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        高頻開關(guān)電源雙閉環(huán)反饋并聯(lián)系統(tǒng)

        2013-01-26 04:24:38南昌市工業(yè)技術(shù)研究院熊先明
        電子世界 2013年10期
        關(guān)鍵詞:穩(wěn)流單臺外環(huán)

        南昌市工業(yè)技術(shù)研究院 熊先明

        1.前言

        高頻開關(guān)電源在二十世紀(jì)八十年代進(jìn)入我國后,由于其具有體積小、重量輕、效率高、噪音低等優(yōu)點,大量地進(jìn)入我國郵電通訊、電力部門及其它領(lǐng)域,其發(fā)展迅速,市場潛力巨大,取代了許多傳統(tǒng)的中小功率可控硅整流電源。而在傳統(tǒng)的工礦企業(yè),如電解電鍍、電化、電火花、電池充電、水處理、熱處理、焊接、冶煉等諸多領(lǐng)域,目前還在大量使用傳統(tǒng)的可控硅整流電源,不符合國家環(huán)保節(jié)能的政策。目前市場上的單臺高頻開關(guān)電源功率受到器件的約束及其它因素的限制,難以在大功率(50KW以上)場合實用需要。為了把功率做大,簡單的方法就是把許多單臺高頻開關(guān)電源,將其輸出簡單并聯(lián),形成擴流輸出。但這種方法有一個局限性,那就是并聯(lián)后的系統(tǒng)只能是穩(wěn)流輸出,而不能適應(yīng)穩(wěn)壓輸出的應(yīng)用場合。本文設(shè)計思想就是在上述簡單并聯(lián)后的基礎(chǔ)上,再單獨設(shè)計一個輸出電壓負(fù)反饋系統(tǒng),利用電壓反饋系統(tǒng)的輸出來控制各臺高頻開關(guān)電源,形成雙閉環(huán)反饋,從而達(dá)到并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出。由于單臺高頻開關(guān)電源的工作原理眾所周知,故以下著重從自動控制系統(tǒng)原理方面介紹并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理。

        2.系統(tǒng)控制原理圖

        并聯(lián)系統(tǒng)的自動控制原理如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)的自動控制原理圖

        在自動控制電機直流調(diào)速系統(tǒng)中,有一種轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng),又稱串級系統(tǒng)。外環(huán)是轉(zhuǎn)速反饋,內(nèi)環(huán)是電流反饋。任何系統(tǒng)內(nèi)外擾動或電網(wǎng)電流變化造成的轉(zhuǎn)速變化,都能通過外環(huán)或內(nèi)環(huán)的反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié),達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出。本文正是基于此設(shè)計思想,設(shè)計了如圖1的高頻開關(guān)電源雙閉環(huán)反饋并聯(lián)自動控制系統(tǒng)。圖中各臺高頻開關(guān)電源本身就是可以獨立工作的,且內(nèi)部形成電壓或電流負(fù)反饋系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)電壓反饋屬于外環(huán),內(nèi)環(huán)由高頻開關(guān)電源內(nèi)部形成。這種并聯(lián)系統(tǒng)之所以簡單,就是在單臺獨立工作的電源基礎(chǔ)上,把輸出端簡單并聯(lián)在一起。而輸入端的給定由外環(huán)統(tǒng)一加到各臺獨立的高頻開關(guān)電源。

        圖1中虛線框內(nèi)1#、2#、……、N#為各臺高頻開關(guān)電源,其內(nèi)部自動控制原理圖簡化為一階系統(tǒng)比例積分環(huán)節(jié),所以各臺高頻開關(guān)電源的穩(wěn)流或穩(wěn)壓精度很高。圖中它們工作在穩(wěn)流狀態(tài)下。

        3.系統(tǒng)工作設(shè)計原理

        3.1 單臺高頻開關(guān)電源設(shè)計及總體框圖

        單臺高頻開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo):

        輸入電壓:380V,50HZ

        輸出電壓:DC 18V

        輸出電流:DC 800A

        限流值:850A

        限壓值:18.5V

        保護:過流保護、熱保護、過壓保護、欠壓保護

        轉(zhuǎn)換效率:>80%

        單臺高頻開關(guān)電源總體框圖如圖2所示。整機電路可分為變換主回路和控制電路兩大部分。交流380V電壓經(jīng)輸入電源濾波器、輸入直流整流濾波得到550V左右的直流電壓,供給脈寬調(diào)制器,它有兩組IGBT模塊、高頻變壓器及輸出整流濾波組成。

        圖2 單臺高頻開關(guān)電源框圖

        由PWM控制電路提供交變脈沖經(jīng)驅(qū)動電路來控制IGBT模塊的通斷,將直流電壓變換成交變的20KHZ脈沖電壓,經(jīng)高頻變壓器隔離變換成所需的電壓,再經(jīng)輸出整流二極管全波整流,得到平均幅值為18V的直流電壓。

        控制電路由PWM控制電路、驅(qū)動電路、反饋取樣電路、限流限壓電路及輔助電源組成。PWM控制電路輸出兩路彼此相位差180°,并有一定死區(qū)的脈沖,經(jīng)驅(qū)動電路放大,控制主回路IGBT模塊的通斷。為了得到穩(wěn)定的輸出電壓或電流,對輸出電壓或電流進(jìn)行采樣、反饋,與基準(zhǔn)值比較、放大,控制PWM電路的脈沖寬度,調(diào)整IGBT的占空比來實現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流。同時通過軟啟動、過流過壓保護、短路保護及限壓限流電路對電源本身實施保護措施。

        圖3 高頻開關(guān)電源自動控制原理圖

        單臺高頻開關(guān)電源構(gòu)成一個電流負(fù)反饋控制系統(tǒng),簡稱內(nèi)環(huán)。自動控制原理如圖3所示。

        圖3中采用了PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)電流負(fù)反饋控制系統(tǒng),既保證了動態(tài)穩(wěn)定性,又能做到無靜差,很好地解決了動、靜態(tài)的矛盾。其調(diào)節(jié)原理:在電流給定值不變的情況下,當(dāng)負(fù)載變動或電源內(nèi)部原因造成了電源輸出電流變動時,自動控制調(diào)節(jié)過程為:

        通過以上的調(diào)節(jié)過程,可以保證單臺高頻開關(guān)電源輸出穩(wěn)定的電流。這樣,把各個單獨工作的高頻開關(guān)電源輸出并聯(lián)在一起,且工作在穩(wěn)流狀態(tài)下,接受同一的電流給定值,就可保證各臺高頻開關(guān)電源輸出同樣大小的電流。從而實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的擴流輸出。為了提高系統(tǒng)的整體可靠性,還可根據(jù)系統(tǒng)的要求,增加N+1冗于設(shè)計。這種簡單的組合在一起,當(dāng)某臺高頻開關(guān)電源出現(xiàn)故障,可立即把其關(guān)電退出運行并斷開輸出連接,把備份的高頻開關(guān)電源通電投入運行即可。從而把處理故障的時間減少到最小。

        圖4 系統(tǒng)自動控制原理框圖

        3.2 系統(tǒng)自動控制原理

        雙閉環(huán)并聯(lián)系統(tǒng)自動控制原理如圖4所示。

        圖4中在高頻開關(guān)電源系統(tǒng)外增加了一個比例積分調(diào)節(jié)器,用來調(diào)節(jié)并聯(lián)系統(tǒng)的電壓。把并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓反饋和并聯(lián)系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較,其差值經(jīng)信號放大,作為高頻開關(guān)電源系統(tǒng)電流給定值,而高頻開關(guān)電源系統(tǒng)根據(jù)不斷變化的電流給定值來調(diào)節(jié)自身的輸出電壓,以此保證自身的輸出電流根據(jù)給定值變化而變化。從而也保證了并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在高頻開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部,是內(nèi)環(huán);電壓調(diào)節(jié)環(huán)在外面,成為外環(huán)。二者之間實行串級連接,即以電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的控制,那么兩種調(diào)節(jié)器作用就能互相配合,相輔相成了。這就形成電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。

        當(dāng)由于負(fù)載擾動,造成了并聯(lián)系統(tǒng)電壓輸出變動,則系統(tǒng)自動控制調(diào)節(jié)過程為:

        上述電壓調(diào)節(jié)過程可以保證并聯(lián)系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作狀態(tài)下,輸出電壓穩(wěn)定。若系統(tǒng)要工作在穩(wěn)流狀態(tài)下,只需通過系統(tǒng)內(nèi)部的選擇開關(guān),把外環(huán)電壓反饋單元關(guān)閉,直接把電壓給定信號加到各臺高頻開關(guān)電源,由于各臺高頻開關(guān)電源本身工作在穩(wěn)流狀態(tài)下,從而可以保證并聯(lián)系統(tǒng)的每臺高頻開關(guān)電源輸出同等大小電流。

        從動態(tài)穩(wěn)定性上看,在設(shè)計過程中,先把單臺高頻開關(guān)電源設(shè)計調(diào)整好,使之能穩(wěn)定的輸出額定電流。然后把各臺并聯(lián)連接在一起,加上電壓反饋外環(huán),再按系統(tǒng)設(shè)計要求并調(diào)整外環(huán),使系統(tǒng)輸出電壓保持穩(wěn)定。需要注意的是:內(nèi)環(huán)根據(jù)其設(shè)計指標(biāo)要逐一開啟和外環(huán)連調(diào),等所有的內(nèi)環(huán)調(diào)整好后,再把所有內(nèi)環(huán)開啟,與外環(huán)一同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓和電流。

        4.實驗與結(jié)論

        應(yīng)用以上原理,制作了一臺組合式并聯(lián)的72KW高頻開關(guān)電源。具體參數(shù)為:AC380V±10%,穩(wěn)壓輸出18VDC;限流電流4100ADC;穩(wěn)流輸出4000ADC;限壓電壓18.5VDC。該并聯(lián)系統(tǒng)由五臺單獨的高頻開關(guān)電源并聯(lián)組合,每臺高頻開關(guān)電源都輸出同等的800A/18V。系統(tǒng)在穩(wěn)壓工作時,即使輸出短路也能限流在4100A穩(wěn)定工作;穩(wěn)流工作時,輸出端開路能實現(xiàn)限壓而穩(wěn)定工作。若為了提高并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性,還可增加一臺備份。該電源在電鍍行業(yè)鍍鉻工藝中現(xiàn)場運行已有近兩年,基本上達(dá)到了設(shè)計要求,用戶反應(yīng)良好。

        [1]陳伯時.自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1980.

        [2]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

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