曠永紅，周 鵬

（1.湖南工程學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湘潭411101；2.株洲科瑞變流電氣有限公司，株洲412007）

0 引 言

極化電源作為電化整流系統(tǒng)的備用電源，能為電解槽提供幾十至幾百安培的直流電流，以便進(jìn)行槽電壓的檢測；或當(dāng)正常運行的電解槽突然或計劃停車時，為電解槽提供正向極化電流，用來保護電解槽.傳統(tǒng)的極化電源采用相控整流技術(shù)，由于設(shè)計要求時，選擇較大的余量，再加運行前期和運行中后期，由于電解槽單元電壓的變化，使得極化整流器常處于控制角較大的運行狀態(tài)，諧波和無功問題非常突出，使隔離變壓器發(fā)熱，能量損耗嚴(yán)重，并且影響動力電源的穩(wěn)定性.新型極化電源采用整流－斬波技術(shù)，通過調(diào)PWM脈沖占空比的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)輸出電壓和電流.采用開關(guān)器件IGBT，開關(guān)頻率高，損耗小，變流效率高，使得極化整流器的功率因數(shù)可達(dá)0.95以上.

1 主回路變流方式研究

極化整流器為一個恒壓源，通過穩(wěn)定的電壓輸出達(dá)到保護電解槽的目的.極化電源整流器的容量和額定值是由電解槽的槽電壓來決定的，國內(nèi)所需極化電源的電壓通常在一百多伏到四百多伏范圍內(nèi)，國外化工企業(yè)極化電壓有在450V以上的情況，極化整流器通常采用380V的動力電源，根據(jù)極化電壓的不同，新型極化電源的設(shè)計方案有兩種.

1.1 極化電源電壓在450 V以下的，采用整流－降壓斬波模式，此種模式的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

圖1 整流－降壓極化電源模式

這種模式的極化電源的主回路圖如圖1所示，進(jìn)線為三相交流380V，進(jìn)線側(cè)有Y型連接的電容（3～5C），起濾波作用，通常前端會有熔斷器作為交流側(cè)過載保護（圖中沒有畫出），整流主電路采用三相全控橋式，三相整流橋后為一平波電容，使UD1近似為一穩(wěn)定直流源，后續(xù)電路為降壓斬波電路，由開關(guān)管IGBT、電抗器L1，續(xù)流二極管VD2、防反電流保護二極管VD1，以及其他附件如直流傳感器、IGBT開關(guān)保護電容等.

＼三相380V電源通過整流橋整流和大電容平波后，直流電壓UD1和三相交流的關(guān)系為：

其中α1為三相交流整流的整流系數(shù)，約為1.35，α2為平波電容作用后電壓的上升系數(shù)，約為1.1.降壓斬波電路的特點是輸出電壓比整流后的電壓要低，其原理為：當(dāng)IGBT開通，VD2截止，電流經(jīng)開關(guān)IGBT、電抗器和VD1流向負(fù)載電解槽.UD＝UD1；UL1＝UD1－UD，IGBT截止，VD2導(dǎo)通續(xù)流，UVD2＝0，UL＝－UD.設(shè)負(fù)載電壓不變，不計電阻.

由于ton＜T，輸出平均電壓UD總小于UD1，所以稱之為降壓斬波器，通過控制ton來控制輸出電壓的大小.

由式（1）、（3）得出這種降壓模式的極化電源輸入三相交流和輸出直流的關(guān)系為：

控制α即脈沖占空比在0%～90%范圍調(diào)節(jié)時，輸出極化直流電壓可在0～507V范圍，考慮回路阻抗損耗和安全余量，實質(zhì)可調(diào)的極化直流電壓約在0～450V.

1.2 極化電源電壓在450 V以上的，采用整流－升壓斬波模式，此種模式的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示

圖2 整流－升壓極化電源模式

從圖2可分析得出交流輸入與極化直流電壓輸出的數(shù)量關(guān)系為：

控制α即脈沖占空比在0%～90%范圍調(diào)節(jié)時，輸出極化直流電壓可在564～5500V范圍，考慮回路阻抗損耗、安全余量和實際設(shè)計中電感值L1不能過大，實質(zhì)可調(diào)的極化直流電壓可控制在450～1000V.

由此可得，不同的極化電壓可以選擇不同的斬波方式，當(dāng)電壓在450V以下時，可采用整流－降壓斬波方式，當(dāng)電壓在450V以上時，可選擇整流－升壓斬波方式.

2 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 控制系統(tǒng)的組成

整個控制系統(tǒng)由通信部分、控制部分、脈沖產(chǎn)生和功率放大部分、操作面板等幾大部分組成，各部分功能為：

（1）通信部分：由圖2中所示功能部件MCU2完成，主要實現(xiàn)與PLC200的PPI通信，通信信息中包括給定信息、狀態(tài)信息和報警信息.

（2）控制部分：由功能部件MCU1完成，極化電源有直流電流和直流電壓反饋，當(dāng)電壓反饋和電流反饋與給定值有偏差時，MCU運行控制器根據(jù)外部穩(wěn)壓或穩(wěn)流指令進(jìn)行電壓PI調(diào)節(jié)或電流PI調(diào)節(jié)，并發(fā)出脈沖的開通與關(guān)斷信號.

（3）脈沖產(chǎn)生和功率放大電路：主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、專用PWM脈沖產(chǎn)生芯片TL494完成PWM脈沖的產(chǎn)生；由要驅(qū)動400A／1200V級別的大功率IGBT，因此PWM脈沖需要經(jīng)過功率放大電路，使脈沖的驅(qū)動能力滿足需求.

（4）操作面板：由漢字顯示屏和操作按鍵組成，主要完成基本信息、報警信息的顯示，面板穩(wěn)流穩(wěn)壓的給定.

（5）整個系統(tǒng)的給定分為給定有三種：操作面板給定、上位機給定、定位器給定，上位機給定由PLC與控制器通過PPI通訊實現(xiàn).

（6）直流反饋：共有兩路，電流反饋和電壓反饋，分別用于穩(wěn)流控制和穩(wěn)壓控制.

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

2.2 控制算法

極化電源電流電壓穩(wěn)定效果主要由控制算法決定，極化電源的工作環(huán)境是一個有阻感性負(fù)載，系統(tǒng)函數(shù)難以確定，對于較復(fù)雜控制系統(tǒng)常采用PID控制.PID控制即比例、積分、微分控制，是工業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)函數(shù)未知情況下廣泛應(yīng)用的一種控制算法，本控制器中采用的是增量式PID算法.增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu（k）.采用增量式算法時，計算機輸出的控制量Δu（k）對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置的增量，而不是對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，因此要求執(zhí)行機構(gòu)必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作.執(zhí)行機構(gòu)的累積功能利用算式u（k）＝u（k－1）＋Δu（k）程序化來完成.

增量式PID控制算式：

式中Δe（k）＝e（k）－e（k－1）

進(jìn)一步可以改寫成：

Δu（k）＝Ae（k）－Be（k－1）＋Ce（k－2）

一般計算機控制系統(tǒng)的采樣周期T在選定后就不再改變，所以，一旦確定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次測量的偏差值即可求出控制增量.增量式算法優(yōu)點：① 算式中不需要累加.控制增量Δu（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；②計算機每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；③手動－自動切換時沖擊小.

3 極化電源系統(tǒng)設(shè)計

由于目前國內(nèi)的電解槽所需的極化電源的直流電壓要求絕大部分在450V以下，本文所述的系統(tǒng)設(shè)計將采用第一種模式，整個系統(tǒng)包括極化電源控制器、極化電源監(jiān)測設(shè)備、變流主回路設(shè)計.

系統(tǒng)框圖為：整個極化電源系統(tǒng)有三部分組成：極化電源主回路、極化電源控制器、PLC檢測系統(tǒng)，其中檢測系統(tǒng)與大功率整流裝置共用一套PLC系統(tǒng).

圖4 極化電源系統(tǒng)設(shè)計原理圖

3.1 極化電源主回路

主要功能是將380V的三相交流變流成極化電源所需的直流電壓電流，主要原理及設(shè)計方法2.1和2.2部分已做說明.

3.2 極化電源控制器

設(shè)計中采用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，保持脈沖的周期不變，改變脈沖的占空比達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的.

整個控制器由通信部分、控制部分、脈沖產(chǎn)生和功率放大部分組成，通信部分實現(xiàn)與檢測系統(tǒng)的通信.控制部分實現(xiàn)穩(wěn)流穩(wěn)壓控制，當(dāng)電壓反饋和電流反饋與給定值有偏差時，MCU運行控制器根據(jù)外部穩(wěn)壓或穩(wěn)流指令進(jìn)行電壓PI調(diào)節(jié)或電流PI調(diào)節(jié)，實時改變脈沖的占空比.脈沖產(chǎn)生和功率放大電路主要完成PWM脈沖的產(chǎn)生；通過功率放大電路，使脈沖能滿足大功率IGBT驅(qū)動的要求.

控制器的啟停由PLC監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)DCS控制信號或根據(jù)實際運行電流電壓值進(jìn)行控制，控制器接收到啟動信號后，通過繼電器閉合主回路380V電源，然后根據(jù)給定電流電壓和實際運行電流電壓值進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM脈沖信號，控制電壓電流輸出.

3.3 PLC檢測系統(tǒng)

設(shè)計中PLC檢測通常采用與大功率整流裝置采用同一系統(tǒng)，這樣有利于整個整流系統(tǒng)的統(tǒng)籌，與便于給定、顯示、報警和控制等多環(huán)節(jié)保持與大功率整流器的無縫連接，在極化電源中，PLC主要有兩個功能：一是根據(jù)DCS的極化啟停信號或根據(jù)電解槽電流值大小來控制極化電源控制器的啟停；二是實時采集極化電源主回路的電流電壓、PWM占空比等運行參數(shù)和極化電源的報警信號，根據(jù)狀態(tài)信息和報警信號來啟停極化電源控制器，并將狀態(tài)信息和報警信號送DCS.

4 結(jié) 論

新型極化電源克服了傳統(tǒng)相控整流方式的缺點，主回路采用二極管整流－斬波變流技術(shù)方式，使得整個系統(tǒng)變流效率高、功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上，電壓和電流額定值調(diào)節(jié)、安裝和使用更方便；控制器采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快、穩(wěn)流穩(wěn)壓精度高，這種極化電源已在天津某化工企業(yè)投入使用，運行效果良好，各項性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求.

［1］ 陳德池，廖國華，張 航，等.微處理器與現(xiàn)場總線技術(shù)［M］.中南大學(xué)出版社，2003.

［2］ 劉 濤，馬積勛，廉海濤.利用RS－485通訊協(xié)議實現(xiàn)PC機與單片機的多點通訊［D］.西安：西安交通大學(xué)碩士論文，2003.

［3］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997

［4］ 王兆安，黃 俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［5］ 胡壽松.自動控制原理（第四版）［M］.科學(xué)出版社，2001.

［6］ 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.IGBT和IPM及其應(yīng)用電路［M］.北京：人民郵電出版社，2006.