中心議題:
- 直流電源主回路工作原理
- 電壓跟蹤電路
解決方案:
- 采用三相橋式全控整流
- 采用雙路電源并聯(lián)輸出的方法得到低紋波直流高壓直流電源
- 本樣機(jī)選用西安電力電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的KK200 整流晶閘管
引言
高壓直流電源已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、核物理、檢測(cè)等領(lǐng)域。對(duì)于X 光機(jī),粒子加速器,電子束焊機(jī),電子束曝光機(jī)等一些應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)電壓的水平要求比較高,它們均要求低紋波電壓。文章對(duì)幾種用于高壓直流電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了介紹,并對(duì)它們進(jìn)行了比較,指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
近年來(lái),隨著新的電力電子器件的應(yīng)用使得高壓直流電源出現(xiàn)了頻率高,效率高,功率密度高,可靠性高等新特性。高頻化可以提高電源性能,減少變壓器的體積和紋波系數(shù),但也帶來(lái)了新的技術(shù)問(wèn)題。過(guò)高的頻率會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管開斷頻繁,開關(guān)損耗增大,影響開關(guān)管壽命并使整機(jī)效率下降?! ?br />
鑒于以上問(wèn)題,本文采用雙路電源并聯(lián)輸出的方法得到低紋波直流。在開關(guān)管頻率受限的今天,本方法可以在頻率較低的情況下得到低紋波直流?! ?br />
1 主回路工作原理
電源的系統(tǒng)框圖及主回路原理圖別如圖1 和圖2 所示。
電源的系統(tǒng)框圖及主回路原理圖
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主電路含有兩套完全相同的半橋逆變電路,逆變開關(guān)元件選用IGBT.每一路均采用獨(dú)立的三相全控整流橋供電,逆變電路采用PWM 方式,工作頻率遠(yuǎn)高于諧振頻率, 逆變后的電壓波形為方波。 電路的功率調(diào)節(jié)通過(guò)控制全控整流橋的移相角來(lái)實(shí)現(xiàn)。IGBT 的觸發(fā)脈沖參數(shù):0 kHz~20 kHz、占空比45%,-5 V~+15 V,上下橋臂脈沖相差半個(gè)周期如圖3 所示,兩路半橋逆變電路的輸出波形如圖4 所示。將兩路電壓并聯(lián),即可得平直電壓。
電壓波形示意圖
可見(jiàn),加大輸出電容值也可以減少紋波,或者采用多個(gè)電容并聯(lián)的方式減少ESR 值?! ?br />
2 電壓跟蹤電路
由于采用兩路輸出并聯(lián)來(lái)獲得平直的直流電壓, 設(shè)備正常工作的關(guān)鍵問(wèn)題是兩路并聯(lián)電源的電壓平衡問(wèn)題,即要求兩路輸出的電壓幅值時(shí)刻保持相同。為使兩路輸出保持一致,元器件參數(shù)應(yīng)選取一致,還需要一套輸出電壓檢測(cè)、比較及自動(dòng)調(diào)節(jié)電路,實(shí)際設(shè)計(jì)的電路工作過(guò)程如圖5 所示。
圖5 電壓跟蹤電路結(jié)構(gòu)框圖
在檢測(cè)電路中主要包含隔離和離散化兩部分電路,隔離電路可以有效地抑制系統(tǒng)噪聲, 消除接地回路的干擾。把檢測(cè)到的輸出電壓離散化是為了解決當(dāng)相近的模擬量直接比較時(shí)運(yùn)放輸出抖動(dòng)的問(wèn)題, 同時(shí)可以使后面的比較電路的反應(yīng)速度調(diào)節(jié)方便。在離散化電路中具體由鋸齒波來(lái)調(diào)制經(jīng)過(guò)隔離的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。它將檢測(cè)到的電壓信號(hào),轉(zhuǎn)化為脈寬與其電壓成正比的方波信號(hào)。
在具體應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)頻率范圍來(lái)設(shè)計(jì)合理的RC 濾波電路。濾波器的輸出與其輸入之比β 為:
RC 濾波電路
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
應(yīng)用本方案試制了一套小功率系統(tǒng),以此來(lái)驗(yàn)證電路的可行性。
為了方便調(diào)試,樣機(jī)采用晶閘管整流,本樣機(jī)選用西安電力電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的KK200 整流晶閘管。三相電經(jīng)過(guò)一個(gè)降壓變壓器(變比10∶1)接到2 個(gè)整流橋。
三相全控整流橋輸出直流平均電壓為:Ud=1.35U1cosα式中,U1-輸入三相線電壓有效值;α-三相橋式全控整流控制角。
本樣機(jī)整流橋進(jìn)線線電壓有效值為380 V,采用三相橋式全控整流,所以整流橋輸出最大直流平均電壓為380*1.35 / 10=51.3 V 左右?! ?br />
T1、T2 變壓器變比1:40,負(fù)載阻抗100 kΩ。下面給出了各路逆變頻率為13 kHz 時(shí)的相關(guān)波形圖:
圖6 實(shí)驗(yàn)波形
圖6 中所標(biāo)的電壓值為乘以分壓器變比以后的值。圖6(a) 為沒(méi)有經(jīng)過(guò)并聯(lián)的兩路分別輸出時(shí)的電壓波形,可以看到,單路電壓輸出存在缺口,而且缺口處脈動(dòng)較大,并有一定的毛刺。圖中6(b)為兩路并聯(lián)后輸出的電壓波形(未經(jīng)電容濾波),與圖6(a)相比較,可以清楚地看到兩路并聯(lián)后,大的缺口在輸出波形中消失,輸出電壓脈動(dòng)明顯減小,紋波變低,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,?yàn)證了設(shè)計(jì)思想的正確性。
4 結(jié)論
通過(guò)小功率試驗(yàn)的驗(yàn)證,證明了該方案的可行性,采用本方案可以在較低的工作頻率下達(dá)到輸出低紋波直流電壓的目的,可以減小半導(dǎo)體開關(guān)元件的損耗,提高元器件使用壽命和設(shè)備的穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)控制等輔助電路的要求也降低;另外并聯(lián)后輸出電壓的脈動(dòng)頻率高且幅值小,容易濾波,所以可以減小輸出端的濾波電容。由于電路是兩路電源并聯(lián)的結(jié)構(gòu),可以提高電源的輸出容量。