中心議題:
- 電源的基本方案
- 開關(guān)電源部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
- 電壓斬波控制
1 引言
在我國,電鍍行業(yè)發(fā)展較快,隨著市場對電鍍產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,電鍍工藝對電鍍電源的要求也越來越高。開關(guān)電源產(chǎn)品由于其具有體積小,重量輕,節(jié)能節(jié)材,調(diào)節(jié)精度高,易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn),正逐漸被廣大用戶所采用。脈沖開關(guān)電源作為開關(guān)電源衍生產(chǎn)品,其應(yīng)用于電鍍與直流電鍍相比有如下特點(diǎn):
脈沖電源可通過控制輸出電壓的波形、頻率和占空比及平均電流密度等參數(shù),改變金屬離子的電沉積過程,使電沉積過程在很寬的范圍內(nèi)變化,從而在某種鍍液中獲得具有一定特性的鍍層。脈沖鍍鎳代替直流鍍鎳可獲得結(jié)晶細(xì)致的鍍層,能使鎳層的孔隙率與內(nèi)應(yīng)力降低,硬度增高,雜質(zhì)含量降低,并可采用更高的電流密度,提高鍍覆速度〖1〗。
根據(jù)脈沖鍍鎳的工藝,我們研制了最大峰值電流1000A,最大峰值電壓30V的脈沖鍍鎳開關(guān)電源。其工藝如下:
* 硫酸鎳(NiSO4·7H2O):180~240g/L
* 硫酸鎂(MgSO4·7H2O):20~30g/L
* 氯化鈉(NaCl):10~20g/L
* 硼酸:30~40
* PH值:5.4
* 溫度:室溫
* 波形:矩形波
* 頻率:500~1500Hz
* 占空比:5%~12%
* 平均電流密度(A/dm2):0.7
2 電源的基本方案
三相380V/50Hz交流電經(jīng)過EMI電磁兼容裝置,進(jìn)行橋式整流,再經(jīng)過逆變和變壓,然后再整流、濾波、儲(chǔ)能,最后進(jìn)行電壓斬波,輸出單向脈沖電壓。本電源設(shè)計(jì)分兩部分:前級的開關(guān)電源和后級的斬波。脈沖電源電路工作原理框圖如圖1所示。
脈沖電源電路工作原理框圖
圖1脈沖電源電路工作原理框圖
3 開關(guān)電源部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1開關(guān)電源部分原理
主電路由EMI電磁兼容裝置、整流電路、逆變電路、高頻變壓器、高頻整流及高頻濾波電路組成;控制電路由電流、電壓雙閉環(huán)組成,電流環(huán)為內(nèi)環(huán),電壓環(huán)為外環(huán);保護(hù)電路設(shè)置有初級最大電流限制,輸出過流、短路保護(hù),最高輸出電壓限制。
3.2基本要求
脈沖開關(guān)電源除應(yīng)具有一般電源的要求外,還要求短時(shí)輸出功率大,動(dòng)態(tài)特性好,效率高,并在大功率脈沖輸出情況下能穩(wěn)定可靠地工作。
3.3開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
(1)高頻化該電源輸出最大平均容量為峰值電流1000A,電壓30V,占空比10%,即3kW?;趯γ}沖開關(guān)電源的實(shí)際要求,宜采用高頻技術(shù)方案,同時(shí)選取全橋逆變的拓?fù)湫问?,提高頻率是實(shí)現(xiàn)小型化的重要途徑,它能減少功率變壓器的體積和濾波電感量,而輸出電感是影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要因素。高頻化還是改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要措施,電源調(diào)整的速度隨頻率提高而加快。從而達(dá)到迅速穩(wěn)壓的目的。
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(2)容量小型化由于占空比D較小,例如:D=0.1,
則峰值電流將為平均電流的十倍。若按峰值電流設(shè)計(jì)則不難實(shí)現(xiàn),但電源體積龐大,不經(jīng)濟(jì)。若按平均電流設(shè)計(jì),則對電源要求十分苛刻,既要求電源小型可靠,又要求電源在負(fù)載突變的過程中不能產(chǎn)生過大的壓降。對于供電電壓為2~30Vd.c.,峰值電流IP=1000A,D=0.05~0.1,需平均電流ICP=50A~100A的開關(guān)電源,若按照平均電流來設(shè)計(jì),則有以下難題:
①電源在毫秒級時(shí)間內(nèi)突然加上十倍平均電流時(shí)將會(huì)發(fā)生過流保護(hù);
②電源在毫秒級時(shí)間內(nèi)提供不了峰值電流時(shí)將會(huì)發(fā)生輸出跳變,即突降過程〖2〗。
本裝置采用1.5倍平均電流設(shè)計(jì),保證開關(guān)電源有足夠的裕量,同時(shí),適當(dāng)增加電源的能量供給能力。
(3)高的電壓反饋增益電源應(yīng)有足夠高的電壓反饋,提高電源的動(dòng)態(tài)特性,保證脈沖輸出電壓的平穩(wěn)。
(4)增大開關(guān)電源輸出電壓保持能力問題
由于電源工作在大脈沖電流條件下,電源至少要經(jīng)過若干個(gè)周期的調(diào)整才能穩(wěn)定過來,并要耐受沖擊電流而不至于保護(hù)動(dòng)作,為了減小沖擊帶來的異常(尖峰,下降等),宜在負(fù)載端設(shè)置儲(chǔ)能電容。
設(shè)計(jì)方法如下:
電容中儲(chǔ)存的能量為:
EC=0.5C0U2
在輸出峰值功率P0P作用下,開關(guān)電源輸出功率為PO1時(shí),維持輸出方波寬度TON,輸出電壓變化ΔU=U1-U2,電容儲(chǔ)存的能量如下式所示:
0.5C0(U12-U22)=(P0P-PO1)×TON
由上式求得儲(chǔ)能電容C0:
C0={2(P0P-PO1)×TON}/(U12-U22)
同時(shí),儲(chǔ)能電容必須選用ESR小,高頻性能好的電解電容。
(5)加入逆變橋的過流限制鑒于開關(guān)電源輸出電容量特別大,開機(jī)瞬間和脈沖輸出時(shí),逆變橋需要承受特別大的沖擊電流,當(dāng)逆變橋加入單周期過流限制后,能夠有效地保證逆變橋的功率器件不會(huì)超過設(shè)計(jì)電流值,而大大提高了開關(guān)電源的可靠性。
4 電壓斬波控制
4.1設(shè)計(jì)思路
以SG3525PWM 芯片為核心進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過用CD4017B芯片進(jìn)行8分頻,對輸出最大占空比進(jìn)行限制。主電路采用場效應(yīng)管并聯(lián)。電壓斬波控制原理圖如圖2所示。
電壓斬波控制原理圖
圖2電壓斬波控制原理圖