（材料加工工程专业论文）新型高压集成一体化逆变电源及其计算机控制应用研究.pdf

中文摘要 论文题目：新型高压集成一体化逆变电源及其计算机控制应用研究 专业：材料加工工程 硕士生：钟桂香( 签名) 塑燃 指导教师： 周好斌( 签名) j 耋娶蟑 摘要 近几年来，我国在环境治理方面力度不断加大，从而电除尘器的应用也越来越广泛。 但是，常规的除尘器用高压电源体积庞大，移动不便，电源输出特性和除尘效率不够理 想。因此，减小高压电源装置的体积与重量，提高电源对各种外特性的控制功能，提高 工作效率就显得尤为重要。新一代功率电子器件如i g b t m o s f e t 等的应用以及高频逆 变技术的日益成熟，使得设计一种能满足上述要求的高压逆变电源变为可能。 本文在此前提上设计了一台电除尘器用智能高压逆变直流电源。该电源应用全桥逆 变技术，以i g b t 为主功率器件，s k h l 2 2 a h 4 为驱动电路，u c 3 8 7 5 为移相p w m 控制 芯片，采用以单片机为主控芯片的计算机控制。该电源将传统电源的低压、高压和控制 系统集成为整体，电源输出可为纯直流和脉冲两种形式，外特性可以是恒压、恒流和缓 降三种形式。同时设计了以p c 机为上位机，以单片机8 0 c 5 5 2 为下位机，以r s - 4 8 5 为 总线标准的集散控制系统。该系统通过上位机对多台下位机进行实时监控和远程控制， 并由各台下位机实施数据采集及现场控制。 实验表明该电源在使用效果、输出电特性的可控性、重量、体积、节约成本及操作 安全等方面都比传统电源有明显的优势。参数和工作状态可分别通过现场和中控室来调 节。 关键词：电除尘器高压逆变电源移相控制集散控制系统 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo nt h en e wh i g h - v o l t a g ei n t e g r a t e di n c o r p o r a t i o ni n v e r t e rp o w e r s u p p l ya n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rc o n t r o l s p e c i a l i t y ： m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：z h o n gg u i x i a n g ( s i g n a t u r e ) 幽筮氇呀 i n s t r u c t o r ：z h o uh a o b i n ( s i g n a t u r e ) ；五掣z 。幺口z 厶二 a b s i 。r a c t i nt h el a s tf e wy e a r s ，t h es t r e n g t ho nt h ea s p e c to fm a n a g e m e n ti nt h ee n v i r o n m e n ti s e n l a r g e di no u rc o u n t r y t h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o ra l s o 拶u s e dm o r ea n dm o r e b u tt h e v o l u m eo ft h et r a d i t i o n a lh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yf o rt h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o ri ss ob i g t h a tt h em o v i n gb e c o m e si n c o n v e n i e n c e i na d d i t i o n t o ，t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e e f f i c i e n c ya r ea l s on o ti d e a l t h e r e f o r e ，t or e d u c et h ev o l u m ea n dt h ew e i g h t ，t or a i s et h e p r e c i p i t a t i o ri sd e s i g n e d t h ep o w e ra p p l i e st h ef u l l b r i d g ec o n v e r t i n gt e c h n i q u ea n dt a k e s i g b ta st h em a i np o w e rm a c h i n ep i e c e ，s k h l 2 2 a h 4a st h ed r i v ec i r c u i t ，u c 3 8 7 5a st h e p h a s e s h i f t i n gc o n t r o lc h i pf o rt h ep w m ，s i n g l ec h i pa st h em a i nc o n t r o lc h i p t h i sp o w e r i n t e g r a t e st h el o wv o l t a g ep a r t ，t h eh i g hv o l t a g ep a r ta n dt h ec o n t r o ls y s t e m so ft h et r a d i t i o n a l o n ew i t haw h o l e t h eo u t p u tc a nb et w of o r m s ：p u r ed i r e c tc u r r e n ta n dp u l s e t h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i cc a nb e h , r e ef o r m s ：c o n s t a n tc u r r e n t c o n s t a n tv o l t a g ea n ds l o w d e s c e n d w ea l s o d e s i g n e dt h ed c s t h a tt a k e sp ca st h em a i nc o n t r o lu n i t ，t h e8 0 c 5 5 2a st h ef i e l dc o n t r o lu n i t ， r s 一4 8 5a st o t a ll i n es t a n d a r d t h ed c sc a r r i e so nt h es u r v e i l l a n c ea n dr e m o t ec o n t r o l l i n gt o s i n g l ec h i p sb yp ca n dt h e s es i n g l ec h i p s c a r r yo nt h ec o l l e c t i n gd a t a sa n d c e n t r a l i z e d m a n a g e m e n t t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ep o w e rs u p p l yh a sm o r eo b v i o u sa d v a n t a g e so nt h e a s p e c t s o ft h e u s i n gr e s u l t ，t h eo u t p u tc o n t r o l l i n g ，w e i g h t ，v o l u m e ，e c o n o m i z ec o s t ，t h e o p e r a t i o ns a f e t ye t ct h a nt r a d i t i o n a lo n e t h ep 耻a m e t e r sa n dt h ea p p e a r a n c eo fw o r kc a nb e r e g u l a t e da tt h es p o t so rc o n t r o l l i n go f f i c ef a ra w a y k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o r , h i g h v o l t a g ei n v e r t e rp o w e rs u p p l y , p h a s e - s h i f t c o n t r o l ，d c s t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：燃叠日期： 学位论文使用授权的说明 眄。墨5 - 、 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公 开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期 晤、6 1 5 r 期：迎至：篁：届 一姒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 静电除尘技术及其电源的发展 1 1 1 静电除尘技术概述 静电吸引现象形成了现代静电除尘技术的理论基础。静电除尘器是利用静电作用的 原理捕集粉尘的设备。它的原理主要是在高压电场中使气体电离，进入电场中的粉尘得 以荷电，并在电场库仑力的作用下荷电粉尘趋向收尘极，从而达到收尘的目的。由于静 电除尘技术能量是直接作用在粉尘上，故能耗很低，而其他除尘技术能量是间接作用在 粉尘上的，因此能耗较高。并且电除尘器除了缓慢转动的振打部件外，没有其他运动的 部件，维护的工作量小，运行费用低，所以，在各种除尘技术中具有显著的优越性。特 别是在能源日益紧张的今天，电除尘器是理想高效的节能环保产品1 1 】。 最近十几年来，随着工业水平的不断提高，促使了静电除尘技术的发展。我国电除 尘技术的发展速度是飞速的。从原国务院环办在冶金都安全环保研究院建设第一个电除 尘试验后，西安热工研究所，能源部电力环保所，西安重型机械研究所也都陆续建立起 了电除尘实验装置。十多个大型电除尘器场也装备了自己的实验装置。北京大学等多个 大专院校及科研院所开展了电除尘器的实验工作。在电场理论、空间电荷行为、粒子荷 电、电流体力学、烟尘运动、粉尘沉降、反电晕现象、烟气调质、数学模型、宽间距技 术、脉冲供电、高频电源、微机控制电源等方面均取得了可喜的进展。好些技术，如宽 间距电除尘技术、烟气调质技术、线板配置的研究、脉冲供电及常规供电技术、微机控 制高、低电源系统和电除尘电能管理系统均达到了当代世界水平。但是，从整体上来说 我国的电除尘技术和国外的先进水平相比，无论是从供电电源装置、控制技术，检测技 术，还是从加工工艺水平还都有待进一步提高。 总之对我国电除尘技术的发展总体评价可以归纳为：起步晚、发展快、潜力大。 在各种除尘技术中，电除尘技术的基本理论显示出的优越性，无疑是一枝独秀。但 是从全球环境热潮中，各国对大气污染控制水平的不断提高，使得电除尘技术面临着严 重的考验。目前，在世界范围内电除尘技术的发展存在着许多亟待解决的问题。 ( 1 ) 理论落后于应用实践收尘过程是一个十分复杂的物理过程，该过程在三维空 间中同时相互作用，涉及诸多的科学领域，如应用物理、化学、电学、机械、电子学、 流体力学等等。还有许多基础的东西尚未被人了解。目前或仅就单一因素或假设简化的 条件尚未能阐明集尘的全部过程。 ( 2 ) 结构形式还不理想电除尘器虽有管式和板式、立式和卧式、侧打和顶打之 分，且内脏的板线有多种选择匹配，但从本质根本上说，多年无根本的进展。国内近年 来研究过的房式、横向极板、六角通道、移动电极、透镜电极等尚未被推广使用。 西安石油大学硕十学位论文 ( 3 ) 供电电源仍需改善传统的供电电源根据输出功率的大小，常采用变压器直 接升压整流的方式。工业上除尘用静电高压通常需要5 0 k v1 0 0 k v 的直流高压，电流一 般较小，约为5 0 3 0 0 m a 左右。变压器直接升压方式可以利用变压器原边绕组和副边绕 组变比来达到升压目的。但由于很多场合直接采用5 0 h z 工频电压来升压，使得变压器 的体积较大高压绝缘技术要求较高，用于工业现场，高压尚须有短路保护措施，并常需 要在输出高压方串联电抗器件，以限制短路电流的变化率，效率低下。 1 1 2 静电除尘用供电电源的发展 电除尘器使用的常规高压供电装置，一般都是由控制系统、变压器和整流器( r i 讯) 装置组成，采用工频( 5 0 h z 6 0 h z ) 交流电源。电除尘器t r 装置的发展经历了以下几 个阶段： 第一阶段：1 9 0 7 年，e g c o t t r e l l 博士成功的创立了世界上第一台工业电除尘器，采 用了当时新研制的交流变压器和同步机械整流器作为电除尘器的高压电源。其缺点是机 械磨损快、电压损失大、整流效率低、电压不能自动调节，并伴随着很大的噪声、产生 臭氧和电磁干扰。 第二阶段：1 9 5 0 年后，电除尘器的高压电源采用了电子管高压整流器。这种整流器 无旋转的机械部件，无噪声和间隙火花存在，整流效率较高，但其机械性能差、灯照损 耗大、寿命短、耐过压过流冲击能力差。在国内的电除尘界并未普遍使用过。 第三阶段：采用硒整流器，它除了具有电子管整流器的优点外，最显著的特点就是 过载能力强，冲击后能自然恢复，机械性能较好，但其缺点是体积庞大、笨重、效率也 不理想。 第四阶段：1 9 5 8 年硅整流器的出现，很快就几乎全部取代了硒整流器。它使电除尘 器的高压供电装置进入了一个崭新的阶段。因为它体积小、整流效率高、寿命长、机械 性能好，在电除尘器上获得了广泛的应用。 当今阶段：有效的电除尘主要取决于高压供电装置的供电质量、控制性能和供电方 式。因为电除尘器处理烟气的工况和粉尘等条件不断变化，差别很大，故要求电除尘器 供电装置必须具备良好的控制性能，以获得高的除尘效率。磁饱和电抗器的问世，使电 除尘器高压供电装置开始向自动控制方向发展，它结构简单，使用维护方便，但反应速 度慢。随着1 9 6 5 年大功率s c r ( 硅可控整流器) 的出现，电除尘器供电装置广泛采用 带线性电抗器作为主电源控制用的大功率s c r 。现代电除尘器高压供电装置示意图如图 1 1 所示。它普遍采用了高压硅整流器，输出电压一般为全波，亦可为半波，视应用 场合而定，通常是负高压输出。设备通常的额定输出电压为6 0 7 0 k v ，额定输出电流 为1 0 2 0 0 0 m a 。为了对除尘器的瞬时火花干扰实现必要的调整和快速的控制，设有多 路的反馈回路。线性电抗器被作为一个重要的部件用于各种火花下获得良好的电流波 第一章绪论 形和稳定的运行。采用s c r 作为调压元件，应答速度快。现代电除尘器高压供电装 置使用线性电抗器和s c r ，采用了现代电子技术和自动控制技术，使得其根据需要具 有各种各样的控制特性成为了可能。 可控硅控制 图卜1现代电除尘器高压供电装置示意图 上述的电除尘器的常规高压直流电源的控制电路是由模拟电路实现的，其缺点是 控制特性转换不够灵活，控制线路复杂，可靠性低。同时常规的高压电源体积庞大， 装置笨重，应用过程中会出现无法放置，移动困难，压断卸料小车大梁等现象。因此， 体积笨重，控制特性不灵活及控制线路复杂成为当今除尘器电源的主要缺点1 2 j 。 发展趋势：随着电力电子技术的发展，新一代功率电子器件，如m o s e f t ，i g b t 等的应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路，广泛应用于直流 一直流变换，直流一交流逆变等场合。这种电源的显著优点是使用户系统总体体积减 小，重量减轻，效率提高。所以采用逆变技术的电源在最近几年来得到了飞速的发展。 逆变电路又分为硬开关型逆变主电路和软开关型逆变主电路。所谓硬开关是指在较高电 压和较大电流状态下进行“开”或“关”。应用硬开关逆变技术时，其功率器件工作在被 迫关断( 电流不为零) 或强迫导通( 电压不为零) ，由于电路存在寄生电容和寄生电感， 导通和关断时又是工作电流、电压值不为零甚至较大值的状态，所以开关损耗大，此损 耗随着频率增加正比增加，这一损耗不仅大大的降低了电路的效率甚至是电路工作不能 正常。软开关则是指在零电压零电流状态下进行“开”或“关”。应用软开关技术可以降 低开关器件的功耗，减少电磁干扰。同时采用软开关技术的逆变电源较采用硬开关技术 的电源体积更小、效率更高、噪声更小、成本更低、还可以进一步把逆变频率提高到5 0 k h z 以上。因此，软开关技术在逆变电源中的应用是未来逆变电源发展方向之一。 p w m 控制技术发展与应用解决了8 0 年代以前的强迫换流型非自关断大功率电力电 子器件的工作频率低、能耗大、装置笨重、电路复杂、噪声大、功率因数恶化的弊病， 把这一技术应用到高压电源装置中，采用新一代电力电子器件作为功率调节器件，不仅 西安石油大学硕士学位论文 实现了电源装置的小型化、轻量化、省去了传统电源的电抗器，提高了高压电源装置的 实际性能，更重要的是它有利于实现微机控制逆变电源。 计算机技术及其通信技术的发展促进各个学科的发展和进步，微机的应用已普及 到每一个角落。应用微机控制技术控制逆变电源可以使逆变电源向着多功能化及智能 化、数字化的方向发展，从而性能进一步提高。采用单片机控制的逆变电源产品正在 逐步地呈现在广大用户面前。因此，微机控制技术在逆变电源中的应用也是未来逆变 电源的发展方向之一。 综上所述，将逆变技术和微机技术结合应用到高压逆变电源领域是今后逆变电源的 发展方向，用软开关技术代替传统的硬开关技术也将成为逆变电源发展的一个重要趋势。 1 2 应用逆变电源为静电除尘器供电的意义 目前电除尘器用高压电源主要有两种类型的产品，一种为常规电源，它是把工频市 电直接经变压器升压至5 1 0 万伏，再经整流后输出，因此，它的输出波形时脉动的。 另一种为高频逆变式电源，它的基本原理是首先把工频市电变换成直流，再经高频振荡、 升压整流等环节，使电压达到1 0 2 0 万伏后输出，这种新型电源的主要特点是电压平稳。 将两种电源应用于同一除尘电场可以看出两电源存在如下差异： ( 1 ) 在电场没有击穿时，它们电晕电流的波形和输入电压的波形是相似的，也就 是说，逆变电源的电晕电流是稳定的，而常规电源的电晕电流是脉动的，且脉动的峰值 为平均值的2 3 倍。 ( 2 ) 在配接逆变电源的系统中，其电晕电压、电流可同时达到极限值，而在配接 常规电源的系统中，只可能脉动电压和电流的峰值达到极限值，而平均电压和电流则远 低于极限值。 ( 3 ) 在电源的平均输出电压较低时，配接常规电源的系统较配接逆变电源的系统 可以取得更大的电晕电流和电晕功率，但不能工作在较高的工作电压下。而在配接逆变 电源的系统中，它不仅可以在高压区正常工作，而且能取得更大的电晕电流和电晕功率， 约为常规电源最大平均电晕电流的2 倍、电晕功率的5 倍。 通过输出特性的差别分析我们可以得知应用中逆变电源为电除尘器供电较常规电 源的优势如下： ( 1 ) 对于一个具体的电除尘器电场，由于能够处理的风量、除尘效率等指标均与 输入电场的电晕相关。因此在同一电场上采用逆变电源较采用常规电源可以输入更大的 电晕功率，因而就可以取得更高的收尘效率或处理更大的风量。当要求的处理风量及除 尘效率确定后，就可以在一定程度上减小除尘器的体积，降低造价。 ( 2 ) 由于两种电源输出波形上的差异，逆变电源在处理比电阻较高的粉尘时具有 更大的优势。电除尘器的工作电流必须经过沉淀在极板上的粉尘层形成回路，这样必然 4 第一章绪论 在粉尘层内部形成一定的电压降，在粉尘的比电阻较大时电压降更为明显。当粉尘的压 降或层内的电场强度达到该粉尘的介电强度时，在粉尘层内就会发生电击穿，也就是反 电晕现象。当除尘器配接常规电源时，脉动的电晕电流引起粉尘层内部电场强度的波动， 当波动峰值达到粉尘的介电强度时，反电晕就不可避免地发生了，从而引起除尘效率的 下降。而在配接逆变电源时，由于其电晕电流是稳定的，就不存在粉尘层内因场强脉动 而发生的反电晕现象。 ( 3 ) 采用逆变电源其各种保护动作的反应速度快，可以为电源本身和电除尘器提供 有效的保护。逆变电源的工作频率较高一般在几千赫兹( k h z ) 到几十千赫兹，因而这种 电路的保护动作可以在几十到几百微秒( u s ) 时间内完成。而常规电源一般由可控硅、 磁放大器或交流接触器束实现对电源的控制，而这些器件的动作速度相对来说是极慢的， 可控硅导通后必须在自然换相时才能关断，这个过程一般要几毫秒( m s ) 以上，而磁放 大器或交流接触器一般需要几十或几百毫秒才能完成一个动作。设备一旦出现故障，经 过这段时间的延时可能早已造成了不可挽回的损失p j 。 但是较常规电源来讲，逆变电源也存在着不足之处，主要是由于常规电源已有几十 年的发展历史，已形成较完整的系列。而高频逆变电源，由于发展时问短，系列尚不完 全，特别是在输出功率与系统的自动控制方面同常规电源相比还有较大的距离，有待进 一步的完善。 1 3 目前国内外静电除尘用逆变电源的发展现状 近年来随着电力电子技术的发展，国外已开始研究利用逆变技术研制新型集成一 体化逆变直流高压电源( h vs m p s ) 以替代传统电源( t r ) ，并已获得商业应用，效果 非常理想。所研制的新型电源无论是在除尘使用效果上、输出电特性的可控性上，还是 在重量、体积和节约成本上都比传统结构的电源有明显的优势，例如采用新型电源可以 对以前传统电源难以回收的比电阻较低的粉尘进行回收，除尘效果提高8 0 9 0 ；新型 电源的输出特性的动态响应速度可达微秒级，而传统电源只有毫秒级；新型电源可将高 压、低压和控制部分集合成一个整体，常用的输出电压为7 0 k v ，电流为8 0 0 m a 的电源总 重量不到2 0 0 k g ，而同等功率的传统电源仅高压变压器就达2 0 0 0 k g ，还不算庞大的低压 供电系统和控制系统。由于新型电源具有明显的优点，国外一些发达国家( 尤以北欧为 最) 都投入了大量的人力物力进行新电源的技术研究，2 0 0 1 年5 月在美国举办最新一届 ( 第八届) 国际电除尘学术会议上有关设备供电的论文共9 篇，其中有4 篇都是关于新 型开关电源的研究内容。相关论文除了各自介绍自己的最新研究成果之外，都一致认为 新型电源在许多方面比传统电源有优点，有关公司还介绍了他们最新研制的产品在世界 各地的应用情况和所达到的效果1 4 j 。 我国虽然在这方面起步较晚，但近些年来由于国家和各级政府部门对环境保护问 西安石油大学硕士学位论文 题己高度重视，我国的电除尘事业亦有了较大的发展，一批生产电除尘设备的新企业 诞生了，一些国有企业也转产到这一行业，一些厂商还引进了国外先进技术，总之电 除尘行业在我国发展已初具规模。但据我们初步调研结果，由于种种原因目前我国电 除尘设备所用电源系统还是采用传统电源结构模式，即低压配电系统采用可控硅 ( s c r ) 调压进行规范控制，高压系统还是采用5 0 h z 高压变压器，虽然一些厂家在 电源系统各部件上作了一些革新和改进工作，但因传统电源在理论和结构上与新型电 源相比存在缺陷，因此最终的发展结果将是传统电源被新型电源所替代。 1 4 本文的目的意义以及要实现的目标 1 4 1 本文的研究目的及意义 本项目的研究将依据我国电除尘技术的发展现状，借鉴国外最新研究结果和经验， 采用现代电力电子技术和计算机技术最新发展成果，结合本人对焊接逆变电源的研究 经验，研制一套替代传统电源的新型高压逆变直流电源。所研制的电源将传统电源的 控制系统、低压系统和高压系统集成为一个整体，电源输出为纯直流和脉冲两种形式， 外特性可以是恒压、恒流和缓降三种形式，电源参数调节和工作状态控制可分别实现现 场近控和中控室计算机远程控制。 1 4 2 本文设计的目标 本次设计的高压逆变直流电源主要技术指标如下： 输出容量：7 0 k v ，4 0 0 m a 输入电压：三相3 8 0 v 输入频率：5 0 6 0 h z 开关频率：2 0 k h z 本项目的技术创新点主要有以下几点： ( 1 ) 所研制的新型电源将高压、低压和控制部分做成一体化； ( 2 ) 采用逆变技术将电源的重量和体积大大降低，除尘效果大为提高； ( 3 ) 解决大功率高频高压变压器中的寄生电容和噪声问题； ( 4 ) 解决大功率除尘电源的输出电流过载及主要半导体器件保护问题； ( 5 ) 电源具有多种类型的输出外特性，有合适的输出动特性，且输出规范有较强的 可控性。 本课题来源于工程实际需求，旨在成功研制出一套替代传统电源的电除尘用新型智 能高压逆变直流电源样机，经实践验证后会大批量的投入生产使用。 课题名称为“新型高压集成一体化逆变电源及其计算机控制应用研究”。 第一章绪论 i 5 本章小结 ( 1 ) 本章分析了静电除尘的原理，以及静电除尘方面目前存在的问题。通过对传统 电源与逆变电源作为除尘嚣高压供电装置时性能优劣的比较，提出了设计电除尘器用智 能高压逆变电源的必要性。 ( 2 ) 分析了目前国内外在该方面达到的技术水平，为进一步的设计提供了现实基础， 并依此提出了该项目所要达到的设计目标。 西安石油大学硕士学位论文 第二章智能高压逆变直流电源主电路的设计 2 1 电源总体方案设计 本文对该逆变直流电源总体设计如图2 1 所示。电源由两部分组成，即主电路及控 制电路。主电路部分完成功率的转换和传输，是逆变电源的重要组成部分，它主要包括： 配电开关，工频整流器，工频滤波器，斩波器，i g b t 桥式逆变器，高频高压变压器， 高频高压整流硅堆等几部分。控制电路的作用是对逆变主电路进行控制，实现电源外特 性输出控制，工艺参数调节，工作过程控制以及其他功能，如保护、参数预置与显示等。 它主要包括：电流，电压，火花率采样及其处理单元，p w m 信号产生和驱动电路，单 片机控制器，参数输入旋钮及电流电压显示及通讯接口等部分忙“。 主 电 路 l 一 图2 1电源总体结构示意图 2 2 电路拓扑结构的选择 逆变电源的主电路结构设计将决定逆变电源的开关强度、损耗的大小、电磁干扰强 度、控制方法及可控性能，同时也制约了开关器件的种类。常见的主电路拓扑结构有： 全桥硬开关p w m 电路、全桥串联谐振电路、移相式全桥p w m 控制电路。其工作原理 分析见资料【5 】，下面分别介绍其特点并选取合适的电路结构。 ( 1 ) 全桥硬开关p w m 电路 这种电路的优点是： 恒频脉宽调制控制，可控性好，只要在脉宽调制电路中加入电压负反馈就能获 得恒压特性：加入电流截止负反馈就能构成过电流保护，而加入电流负反馈就能获得恒 流特性。 第二章智能高压逆变直流电源主电路的设计 每对功率开关管总是同时导通和同时关断的，只要在v t i 、v t 2 导通与v t 3 、 v t 4 导通之间设置必要的死区来防止v t l 与v t 3 或v t 2 与v t 4 发生共态导通，电路就 能正常工作。 现今市场上可以买到各种p w m 控制器件，如常用的s g 3 5 2 5 ，t l 4 9 4 等。只要 设置必要的反馈控制环节，就可获得所需特性的逆变控制电源。 这种电路的缺点是： 开关器件在开关过程中，将承受很大的d i d t 强度及较高的开关损耗。 开关时很大的d i d t 、d v d t 会产生电磁干扰。 不能用晶闸管做开关器件，只能用g t r 、m o s e f t 、i g b t 等作开关器件。 ( 2 ) 全桥串联谐振电路 这种电路的优点是： 可显著降低开关强度、开关损耗及电磁干扰。 在一定频率下采用大功率低成本晶闸管作为开关器件。 这种电路的缺点是： 晶闸管的开关时间，特别是关断时问t 。难以做到1 0 s 以下，这限制了这类逆变 器电路的开关频率只能在5 珏i z 以下。 只能采用频率调制的方法。这不仅使电路元件，特别是感性元件难以优化设计， 而且因电路本身的工作特性与负载有关，使得电源的控制比较困难。 主电路的设计制造技术要求苛刻，成本难以降低。 ( 3 ) 移相式全桥p w m 控制电路 这种电路的优点是： 利用电路中的寄生元件即变压器漏感和开关器件结电容之间的谐振来实现开关 器件的零电压开通，般不需要附加电感电容元件，因此，电路元件数量少，结构简单。 开关器件电流应力和电压应力与硬开关p w m 变换器样。 所有开关器件都是零电压开通。 这种电路的主要缺点是：零电压开通条件受负载电流影响，轻载时难以满足。 综合以上各种电路的优缺点本次设计选用了移相式全桥p w m 控制电路为该逆变电 源的主电路i “。 2 。3 开关频率的确定 逆变频率的选择对电源的大小和特性都有很大的影响，是设计逆变电源的关键参数。 从理论上来讲逆变频率越高越好，这样可以减小电源的体积减轻电源的重量以适应小型 化的要求，但是逆变频率对开关器件的开关损耗、主变压器以及噪声干扰等都有很大的 影响，因此要对其进行综合考虑。 9 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 对开关器件的影响 对逆变电源来说，i g b t 工作在开关状态，其工作损耗可以用下式来表示： p = p r + p o n + p f + p o ( 2 1 ) 式中，p 为在一个周期内i g b t 总的功率损耗，p r 为开通损耗，p 。为导通损耗，p f 为关断损耗，p 0 仟为截止损耗。从上式可以看出，除了导通和截止外i g b t 在“开”和“关” 的过程中还有“开通”和“截止”损耗。逆变频率越高则其在开通和关断过程中的损耗 就越大，从这一方面来考虑则要求逆变频率不能太高。 ( 2 ) 对主变压器的影响 变压器的设计有下列公式确定： u = 4 4 4 s b n f * 1 0 4 ( 2 2 ) 式中，u 为输入电压，s 为变压器的磁芯截面积，b 为磁感应强度，n 为变压器的 绕组匝数，为逆变频率。 当输入电压u 一定，磁芯材料确定后b 也一定，提高逆变频率- 厂可以使主变压器的 体积大大减小，重量减轻，从这一方面来考虑则要求逆变频率越高越好1 8 】。 此外，逆变频率的提高可以提高电源的动态响应速度和控制精度，改善电源的动特 性，同时逆变频率的选择对工作环境也会产生影响。综合以上各种因素，结合国内外的 研究水平和使用情况，本系统选取目前该类电源常用的开关频率，即2 0 k h z 。 2 4 电源主电路的设计 本文对电源逆变主电路设计图2 2 所示。由图可知逆变主电路的工作原理如下：输 入为三相3 8 0 v 工频交流电，通过整流滤波后转换为5 0 0 v 直流电，经过斩波器调节输出 为0 。5 0 0 v ，然后通过控制功率器件i g b t 的导通和关断转换为高频( 本设计为2 0 k h z ) 的方波交流电，之后通过高频变压器升压，整流桥整流得到所需的高压直流电。对于逆 变主电路的设计不仅要选择合适的电路拓扑结构，对所用元器件的正确选用及参数的准 确设计也是十分重要的垆n ”。 图2 2 逆变电源主电路原理图 1 0 第二章智能高压逆变直流电源主电路的设计 2 4 1 功率开关管的选择 a 功率开关管类型的选取逆变器的核心器件是电力电子开关器件。利用晶闸 管，g t r ，g t o 等电力电子器件作为逆变器的逆变开关器件都有成熟的产品。但随着绝 缘栅双极晶体管i g b t ( i s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 开关技术的发展，目前，绝大部 分的逆变器都采用i g b t 作为开关器件。逆变电源对功率开关管有如下的要求： ( 1 ) 耐电压值高。 ( 2 ) 开关速度快，开关损耗低。 ( 3 ) 动态特性d i d t 、d v d t 耐量要高。 ( 4 ) 耐冲击电流大，可靠工作范围大。 ( 5 ) 热稳定性好。 表2 一l 列出了g t r 、m o s e f t 、i g b t 的各种特性。由表可知：g t r 的开关速度低， 对d i d t 有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在着二次击穿问题：功率 m o s e f t 有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小型和轻 型设备中；i g b t 将m o s f e t 和g t r 的优点集于一身，既具有输入阻抗高，速度快，热 稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低，耐压性高的优点，因此发展很快。 目前，i g b t 的电流和电压等级已达1 8 0 0 a 1 0 0 、，关断时间已缩短至4 0 n s 。这些优越 的性能使得i g b t 成为大功率开关电源，逆变器等电力电子装置的理想功率器件。故而 本次设计采用i g b t 作为主电路主控功率开关器件【i “。 表2 - 1 i g b t 与g t r 、m o s e f t 的特性比较 器件名称g t rm o s e f ti g b t 最大开关速度 5 0 k2 0 m5 0 k 安全工作区小大大 额定电流密度 2 0 3 0 a5 一l o a5 0 1 0 0 a 驱动功率大小小 驱动方式电流电压电压 高压化易难 易 大电流化 易难易 高速化难极易易 饱和压降极低高低 并联使用较易易 易 d v d t中等 高高 一 d i d t中等 局高 最高工作结温 1 5 0 。2 0 0 。2 0 0 。 西安石油人学硕士学位论文 b 对i g b t 型号的选取选择合适的i g b t 型号是电源稳定工作的保证。对i g b t 的型号选取应从以下两方面考虑： ( 1 ) 高压开关管i g b t 的耐压值 三相3 8 0 v 交流电经整流滤波后得到近似5 0 0 v 的直流电，当一个开关管截止时，整 流后的全部输出电压全部都加到了另个开关管的集一射极之间，因此开关管的耐压值 v c e o 必须大于整流电路的输出电压u 。考虑到开关瞬间其他因素的影响，开关管集射 极间的电压u 按u 2 u 选取。 在本课题中输出电压u ：最大为5 0 0 v ，故u 1 0 0 0 v 故而我们选取耐压值为大于 1 0 0 0 v 的i g b t 管。 ( 2 ) 高压开关管i g b t 的集电极电流 本文我们设计的最大输出电压为7 0 k v ，根据全桥逆变结构的工作状态，高频变压器 的一、二次绕组的变比为： n ：坐：旦：! 塑：o 肿7 1( 2 3 ) 所以 1 1 一1 2 4 0 0 m a ：5 6 3 4 a n 0 0 0 7 l 考虑到尖蜂电流，故本次设计选用i g b t c i g b t 应用过程中应注意的问题 题，即驱动和保护，下面作以分别介绍： ( 1 ) i g b t 的驱动 ( 2 4 ) s k m 5 0 0 g a l 2 3 d 5 0 0 a 1 2 0 0 v 。 在i g b t 的工作过程中主要应注意两个问 栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。在i g b t 开通时，前沿很陡的栅 极电压加到其栅极g 与发射极e 之间，使i g b t 快速丌通，达到开通时间最短减小_ 丌通 损耗的效果。在i g b t 关断时，其栅极驱动电路要提供给i g b t 一个下降沿很陡的关断 电压，并给i g b t 的栅极g 与发射极e 施加一个适当的反向负偏电压，以使i g b t 快速 关断，缩短关断时间，减小关断损耗。 在i g b t 导通后，栅极驱动电路提供给i g b t 的驱动电压和电流要有足够的幅度。 该幅度应能维持i g b t 的功率输出极总是处于饱和状态，当i g b t 瞬时过载时，栅极驱 动电路提供的驱动功率要足以保证i g b t 不退出饱和区而损坏。 栅极驱动电路提供给i g b t 的正向驱动电压+ v g e 增加时，i g b t 输出极晶体管的 导通压降v c e 和开通损耗值将下降，但这并不是说+ v g e 值越高越好。其原因在于，在负 载短路过程当中，i g b t 的集电极电流也随着+ v g e 的增加而增加，并使i g b t 承受短路 损坏的脉宽变窄，如 v g e 2 0 v ( 即使是浪涌电压) ，也会引起i g b t 的损坏。因此在实际 应用中，i g b t 的栅极驱动电路提供给i g b t 的正向驱动电压+ v g e 要取合适的值。特别 是在具有短路工作过程的设备中使用i g b t 时，其正向驱动电压+ v g e 更应选择其所需的 第二章智能高压逆变直流电源主电路的设计 最小值。现己证明开关应用的i g b t 的栅极电压以+ 1 5 1 0 v 为最佳。 i g b t 在关断过程中，栅一射极施加的反偏压有利于i g b t 的快速关断，但反向负 偏压一v g e 受i g b t 栅一射极之间反向最大耐压的限制，过大的反向电压亦会造成i g b t 栅 一射极的反向击穿，所以一v g e 也应取合适的值。( 此值一般为一2 一1 0 v ) 。 虽说i g b t 的快速开通和关断有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但过快的开 通和关断，在大电感负载情况下，反而是有害的。其原因在于大电感负载随着i g b t 的 超速开通和关断，将在电路中产生高频幅值很高而宽度很窄的尖峰电压l d i d t ，该尖峰 电压应用常规的过电压吸收电路是吸收不掉的，因而有可能造成i g b t 自身或电路中其 它元器件因过电压击穿而损坏，所以在大电感负载情况下，i g b t 的开关时间也不能过 分短，其值应根据电路中所有元件耐受d v d t 的能力和i g b t 自身的d v d t 吸收电路性能 综合考虑。 由于i g b t 内寄生晶体管，寄生电容的存在，使栅极驱动与i g b t 损坏时的脉宽 有密切的关系。同时栅极信号受流过i g b t 输出极晶体管集电极电流的影响，这就要求 在设计驱动电路时合理的处理这些关系。 由于i g b t 在电力电子设备中多应用于高压场合，所以驱动电路与整个控制电路 在电位上严格隔离。 i g b t 的栅极驱动电路应尽可能的简单，实用，最好自身带有对被驱动的i g b t 的完整保护能力，并且有很强的抗干扰性能，且输出阻抗应尽可能的低。 栅极驱动电路与i g b t 之间的配线，由于栅极信号的高频变化很容易相互干扰， 为防止同一个系统中多个i g b t 的某个误导通，因此要求栅极配线走向应与主电流线尽 可能远，且不要将多个i g b t 的栅极驱动线捆扎在一起。同时栅极驱动电路到i g b t 模 块栅一射极的引线应尽可能的短，引线应采用绞线或同轴电缆屏蔽线，并从栅极直接接到 被驱动i g b t 栅一射极，最好采用焊接方法。 在同一电力电子设备中，使用多个不等电位的i g b t 时，为了解决电位隔离的问 题，应使用光隔离器。光隔离器一定要使用高速且抗噪声性能强的产品。 栅极串联电阻对i g b t 的开通和关断过程及驱动波形的影响。 在正常状态下，i g b t 开通速度越快，开通损耗也越小。但在开通过程中，如存在 续流二极管的反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通速度越快，i g b t 承受的 峰值电流也越大，甚至急剧的上升，导致i g b t 和续流二极管的损坏。此时应有目的降 低栅极驱动脉冲的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，控制该电流的峰值。其代价 是要付出较大的开通损耗。利用此技术，开通过程中的峰值电流可以通过改变栅极串联 电阻控制在任意要求的值。由以上分析可见，串联电阻对i g b t 的开通过程影响较大。 栅极串联电阻的阻值应根据电路的情况折衷考虑，选择合适的值。 ( 2 ) i g b t 的保护 在电力电子设备中应用i g b t 时保护措施通常有以下三种：利用过电流信号的检 西安石油大学硕士学位论文 测来切断栅极控制信号：利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的d v d t 币f j 用温度传感 器检测壳温控制主电路跳闸，以实现过热保护。 过电流保护：i g b t 的过电流保护电路可分为两种类型，一种是低倍( 1 2 1 5 倍) 的过载电流保护；另一种是高倍数( 不加保护时可达到8 1 0 倍) 的短路电流保护。 对于过载保护，由于不必快速响应，可采用集中式的保护，即检测输入端或直流环节的 总电流，当此电流超过设定值时，比较器翻转，封锁装置中所有i g b t 驱动器的输入脉 冲，使装置的输出电流降为零。这种集中式的保护具有保护的彻底性，一旦保护动作后， 需要通过复位才能恢复正常工作。i g b t 的过电流保护还可以采用集一射极电压识别法， 因为i g b t 的通态饱和压降v c e 与集电极电流i c 呈现性关系所以i g b t 的过电流保护也 可以采用集电极电压检测的方法来实现，即利用测量v c e 的大小来判断i g b t 集电极电 流的大小。应注意的两点问题：一是识别时间；二是保护切断速度。从识别出过电流信 号至切断栅极控制信号的总时问必须小于允许短路过电流的时间。过电流时切断i g b t 漏极电流不能和正常工作中切断速度一样快，因为过电流的幅度大，过快的切断速度会 造成d i c d t ，在主电路的电感中引起很高的反电动势而形成尖峰电压，这种尖峰电压足 以损坏器件。因此应采取措施使得在允许的短路时间内进行慢速切断。 短路保护：在用i g b t 构成的逆变器发生负载短路