（电力电子与电力传动专业论文）离子渗氮热处理用大功率脉冲电源的研究与设计.pdf

1 巧北1 业人掌硕l j 论文 摘爱 a b s t r a c t t h e p o w e rs u p p l y i st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f p l a s m ah e a t - t r e a t i n g f o ral o n g t i m e ，d cp o w e rs u p p l yh a sb e e nw i d e l yu s e da l t h o u g hi t h a st h es h o r t a g e sa sl a r g e p o w e rd i s s i p a t i o na n ds e r i o u se f f e c to f t h eh o l l o wc a t h o d es oo n i ni9 8 0 s ，p u l s i n g d cp o w e r s u p p l yw a sd e v e l o p e dp u l s i n gd cp o w e rs u p p l yc a ns o l v es o m eq u e s t i o n s b u ts t i l lc a n n o ts a t i s f yt h er e a l i t yr e q u i r e m e n t s c o m p a r e dw i t hp u l s i n gd cp o w e r s u p p ly p o w e rs u p p l yw i t h i n v e r t e rh a ss o m em e r i t ss u c ha s e a s yc o n t r o l ，l o w d i s s i p a t i o n ，s m a l lv o l u m ea n dh i g hf r e q u e n cy t o d a y , t h ep o w e rs u p p l yw i t hi n v e r t e r i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e p o p u l a ri nh e a t t r e a t i n gs y s t e m t h i s p a p e rd i s c u s s e s t h e d i f f i c u l t y a n di m p o r t a n c eo ft h e10 0 k w p o w e r s u p p l yw i t hi n v e r t e ru s e di np l a s m ah e a t t r e a t i n g ，a n dp r o p o s e sap r e f e r a b l ed e s i g n p r o j e c t t h ep 6 w e r s u p p l yi n c l u d e s ：r e c t i f i c a t i o nm e c h a n i s m t h a tc o m p o s e do fs c r ； i n v e r t e rm e c h a n i s mt h a tc o m p o s e do fi g b t t r a n s f o r m e ra n du l t r af a s t r e c o v e r y d i o d e ；c o n t r o lm e c h a n i s mt h a tc o m p o s e do f8 0 c 19 6 k c ；l c da n dk e y b o a r d c i r c u i t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h a tt h eo u t p u tv o l t a g eo f t h ep o w e r s y s t e mc a n s a r i s f yt h ed e m a n d so fh e a t t r e a t i n g ；t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni sl o w ；t h ec o n t r o lo f c u t t i n go f f a r c d i s c h a r g ei sq u i c k l ya n dc r e d i b t y k e y w o r d s ：p l a s m an i t r i d i n g ，i g b t , i n v e r t e r , p u l s e dp o w e rs u p p l y , c u t t i n g o f fa r cd i s c h a r g e 第市j i 高 第一章引言 热处理行业的发展与机械工业的发展密不可分，并对机械工业的发展起着 积极的推动作用。制造业要发展，就必须要重视产品的内在质量和表面质量。 作为主要提高机械产品内在质量的热处理工序，理应对提高产品质量水平和质 量稳定做出更多的贡献。从目前看，我国热处理行业先进热处理工艺的普及程 度较低，关键机械零件的热处理质量不高、不稳定，从而影响零件的使用寿命 和可靠性。 我国热处理业内人士认为，在激烈的市场竞争中，热处理行业要加快专业 化生产的步伐，对国内已有较好基础、需求量较大的先进热处理设备，如真空 热处理炉、各类密封多用炉等加以重点发展，使产品上升到一个新档次，以利 于赢得国内外市场的竞争。 离子渗氮、离子氮碳共渗等这类等离子热处理工艺具有渗透快、- 渗层质量 好、变形小、无公害、节能节气等优点，能显著提高零部件的表面硬度、增强 抗磨损力和咬合力、提高疲劳强度，从而提高零部件、工模具的质量和使用寿 命。 1 1 离子渗氮热处理对电源的要求 离子渗氮热处理是一种在等离子环境中将离子扩散到工件表面使工件 表面硬化的处理技术。当氮化炉中的气体压力减小时，炉内的两个不同电位的 电极之问在不高的电位差时就会产生辉光放电，将氮气电离产生活性离子， 离子轰击并加热工件表面发生化学反应生成核化物从而实现工件硬化。一般 采用高压直流电源产生辉光放电，激发离子。但是，采用直流电源的离子渗氮 技术存在系列的问题和一些难以克服的缺点【5 】： l 、离子渗氮过程中既要防i l 大电弧的形成，降低电弧能量、又要利用微弧 清洗净化t 件，一般的电路除设计有l c 振荡灭弧、电流截l ：灭弧以外，都串 联有限流电阻r ，1 ；利j ：工艺控制的同时增加了损耗。 2 、九离子渗氮过程c h 炉内电压、电流必须处于异常辉光放 ! - 区的范， 这样爿能保砥i j 件均匀地被娇光覆盖，般：与离子功率密度人j ：o 4 w c n l l 州d i 啊北j 业人掌坝i 论艾第一币j f i 足以产生辉光放电。有时由升温阶段转向保温阶段，为了维持一定的辉光功率 并保持温度，只有增大冷却水流量。严重时冷却水带走的能量占总功率的4 0 之多。 3 、工件上的小 l 、深孔、沟槽部分常常产生空心阴极效应，造成局部温度 过高、硬度下降，对于复杂的工件，如模具等难以获得均匀的渗氮层。 如果是采用脉冲电源进行离子渗氮，可以克服以上不足之处，所以，2 0 世 纪8 0 年代后期，西德、法国等先后把脉冲电源炳光放电技术应用于热处理，耿 得了较好的效果。采用脉冲电源进行离子渗氮的优点包括： 1 、在脉冲电压的作用下，炉内气体放电受高频功率器件的丌关通断控制， 电流电压自然过零，自身具有灭弧的功能。由于采用自关断器件，灭弧速度可 达微秒级，因而去掉了限流电阻，可大幅度节能。 2 、在提供大的瞬时能量的同时，可以保持较小的平均能量。可将工件升温、 保温所需的离子能量借助于导通比调节来实现，从而将辉光放电的物理参数与 控制温度的参数分开，实现独立调整，提高渗氮质量。 3 、空心阴极效应的产生是由于离子与电子的相互作用，产生雪崩效应，引 起载流子的聚集所造成的，采用脉冲电源后载流子的聚集被脉冲闻隙中断，从 而抑制了空心阴极效应，改善了复杂零件的温度均匀性。另外，对于原来需要 堵孔屏蔽的某些零件可直接装炉渗氮，简化了工序。 离子渗氮热处理用脉冲电源有两种类型： 是斩波型脉冲电源。铁道部金化所1 9 9 2 年在国内首先研制成功g t o 斩 波型脉冲电源，现场实践证明斩波型脉冲电源与直流电源相比，不仅节电3 0 左右，而且能迅速可靠灭弧，可减弱或抑制空心阴极效应，利于带深孔、沟槽 等复杂零部件及齿轮根部的渗氮处理，能提高工件温度均匀性和渗氮质量等优 点。g t o 斩波型脉冲电源的不足是：g t o 是电流控制型功率器件，驱动电路 较为复杂，t 作频率较低( 最高1 k h z ) 。它可以满足离子渗氮生产的需要，但 在等离子气体沉积j 艺研究中频率的提高受到限制【9 】。 采用绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 也可构成斩波型脉冲f u 源，解决提高脉7 i f 频 率f 1 , 0 f j 题，世必需要有i 频变压器进行川爪变换。 塑! ! ! 些查堂塑! ! 堡兰 曼二! 型至 二是逆变型脉冲电源。逆变型脉冲电源脉冲频率高，动态响应快，省去了 体积庞大、笨重的工频变压器及其损耗，提高了离子渗氮的灭弧速度。是离子 渗氮热处理用电源的发展方向。 1 2 脉冲电源发展动态 脉冲电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括：脉冲电镀、极性 相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加 热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除 尘、臭氧的制取和表面热处理等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电 磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。不同的应用场合，对电源的输出 电压、输出电流及丌关频率的要求不同。按照输出特性的不同，可以将脉冲电 源分为能量密度型、时间问隔型和组合型三类。表面热处理用脉冲电源属于组 合型，它对能量密度和时问都有要求。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其 是大功率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着g t o 等自关断器件的出 现，产生了斩波型脉冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功 率丌关器件控制后，输出周期和占空比由刀= 关器件控制脉冲决定的大功率脉冲 输出。这类型电源的最突出缺点是输出与输入不隔离，对电网的污染太严重。 如果增加输入隔离变压器，由于电源功率太大，使得变压器的体积巨大。另外 的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制，使得脉冲电源输出的频率很低。 随后出现的开关器件i g b t 由于它本身的优点，使得研制逆变型脉冲电源成为 可能。i g b t 的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小，同时可以提高脉 冲输出的频率。 就目前国内外发展来看，等离子热处理用脉冲电源的主要发展方向是逆变 型的大功率脉冲电源，一些新的器件的出现，会提高脉冲电源系统的性能，但 4 ；会改变电源系统的逆变主回路拓扑。应用于热处理的脉冲电源，国外的成熟 产品中有3 0 0 k w 以f 的一系列逆变型脉冲电源。但国内相关成熟产品只能达到 5 0 k w 。冈此，研制1 0 0 k w 以l i ( , j 逆变型脉冲电源具有很高的实用价值。 i 3 本文的研究特点 塑韭! 些查兰塑堡苎；堡二：! 型翌 本文的探究重点是大功率和快速响应，为此，必须解决下述关键技术： 脉冲输出增加一级整形电路，使得输出脉冲的上升与下降沿都很陡，利 于离子渗氮工艺；逆变功率器件的可靠驱动与保护；设计反应迅速、可靠 的控制电路；可靠的限弧、灭弧设计；系统长时间连续工作的稳定性： 防止脉冲输出产生高的尖峰电压、高频振荡等问题。 1 4 任务来源与技术指标 本研究任务来源于导师的横向研究课题。 离子渗氮热处理用逆变型脉冲电源的主要技术指标为： 输入电压：三相交流3 8 0 1 5 v ： 输出电压：0 1 0 0 0 v 可调： 输出脉冲频率：5 0 0 2 0 0 0 h z 可调： 脉冲电流峰值：1 0 0 a ： 脉冲占空比：1 5 8 5 可调： 灭弧电路动态响应时间：小于1 0 z s ； 输入电压缺相、欠压和过压保护；输出过流保护： 系统的自动控制、手动控制；自动与手动控制的无扰切换。 两北t 业人学坝l 。论奠第一章系统总体设计 第二章系统总体设计 根据系统的运行环境选择合理的方案、设计有效可靠的电路和先进的系统 控制算法是系统总体设计的主要任务，本文首先简单介绍离子渗氮热处理用脉 冲电源的工艺要求，进而分析逆变型脉冲电源系统的组成和工作原理，最后重 点给出系统各个组成部分的设计指标。 2 1 工艺对脉冲电源的技术要隶 应用于离子渗氮热处理的脉冲电源系统为非标准工业产品，除了脉冲电源 本身的设计外，还要根据离子渗氮热处理的工艺要求做特别设计。因此本设计 的脉冲电源必须结合离子渗氮热处理工艺的要求在主回路和控制系统方面做特 别的设计。 离子氮化及等离子表面处理用脉冲电源不仅工作电压高( 1 0 0 0 v ) 、工作频 率比较高( 5 0 0 h z 2 0 0 0 h i ) ，其主要的特点在于它以辉光放电为负载。辉光 放电负载的等效阻抗变化急剧，频率产生辉光弧光转变，此时阻抗呈负阻 性特性，负载近似短路，阴阳极间电压从几百伏、近千伏突然降到几十伏，电 流急剧增大，因此设计的脉冲电源必须有迅速可靠的抑制弧光电流增长的措施。 辉光弧光转变的本质特征是极间电压从几百伏、近千伏迅速降到几十伏。 对脉冲电源来说不仅弧光放电时极间电压要下降，在正常情况下每一秒种极间 电压有2 0 0 0 次幅值从工作电压下降到零( 假设系统工作频率在2 0 0 0 h z ) 。正确 区分是弧光放电导致的电压下降，还是脉冲电压本身具有的周期性电压下降是 检测弧光放电的关键。 山于弧光放电是必然要产生的，特别是在初期阶段还要用散弧来清洗工件， 应该检测出可能发展为大弧的弧光信号，而对微弧必须予以通过，以利于清洗 【：件和时问利用率。所以必须设计适当的检测与控制电路，j r 确而又恰当地检 测出弧光信号，及时封锁脉冲输出。 当炉内的气体压力很小时，电极之间产生弧光放电，气体离r 轰击t 件表 俪使炉内温度5 1 高，在这段时m 内根据t 件的不同要控制r b 极之削j 一，；| i 弧光放 l 乜的慢嫂捌次数，i i q t _ f q 控制炉内尥温度。 两托r 业人学侦l 论文 第一帚系统总体设计 作曲线如图2 1 ，离子渗氢热处理工艺过程包括三个阶段 升温阶段：在脉冲峰值电压6 0 0 v 左右， 通过自动与手动控制使炉内温度在8 到1 0 _ 、时内升至| j6 0 0 。 恒温阶段：通过系统的自动控制系统 和人为参与，调节脉冲频率、占空比和电 压峰值实现炉温的恒定。 冷却阶段：氮化炉自然冷却。 2 2 脉冲电源系统的关键技术 2 2 1 迅速可靠的灭弧电路 图2 1 氮化炉工作蓝线略图 脉冲辉光放电时，负载的等效阻抗急剧变化，极问电压周期性升降。发生 辉光弧光转变时，产生弧光放电的区域电流密度急剧增大，而阴阳极间电压 ， 从几百、上千伏突降至几十伏，负载呈负阻性。正确区分是弧光放电导致的电 压下降还是脉冲辉光放电本身具有的周期性电压下降是检测弧光放电的关键。 2 2 2 桥式逆变电路 桥式逆变电路的关键是功率器件的驱动、应力吸收电路、功率回路布线和 各种快速完善的保护功能。 2 2 3 高频升压、整形 利用大功率脉冲变压器，对逆变后的脉冲进行高频升压，然后采用桥式电 路整形。在此过程中，应防止产生高的尖峰电压、高频振荡等问题。同时还要 解决提高变压器效率的问题。 2 2 4 控制电路 没计的脉冲电源系统要真f 应用f 实践，必须解决好系统的快速性和稳定 性之捕矛盾。同时要解决控制系统的抗干扰问题以保证系统的萨常运行。 2 3 脉冲电源系统组成和工作原理 径敲全桥或者半桥直流i b 溯t h ： i 1 ；是将电m i 队正1 i 控整流肝的直流电胍 绰过逆变、变l ：器州压或者降爪，然j l i i i f 祭流得到隔离的直流输f 乜j i i 。本殴 幅北i ：业人学颤l 论文第一苹 系统总体设计 汁的逆变型脉冲电源可以在上述直流电源的基础上实现，电路方框图如图2 2 所示。设计逆变型脉冲电源系统出二三大部分组成：( 一) 任务书要求输出的脉冲电 压峰值n - j 调，所以第一步必须采耿可控整流。( 二) 由于电源输出电压和电流都比 较大，采用全桥逆变方式。与全桥直流电源不同的是，不把变压器的输出经过 图2 ，2 逆变型脉冲电源系统电路方框图 整流滤波变为直流，而是通过整形电路输出脉冲。控制电路是系统的核心， 它包括主回路功率器件需要的驱动脉冲生成、控制算法、信号采样及处理等。 人机界面设计，它是人与电源系统交流的窗口。 根据逆变型脉冲电源系统的组成原理可以设计脉冲电源的工作原理略图如 图2 3 所示。把系统分为四个模块：可控整流模块、逆变模块、控制模块和显 示与设定模块。下面从系统的角度给出四个模块的设计指标。 2 , 4 各功能模块的设计指标 2 4 1 可控整流模块设计指标 可控整流模块的输入电压为误差1 5 的工业电，根据电源系统要求，输出 电压为4 3 0 v ，电流为2 0 0 a 的可调直流电压。 为了保证脉冲电源系统主回路的平稳启动，可控整流模块还要设计软启动 功能，不管外部设置的整流输出电压有多高，整流输出电压都从o y 开始逐渐增 加。 为j 保证：脉冲电源系统的i f 常工作，可控繁流模块还要设汁兰相交流输入 过j i , i 、久j k 和过流保护。h 要这些故障信号哦，控制模块马i ：发8 1 j , , j 锁佶j j l q 北】：业人学硕i 论立 第二章系统总体蹬计 将可控整流模块的功率器件封锁。 j 4 净 一 il 。i 什i b - - 卜输出i 氰化m 【l哥 ij 一 ll 一 可控整藐梗块 n i 卜逆变撮块 与 显示与设定梗碘、 图2 3 脉冲电源系统工作原理略图 可控整流模块中功率器件的驱动信号由控制模块提供。 2 4 2 逆变模块设计指标 。 逆变模块包括三部分内容：桥式逆变、变压器升压和整形电路。 桥式逆变将来自相控整流电路的0 4 3 0 v 直流变换为频率和占空比都可变 的交变方波。由于电源系统必须长时间工作，要求逆变功率器件也能可靠长时 问： 作，所以必须设计完善的功率器件驱动电路和保护电路。此外还要提供给 控制模块功率器件的过流故障信号和过热故障信号。 变压器将来自逆变器的方波变换为0 2 0 0 0 v 的交变方波，除了实现电气特 性外，还要尽量减小其损耗，因为所有的能量都依靠它来传递，考虑采用非晶 态做铁芯。 整形电路是脉冲电源的输出极，将来自变压器的交变方波变换为单向方波， 它的殴汁要满足工艺要求的脉冲输出特睫，即脉冲输出电压的上升率平i if 降牢 以及脉冲的占空比。 逆变模块还要提供给控制模块输 啪水冲电流检测信号和电压榆测信号。 2 4 3 控制模块设计指标 控制模块是电源系统的核一h 它，咏冲电源的其他部分之间都存存甑接关 系， 堕些! 、业叁兰堡! ：堡兰 笙二兰墨竺鳖堡壁生 控制模块与可控整流模块的关系是提供六路移相控制驱动脉冲信号；实现 可控整流的电压闭环控制；采集各类故障信号经过运算后控制可控整流模块的 输出；此外还要实现可控整流的软启动功能。 控制模块与逆变模块的关系是提供两路占空比和频率可调的驱动脉冲信 号：采集功率器件的故障信号经过运算后禁止可控整流模块的输出；检测脉冲 峰值电流和脉冲电压，通过运算控制氮化炉打弧次数并且要求控制时问在1 0 伊 之内。 控制模块与显示与设定模块的关系是采集显示与设定模块的数据经过运算 后控制可控整流模块的驱动脉冲信号和逆变模块的功率器件驱动脉冲信号；将 从可控整流模块采集到的电压信号和逆变模块采集到的电流信号、输出脉冲占 空比信号和频率信号经过运算后输出给显示与设定模块；将从氮化炉采集到的 氮化炉温度信号和压力信号经过运算后输出给显示与设定模块。 控制模块与氮化炉的关系是采集氮化炉的温度和压力信号，经过运算后控 制可控整流模块的驱动脉冲信号和逆变模块的功率器件驱动脉冲信号。 控制模块与离子渗氮工艺的关系是检测氮化炉中打弧的频率和时间，根据 工艺要求设计控制算法，发出灭弧信号。 2 4 4 显示与给定模块设计指标 显示与给定模块是脉冲电源系统的人机交流通道，主要的用途是将操作设 定输入到脉冲电源系统和显示脉冲电源系统的工作状态。 2 4 5 总体要求 由于电源工作在脉冲方式，大功率的应用增加了系统的高频干扰源，为了 增加控制系统的抗干扰能力，各个系统模块必须采取的措施包括： 在各模块之间传输的信号都经过快速光电耦合器隔离传输，减少干扰信 号通过线问传导对系统造成的影响；所有的控制信号与主回路之问的连接都 通过变压器或者光电耦合器隔离传输；采取模拟器件滤波和数字滤波技术， 增强控制模块的抗干扰能力；对u j 控整流模块和逆变模块中的功率器件，设 合适的吸收电路抑制高频振荡，减少f 扰源。 丽北t 业人学顿1 沦文 第二带口f 拄整流模块设计 第三章可控整流模块设计 可控整流采用三相全桥晶闸管整流，晶闸管驱动信号由控制模块提供，本 章主要讲述整流电路设计计算、晶闸管的选择与保护电路设计和晶闸管的驱动 电路设计。可控整流模块设计指标如下： 输入：主回路输入三相3 8 0 1 5 v 电压： 门极驱动电路输入六路晶闸管驱动脉冲信号； 输出：电压：0 4 3 0 v 直流可调： 电流：2 0 0 a ； 可控整流具有软启动功能，直流输出母线寄生电感尽量小等。此外还要给 控制模块提供电流、电压信号。 3 1 相控整流主电路设计与计算 3 1 1 主回路理论分析 三相全桥晶闸管整流主电路如下图，图中q l q 6 为晶闸管，c ，c ，。为整 流滤波电容，c 。一c 。为吸收电容，尺、一r 。为吸收电阻。 图3 1j ：相全桥晶闸管整流电路 本设计中，对于可控整流模块来讲负载电流会发_ 二突变所以我们在分析 u j 控整流过程中可以假设负载为川性。 “】罔3 1 电路可以看出，强f 般薹j | 寸刻电路必须有鹏个晶间管同f 州导且重，奠 1 1个属r 共阴极纰另个槭jj i i ；r t 极组，侮个晶刚管f l 最大导通角为i 2 0 0 。 f f7 堕韭二、业查兰塑! ! 堡兰：笙兰翌! ! 笙鳖堕竖堡堂生 晶闸管之阳j 的换相是在同一结构组中进行的，即共阳极与共阳极的晶闸管换相， 共阳极与共阴极的晶闸管换相。在这种电路中般采用双脉冲或宽脉冲的触发 方式保证每隔6 0 。导通一个晶闸管，触发电路设计在后面章节给出。 下面讲述可控整流电路在阻性负载情况下输出与输入的关系，图3 2 为在 触发角为a 时的电路波形。u 。为相电压波形，：为线电压波形。由波形对应 关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。由 于输出整流电压为共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压与共阳极组中处 于通态的晶闸管对应的相电压的差，因此输出电压为线电压在f 半周期的包络 线( 图中u 。：) 。从图中可以看出，当0 。a 6 0 。时，输出电流连续：当 6 0 。口1 2 0 。时，输出电流不连续；当口= 1 2 0 。时输出平均电压为零，所以应 该分别对待。 0 火x 陬栅。 l k i ： l ：kl ： l ： 面 潞tiiii 趔嫩粼燃乙 t 图3 2 三相全桥整流电路带f i i ! l 性负载在触发角为。时的波形 l 、当0 。a s 6 0 。电流连续时 输出电压平均值与输入线电压有效值u ! f i 勺关系为： 两北r 业人学坝i 论义 蚺二帝町控整流模块设计 ：3 4 2 u 2 c 。s a 。l3 5 u 2 c 。s a ( 3 1 ) 丌 通过晶闸管的电流，。与负载平均电流，。的关系为 所以有 k ：、尝f f 品。d ) vz 刀q 丽面 i m 匝n 【, 6 i 回4j 铲华 = 詈m 。? 争卜 l = 等c o s 口= 昙和。s 口 ( 3 - 2 ) 等= 志豚+ 半 仔s ， ，d 3 c o s 口v ，r i 64 j 三相全桥整流电路输入电流有效值，! 与负载平均电流，。的关系为； 1 2 = 麽和啡忙孽v 徊训2 啦) i ”瓯i 回 、丌1 6 4 j 2 志株+ 半 2 、“i6 0 。a 1 2 0 ”，电流刁i 连续1 输刚i i 平均值，与输入线 “j 效值u 二的关系为 ( 3 4 ) 甜 “ 甜ns，皿 + 口 h卜b， 3 一丌 | 圪 丽北k 入学硕i j 论文第二带刚挖整流模块设计 即f 2 昙乓+ 。励_ ，s i n 积d ( 甜) 等小c o s ( 矧1 丌 lljl 通过晶闸管的电流，。与负载平均电流，。的关系为 即有 ly t 拄弘“删) _ ( 鲥) = i m r ，r、一 1z a 3 1 弋了- 2 a j 厅324 驴鲁= 訾卜s ( 刊 “ 只 咒足l3i = 槲s ( 引 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 1，jj 肇 两北丁业人：埘i j 论义 第三章订拄整流模上尖改计 ，2 i d ( 37 ) 本设计整流电路在工作过程中会产生很大的凿波，对电网造成干扰。考虑 到研发的重点，在论文的设计调试过程中，没有对谐波的产生做深入的研究， 本文不再分析。 3 1 2 中间滤波器设计 在逆变电路中，通常采用大电容作中阳j 滤波器。其作用为：整流输出滤 波；形成低内阻直流电压源。附加小电感三是为了对高频电流起抑制作用， 有利于减小开通损耗和实旋过流短路保护。中间滤波器的优化设计关系到逆变 电源的输出品质及可靠性。 l 、负载电流产生的纹波电压 在本设计中，电源系统输出为脉冲电压，假设负载为阻性负载且保持不变， l 则负载电流也为脉冲。设输出脉冲电压( 或电流) 的频率为丘，周期为t = ， j o 电流高度为，。，电流方波如图示，2 m 为脉冲宽度。则输出电流在一个周期内可 以描述为： 图置3 整流输出电流方波 f ( t ) 将其傅、川 变换，余弦项系数为 o 一上7 _ f 一，靠， i ，一，7 7 t t ( ，”t o ，7 77 - ， 17 1 ( ：卜8 ) 两北t 业人学坝i 论文 = 季 c o s n c o t d t = 护2n n 鲫暖 第二章。，挖整流模块设计 运算中应用了o t = 2 z 的关系，“。为波形的平均值即d 。= 2 m l 。f 弦项系数为 于是得到 7 2 。1 丘r f ( t ) s i n ，叫出= o y ( d = 2 m i u + 2 i 。us i n ( z m 础。s ( 等，) + 鲁s i n 咖。s ( 等r ) + ， c s 圳 由上面分析可以发现，负载电流可以分解为直流分量和交流分量。等效到 整流输出母线也包括两个分量，只是峰值常量不同，假设为爿。设计直流分量 流过滤波电感，交流分量必须流过电容。由式( 3 - 9 ) ，直流母线电流交流基 波分量为： z = 等s - n ( z 训c o s ( 等r ) 电流基波的f 半周，电容输出电流使圪下降 i ， 岍拇沁酬扣酬卜c 4 _ 伽a as i n 酬 睁 l 4 最大值 巧。：= 4 一a s i n ( 2 m 石) l 厅 电流基波的负半周，电容吸收电流使上升 2 越1 蝴 域人肌 ( 3 一1 2 ) - 1 3 ) 万m 垃m 力酢 篆 巴铲阿 甜 ，一 丌2 丝砌 厅 羔 一 l 两北e , t k 人学坝i j 论文 笫二章aj 控整流模块砹汁 负向电流向电容充电，取续流电流的最大宽度为鱼2 r ，最大幅度为爿，则 峨，= 凇4 2 7 爿m = 等爿 2 、滤波电容c 的计算 由限制负载电流引起的纹波电压确定c 的值，设允许的最大峰值纹波电压 为g k 。则： 矿= 慨卜匕。= 羔s i n ( 2 m 疗) + 延o a c 爿女( 3 - 1 5 ) 竺s i n ( 2 m 厅) + 1 2 z ca c 堂巫j ! l 一 ( 3 1 6 ) 圪七 取输出脉冲的占空比最大d = o 8 5 ，周期最大t = 2 m s ，输出电流最大 i 。= 1 0 0 a 时，a = 2 5 i 。= 2 5 0 a ( 中频变压器匝比为2 3 ：l ，考虑损耗给整流输 出加余量) ，k = 1 ，将数据代入得： c 掣日s i n ( 2 x l o - 3 x 0 8 5 t c ) 4 + 疡卜枷3 2 厅 i l 取c 的值为1 0 0 0 0 p f ，考虑到器件选择的合理性，采用了串联电容来达到其耐 压，并联电容来满足容量。滤波电容取1 0 0 0 0 t f 4 5 0 v 四个串并联组成。直流 输出母线电感作为中间滤波器的电感。 在以上的分析过程中，都没有考虑触发角a 的影响。由j 二输入电压在 3 8 0 1 5 v 变化时，要求整流输出电压为4 3 0 v ，必须验证输入i n 压最小时口能 否满足输出4 3 0 v 。由式( 3 - 1 ) 可得当输入电压为3 8 0 x ( 1 15 ) = 3 2 3 v ，输 b 电压为4 3 0 v 时，d 必须满足： 4 3 0 = 13 5 3 2 3 c o s a 即：a = 95 ”，l i 史两：r f ，完令ir j 以做到_ ：e 最小触发角。 3 2 晶闸管的选择和保护电路设计 两北r 业人擘坝卜论文第二帝可控整流模块设计 3 2 1 晶闸管的选择 晶闸管的选择是保证晶闸管i ：作在其安全工作区内，主要包括额定电压、 额定 乜流。 1 、州管领定电压， 确定晶闸管额定电压时，考虑到晶闸管在恢复阻断时引起的换相过电压， 以及在操作和事故过程中产4 二的各种过电压影响，额定电压必须留有( 2 3 ) 倍 的余量。即 m ，2 ( 2 3 妒。( 3 - 1 7 ) 其中r 。为晶闸管承受的最大正反向峰值电压，在本设计中 吒= 虿3 8 0 ( 1 + 1 5 沙= 6 1 9 5 v ( 3 一1 8 ) 必须选择。( 2 3 ) z ，即p 。m 1 2 0 0 v 的晶闸管。 2 、闸管额定电流， 品闸管额定电流的计算原则是必须使额定电流，大于实际流过晶闸管的 电流平均值i t ( 川。考虑过载系数，通常取l 2 倍。根据式( 3 3 ) 流过晶闸管 的电流与输出电流平均值的关系，粗略假设口= 0 。时，。= 2 5 0 1 ，可得 h 。，= 志殍州s 爿 选取，m ，1 = 2 0 0 a 的晶闸管即可。 奉系统属于低电压系统，可选用普通晶闸管。选取北京天华电气的k p 2 0 0 系列12 0 0 v 普通晶闸管。 3 2 2 晶闸管的保护 r i v 锈 ：使用中，因电路畔，也感的存在而导致换相过程产生三a , d t ，或系 统| 四脱短路、过载等故障，一i 以要做好品闸管的过电压、过电流保护。 3 2 2 1 晶闸管的过电压保护 第三帝o ，挡控流模块垃汁 常见的晶闸管过电压有交流侧过电压和直流侧过电压，对这些过电压的丰 要处理措施如下图“ 交流侧整流主同路d 流侧 b cb 爿为接地电容占为阻容保护c 为器件侧阻容保护 图3 4 晶闸管采用的几种过电压保护 l 、交流侧过电压阻容保护 下图给出阻容保护常用的接线图，其中电阻尺( q ) 、c ( 胪) 用下面关系式近 似计算： ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) 式中 v 整流变压器的阻抗电压，以额定电压的百分数表示，对丁 本设计，v ：= 4 1 0 ； ，。变压器空载电流，以额定电流的百分数表示，对于本设计 ，。= 4 1 0 变压器二：次相电压有效值o ，) s 变压器每棚的甲均视存容量( 删) 。 释保护。二角形联接州，l u 容器n 1 电容量小但酬压要求+ 礼m 容保护星! 联接时，电释器的f u 容带j 要火似i l l i 4 尿要求低、电阻值也j 小。通常增火c 能降 lx w川0形寸弋 r | c _ 堕! ! 三些叁兰些! 堡兰 苎三! ! ：丝鳖堕堡竺坠生 低作用到晶闸管上的过电压l d # d t 和d v d t ，但过大的c 值不仅增大体积，而h a 交流侧的阻容保护星型接法b 交流侧的阻容保护三角形 图3 5 交流侧阻容保护接法 使r 的功耗增大，并使晶闸管导通时的驯矾上升。增大电阻只有利于抑制振荡， 但过大的尺不仅使抑制振荡的作用不大，反而降低了电容抑制l a i d t 的效果， 并使尺的功率增大，所以一般希望尺小一些( 约5 1 0 0 ) 。为降低电阻的温度， 电阻功率应选电阻上可消耗功率值的2 倍左右。电阻r 的功率近似计算为 ( 2 3 x 2 巧- f ) 2 ( c r ) c v 7c 只 = 拈2 2 0 z 5 4 0 v 选取吸收电容为0 3 3 ；“f ，耐压6 3 0 v 的金属化纸介电容c z j d z - 0 3 3 ，6 3 0 v 。 取吸收电阻为1 5 q ，其功率计算为 只= s c ( v , ，) 2 1 0 = 5 0 x 0 3 3 x 5 4 02 1 0 z 4 8 w 选取吸收电阻为管型电阻r x y c 1 5 q 7 5 w 。 3 2 2 2 晶闸管的过电流保护 晶闸管的过电流保护方法有好多种，本设计采用在交流侧进线中串接电抗 器 bc l ji i 一、 | | i 1 i ll i j a 进线电抗器曰电流检测c 快速熔断器 图3 6 晶闸管过流保护 和快速熔断器对晶闸管装置进行过电流保护( 图3 6 ) ；在交流侧加电流传感器 检测过电流信号，然后通过控制模块将触发脉冲封锁，从而抑制过电流。 进线电抗器的设计以卜| 面公式为依掘： ( ! 卜 ( 3 2 7 ) 两北1 1 业人学坝i 论义第二章n l 控整流模块漩汁 和( ! v ： 型：些 。o 6 m 日 2 x3 1 4 x5 0 8 7 晶闸管的过电流保护采用交流侧串接0 6 m h ，2 0 0 a 的电抗器，串接2 0 0 a 的快速熔断器。 3 2 2 3 限制和 乡乞可以依靠进线电抗器来限制，哆么可以依靠加在晶闸管两端的阻容吸 收来限制。 3 3 晶闸管驱动电路的设计 3 3 1 移相控制原理 为了使晶闸管在每一周期都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回 路电源电压必须保持固定的相位关系，把这种关系称为同步。同步信号由两种 类型：锯齿波和余弦波，以两相为例比较二者的特点。 1 、同步信号为锯齿波 由同步变压器次级采样的同步电压，变换为两倍频率的锯齿波，改波形保 持与同步电压相位一致，如图示。根据三角 形 相似原理，有 l f 一 兀孔一a 即a = 玎一旦矿、( 3 2 8 ) v 。 单相可控整流电路中， ) 八八， 义n ” j、。l ， f i 。r 7 = o 9 u ! c o s o ，| ( 3 - 2 9 ) 由式( 32 8 ) 和式( 3 - 2 9 ) 可得： 图37 同步信号为锯齿波的移杆l 原 理 a = c o s - i i v d：f 一三k (9u( ) ：“。 从f i 式i 。i tj 以霸= m i t w “u i l uj 川j 控制r 乜堰之问的关系为小线陀的， 股4 、朵 第二章町控整流模块啦计 用这种同步信号进行移相控制。 2 、同步信号为余弦波 同步信号为余弦波的移相原理如图 订i 。 山“。c o s = 得到 口：c o s - t 堡( 33 1 ) “o 将式( 3 - 3 1 ) 代入式( 3 - 2 9 ) 得： ：0 9 u 2c 。s 盘：0 9 u , _ v c ( 3 3 2 ) “。 从 ：式可以看出输出电压与控制电压之间 的关系为线性的，本设计即采用这种控制 方法。 ) 八a 厂。 3 l f 弋甜 、，、 i uhh 八 i “i 1 印j 3 8 同步信号为余弦波的移相原理 3 3 2 晶闸管驱动信号要求 晶闸管导通的条件是在晶闸管阳极加正向电压期间，给门极施加正的控制 信号。当晶闸管导通后，将不再受门极信号的控制，直到阳极电流小于维持电 流，晶闸管自行关断。晶闸管驱动信号的基本要求是： 1 触发信号只能在门极为正，阴极为负时起作用。为了减小门极的损耗， 触发信号常采用脉冲形式。 2 触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管门极触发 电压和触发电流。因为晶闸管的特性有很大的分散性，且随温度而变化，因此 在设计触发电路时，触发电流通常应大于晶闸管门极触发电流的2 3 倍，触发 电流的i 诃沿应达到门极电流的5 倍以上。保证晶闸管可靠触发。 触发脉冲的移相范围能满足整流要求，在本设计中要求移相范围为 1 2 ( ) 。、 1 触发脉冲的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般麻保证晶闸管阳极电流存 脉冲消日口能达到擎停电流，使品闹管能保持导通状态，这是最小的允许宽度。 股婴求触发脉冲自h 沿陡j 耍人j 1 0 p 7 f 。 ，i 婴! ! ! = 些叁兰堡! ：堡苎 竺三垦型丝鳖堕堡些壁生 5 根据系统设计指标，本设计中驱动信号还必须经过隔离，以保证丰回路 与控制模块电位隔离。 3 3 3 驱动电路设计 本设计中可控整流驱动信号采用移相控制，由控制模块运算移相参数，发 计 晶闸管驱动电路如图3 9 示。 驱动电路输入加一级光耦隔离。减少控制模块与驱动模块之闯的相互干扰。 光耦输出控制m o s f e t 的通断，从而在1 ：1 脉冲隔离变压器两端产生与输入脉 冲同相位的脉冲电压。m o s f e t 选用i r f d 8 4 0 ，足以提供变压器原边电流。d 与z ，组成回授通道，当q 1 关断时，脉冲变压器原边电流不能突变，从丽感应出 电压上f ，当这一电压大于2 4 矿时，d 2 导通向2 4 v 回送电流尖峰，并使脉冲 变压器磁通复位。d 可以防止晶闸管中正反馈屯倒流入脉冲变压器。露，、c l 构 成r c 滤波网路，可以防止触发上的尖峰干扰误导通晶闸管。同时为了保证输 出触发脉冲与输入脉冲信号同步，d 、d ：选择快恢复二极管f r l 0 7 。r ：选用 比较r 很大的值，以保证驱动电压的峰值满足晶闸管驱动要求。本设计中取 r ，= 1 0 f 2 ，r = 1 0 0 q ，c 的值根据试验中驱动信号上的干扰尖峰选择。 x q 诌闸管驱动i l _ l 路原州i 划 第p u 章逆变模块设汁 第四章逆变模块设计 逆变模块是本设计主要的部分，整个脉冲电源的性能都取决于浚模块工作 状态，系统火部分的高频振荡干扰也来源与此。因此在设计逆变模块电路时， 除了要实现商流电压的逆变、隔离放大和整形三部分电气性能以外，还要设计 各种辅助的电路、采用一些特殊：【艺来减小高频振荡，保证这个系统的工作性 能。逆变模块的设计指标如下： 输入指标：主回路输入0 4 3 0 v 直流电压： 输出脉冲指标：电压峰值0 1 0 0 0 v ； 电流峰值1 0 0 a ； 频率5 0 0 2 0 0 0 v 可调： 占空比1 0 8 5 可调： 过流、短路和过热保护； 高频振荡抑制： 负载电流信号检测。 4 1 逆变模块主回路设计 桥式逆变有全桥逆变和半桥逆变两种，与全桥电路相比，半桥逆变电路少 两只功率丌关器件，开关器件承受电压是全桥电路的半，但电流是全桥的两 倍，而且对本设计来说，其逆变输出电压也不能满足要求。考虑本设计的输出 指标以及器件选择的合理性，选择全桥电路拓扑。由于全桥整流模块输出电压 的最小值为4 3 0 v ，所以全桥逆变器输出交流电压峰峰值最小为8 6 0 v 。 隔离放大电路采用变压器实现，负载所需要的能量都经过变压器传递，如 何提高变压器的效率是设计的关键，