夏澤中，廖小松，羅海峰

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中，使用大量金屬管道和金屬儲(chǔ)罐來輸送和存儲(chǔ)石油、天然氣或其他物質(zhì)。一般情況下，這些金屬管道或金屬儲(chǔ)罐都是放置于地表或地下，由于長期與地下物質(zhì)接觸因而在接觸面形成原電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬件的腐蝕。在所形成的電化學(xué)反應(yīng)中，金屬件失去電子成為陽極，在反應(yīng)過程中被消耗掉。

為了延長金屬管道和金屬儲(chǔ)罐的使用壽命，采用陰極保護(hù)方法，可以使金屬件減緩或避免腐蝕。陰極保護(hù)技術(shù)就是通過形成直流電流，對(duì)金屬表面電化學(xué)反應(yīng)施加干擾，從而改變金屬件的相對(duì)電位，使金屬結(jié)構(gòu)免遭腐蝕[1－3]。陰極保護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 陰極保護(hù)示意圖

目前，國內(nèi)廣泛使用的防腐電源設(shè)備恒電位儀，普遍采用傳統(tǒng)的以晶閘管為功率元件的相控整流技術(shù)。相控整流技術(shù)的缺點(diǎn)是效率和功率因數(shù)低，裝置的體積較大[4]。為了解決這些問題，筆者把軟開關(guān)技術(shù)引入防腐電源系統(tǒng)中，從而提高了開關(guān)頻率和裝置的功率密度，減小了開關(guān)損耗。

1 電路結(jié)構(gòu)與原理

針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)防腐陰極保護(hù)的應(yīng)用問題，筆者提出了一種模塊化陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案。模塊化的DC－DC變換器在零電壓零電流(ZVZCS)狀態(tài)下工作。采用高頻變壓器隔離，工作頻率為20 kHz，使變壓器的體積大大減小，同時(shí)提高了電源效率。

圖2為該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。從圖2中可以看出前級(jí)整流采用的是二極管不可控整流，DC－DC高頻變換器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。通過采樣直流輸出電壓U、電流i以及參比電位V，建立反饋控制。

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3為DC－DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過三相不可控整流得到直流電壓Vdc約為515 V，為DC－DC變換器提供穩(wěn)定的直流電壓。模塊化的ZVZCS DC－DC變換器由單相全橋逆變器、高頻變壓器、輸出高頻整流橋，以及輸出LC濾波器組成。DC－DC變換器將輸入的515 V電壓轉(zhuǎn)換為輸出0～50 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。從圖3中可以看出，系統(tǒng)負(fù)載將作為DC－DC變換器的終端。DC－DC變換器的負(fù)載可以等效為純電阻，這個(gè)負(fù)載可以是儲(chǔ)油罐、油輪船體和輸油管道等。

圖3 DC－DC變換器拓?fù)鋱D

ZVZCS移相全橋變換器在傳統(tǒng)的移相全橋變換器的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)二極管和一個(gè)輔助變壓器。輔助變壓器的初級(jí)與主變壓器初級(jí)串聯(lián)，輔助變壓器的次級(jí)連接在無源支路和滯后臂之間，輸出功率由移相角α決定[5]。滯后臂在輔助元件 C2、C4、Llk、Lf作用下實(shí)現(xiàn) ZVS，同時(shí)無源支路根據(jù)初級(jí)側(cè)電流工作。Llk為輔助變壓器與主變壓器初級(jí)側(cè)漏感之和。與C2和C4并聯(lián)的開關(guān)管Q2和Q4在零電壓情況下斷開。超前臂在輔助變壓器作用下實(shí)現(xiàn)ZCS，輔助變壓器使電壓復(fù)位，并且吸收漏感Llk上的無功功率，同時(shí)使初級(jí)側(cè)電流在開關(guān)動(dòng)作之前復(fù)位。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只額外增加了一個(gè)體積很小的輔助變壓器，大大減少了由磁飽和引起的電路不對(duì)稱或短路現(xiàn)象。ZVZCS移相全橋變換器滯后臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，超前臂實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，一般來說，在零電壓變化的開關(guān)間隙Llk+(N1/N2)2Lf的能量遠(yuǎn)大于并聯(lián)電容Cr電壓VCr上升到最大值的能量，因此，實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電壓開通的條件為:

超前臂的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電流變換的條件為:

其中:Ts為DC－DC變換的開關(guān)周期;Dmax為占空比最大值。零電流變換的條件可以很容易地通過選擇合適的輔助變壓器N3/N4的值來實(shí)現(xiàn)。

這種零電壓零電流變換可實(shí)現(xiàn)高頻全橋變換，在輸入與負(fù)載之間可利用高頻隔離變壓器，從而減小變壓器和輸出濾波器的體積和質(zhì)量[6]。此外，當(dāng)直流變換器工作在續(xù)流模式的時(shí)候，輔助變壓器和整流二極管使得全橋器件和主變壓器上的感性電流減小為零。因此，在減小變壓器體積和質(zhì)量的同時(shí)提高了系統(tǒng)的效率[7－9]。主變壓器二次測(cè)得的LC濾波使輸出電壓和電流更加平滑。

DC－DC變換器輸出電壓的控制是通過移相PWM的方法實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)DC－DC變換器在理想的硬開關(guān)條件下運(yùn)行，則超前臂U點(diǎn)的電壓VU，滯后臂V點(diǎn)電壓VV以及UV之間的電壓VUV波形如圖4所示。

圖4 移相全橋直流變換波形

VUV的電壓與VU，VV之間的相位差Φ成正比，而整流輸出電壓的平均值隨零電壓/零電流操作而變化，輸出電壓Vo可以用式(3)表示。

其中:N2/N1為主變壓器變比;為平均電壓。

陰極保護(hù)電源中的DC－DC變換器一般有兩種工作模式，分別為手動(dòng)工作模式和自動(dòng)工作模式。在手動(dòng)工作模式中，將基準(zhǔn)電壓作為系統(tǒng)輸入來調(diào)節(jié)DC－DC變換器的輸出，基準(zhǔn)電壓的大小取決于埋地管道附近的土壤結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件。在自動(dòng)模式下，通過檢測(cè)管道附近Cu/CuSo4參比電極電壓來跟蹤設(shè)定的陰極保護(hù)電位Vcp，這個(gè)電位參考陽極對(duì)陰極保護(hù)電源負(fù)極的電位差，即:

根據(jù)環(huán)境因素，維持Vref在－0.85～－1.50 V范圍之間，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)陰極的目的。

2 仿真模型及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證以上的分析，對(duì)ZVZCS DC－DC變換器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真工具為PSPICE[10]，采用開關(guān)模型，設(shè)計(jì)參數(shù)為:輸入為三相交流電，fs=20 kHz，主變壓器變比 n=4，Lf=0.14 mH，Cf=6.8 μF。主功率電路仿真模型如圖5所示。

圖6為超前臂的電壓電流波形，可以看出當(dāng)開關(guān)管的電流變?yōu)榱愫?，過一段時(shí)間開關(guān)管關(guān)斷，因此實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。圖7為滯后臂的電壓電流波形，可以看出當(dāng)開關(guān)管的電壓變?yōu)榱?，一段時(shí)間之后電流從零開始增大，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。圖8為主變壓器原邊電壓波形和電流波形。

圖5 主功率電路仿真模型

圖6 超前臂軟開關(guān)波形

圖7 滯后臂軟開關(guān)波形

圖8 主變壓器原邊電壓、電流波形

圖9顯示了當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，DC/DC變換器的效率曲線。表明在大電流工作的情況下，系統(tǒng)仍能得到較高的效率。

3 結(jié)論

圖9 效率曲線

筆者對(duì)一種ZVZCS DC－DC變換器的變換條件進(jìn)行了分析，并且通過PSPICE仿真對(duì)該模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。軟開關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中，如利用飽和電感的 DC－DC變換器、帶輔助網(wǎng)絡(luò)的ZVS(零電壓變換)DC－DC變換器等。而筆者利用輔助變壓器和輔助二極管實(shí)現(xiàn)ZVZCS變換的結(jié)構(gòu)，也能較好地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。與以上兩種拓?fù)湎啾?，該拓?fù)湓跍p小占空比丟失上并無顯著改進(jìn)，但引入的變壓器體積很小，大大減少了由磁飽和引起的電路不對(duì)稱或短路現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)的DC－DC變換器在陰極保護(hù)電源中具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 遲善武.陰極保護(hù)恒電位儀的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(8):53 －56.

[2] 王健健，王燕.外加電流陰極保護(hù)高頻開關(guān)恒電位儀的研制[J].石油化工腐蝕與保護(hù)，2008，25(3):41 －44.

[3] IN－DONG K.Module－type switching rectifier for cathodic protection of underground and maritime metallic structures[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52(1):181 －189.

[4] 陶小鵬.高頻開關(guān)型陰極保護(hù)電源研究與設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué)圖書館，2010.

[5] 夏澤中，李軍，李遠(yuǎn)正.25kW全橋移相變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息管理與工程版，2008，30(2):232 －235.

[6] 許建霞，劉會(huì)衡，劉克中.認(rèn)識(shí)無線電中一種雙門限能量檢測(cè)算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2011，33(4):529 －532.

[7] 阮新波，嚴(yán)仰光.軟開關(guān)PWM DC/DC全橋變換器的實(shí)現(xiàn)策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，14(6):27 －30.

[8] 劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008:45－108.

[9] JEON S J.A zero－voltage and zero－current switching full bridge DC － DC converter with transformer isolation[J].IEEE Trans Power Electron，2002，16(5):573－580.

[10] 李永平，董欣.PSpice電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].長沙:國防工業(yè)出版社，2005:42－98.