功率开关电镀电源研究 耗，输出采用多个额定电流400A、额定电压100V 理论分析、仿真及实验表明，该电路很容易实现 的肖特基二极管并联。该变压器是由14个相同的小 三相单位功率因数和低电流畸变，可有效抑制三相大 变压器构成，变比均为4：1。 功率电镀电源的网侧电流谐波：负载电压电流相位一 每个变压器的次级输出采用倍流整流方式，从 致，可实现小开关损耗，提高电源利用效率。 而使变压器输出绕组无需中心抽头，制造工序简化。 7 结 论 与全波整流方式相比，变压器的匝比减小12，从而 该电源采用三相 变压器的漏感可以更小，变压器次级电压升高一倍， 好地解决了电镀电源的电流严重畸变问题：使用全桥 电流减小一半，可大幅减小输出绕组的损耗；与桥式 软开关技术，使功率器件实现零电压软开关减d,T 整流相比，倍流整流器使用的二极管数量减少一半。 开关损耗及噪声，提高了效率。基于流整流器是结合全波整流和桥式整流两者优点的 的电镀电源。充分利用流器。这些措施都最大限度地减小了电源的输出 的片内外设资源；控制电路采用稳压稳流自动转换 损耗，提高了效率。 方案，实现了输出稳压稳流的自动切换提高了输出 6 实验结果分析 性能：通过变压器的功率合成方式增大了电源容 根据以上策略，在图1所示电路基础上，采用 量，满足了大功率应用场合的需求。经仿真和实验证 12500该电源具有相当的推广和使用价值 (5 2V)大功率高频电镀电源，输出电压电流均 可调。实验电路参数如下：三相输入电压80 V (50输出功率0作频率 205 示出采用垂萋 暑 ， 一 t(1 0 ) ) (a)二相输入 b)一 |八 V 一 一 一 3I 3 3 j 为促进数字 3辑，以集 ：相关情况和发展 波形 参考文献 1】贾贵玺，武香群三相大功率焊接逆变电电工技 术学报，2006，21(12)：104107 2】姜桂宾，裴云庆，刘海涛，等12V5 的设计J电工电能新技术，2003，22(1)：5660 【3王婷婷，谢运祥三相功率因数校正及其软开关技术分析叨 电力电子技术。2003，37(7)：5255 【4沈锦飞，吴雷电源变换应用技术M北京：机械工业出 版社2007 【5赵葵银，王辉，吴俊三相高功率因数研究【J电气开关，2004，46(1)：3941 6浦志勇三相电工电能新技术，2002，(2)：4345 【7吴雷，惠晶基于 电力电子技术，2003，37(4)：6264 j 专题的征文范围包括：数字数字限环振荡等问题的分析和建模等 3研究；数字风电及太阳能发电逆变器数字控制算法及 字控制技术在运动控制基于数字控制的电能管