王 同

（安徽銅冠銅箔有限公司，池州 247100）

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大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)的研究及應(yīng)用

王 同

（安徽銅冠銅箔有限公司，池州 247100）

摘 要：采用成熟可靠的IGBT逆變整流技術(shù)和全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)組成的大功率高頻開關(guān)電源，解決了現(xiàn)有可控硅整流電源存在的效率和功率因素低的缺陷，并在電子銅箔生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：電子銅箔 高頻開關(guān)電源 大功率 節(jié)能

引言

電子銅箔是電子信息產(chǎn)業(yè)的重要材料，大功率整流電源是銅箔生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。一提到整流電源，人們馬上就想到可控硅整流。這種傳統(tǒng)的整流技術(shù)是通過對可控硅進行移相控制來獲得的。銅箔行業(yè)所用的整流電源輸出電壓很低（DC4.5～7V），輸出電流很大（DC40～55KA）。所以，傳統(tǒng)的可控硅整流電源用于銅箔行業(yè)劣勢明顯，效率低（一般只有70%～80%左右）、功率因數(shù)低（一般只有0.6～0.85），運行成本高。尤其是在負載電壓變小時，可控硅導通角變小，其效率會大大降低，諧波會大大增大。對于銅箔生產(chǎn)工藝來說，主要能耗為生箔機整流電源。因此，如果有高效的電源可以取代傳統(tǒng)的可控硅整流電源，將會大大降低銅箔的生產(chǎn)成本。從銅箔行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，大功率高頻開關(guān)電源將會逐步取代可控硅整流電源。本文將重點介紹大功率高頻開關(guān)電源的節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用。

1 大功率高頻開關(guān)電源的組成

1.1 電路原理

交流輸入電壓經(jīng)過三相橋式普通二極管整流電路濾波后，得到較高直流電壓；后經(jīng)4只IGBT進行“高頻逆變”，將高壓直流逆變成約18KHz的高頻交流；經(jīng)高頻變壓器變換到次級，再通過肖特基二極管進行單相全波整流濾波，得到需要的輸出電壓?？刂齐娐穼敵鲭妷汉洼敵鲭娏魅?，閉環(huán)反饋后產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號，控制“功率轉(zhuǎn)換”電路，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定，原理框圖如圖1所示。

圖1 單元機原理框圖

其中，主電路原理圖如圖2所示。主電路前級部分采用三相橋式二極管整流電路，核心部分采用成熟的PWM控制IGBT逆變技術(shù)，后級高頻整流部分則采用低損耗肖特基二極管單相全波整流電路。

圖2 主電路原理圖

1.2 整機原理

銅箔工藝要求直流電源的規(guī)格為50KA/7V，電流能連續(xù)可調(diào)，采用穩(wěn)流技術(shù)，常年不間斷運行。整機通過采用N+2臺單元機并聯(lián)來獲得50KA電流，其中任意2臺為冗余熱備用單元，以提高系統(tǒng)運行的可靠性。如果正常運行中的某個子單元出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動關(guān)閉故障單元機，并將故障單元的電流平均分配給其他單元機，使整機總輸出電流不變。然后，切斷故障單元機的電源，拆下故障單元機進行維修，整個過程不會影響正常生產(chǎn)。整機采用抽屜模塊化結(jié)構(gòu)，各單元底部帶滑輪，易抽出，且單元機重量輕，多人即可搬下。此外，單元機維修采用不停機帶電熱更換。

在N+2臺單元機并聯(lián)的情況下，自動均流控制也是一項關(guān)鍵的技術(shù)。實驗表明，當多臺單元機并聯(lián)輸出電流不平均時與平均時比較，整機損耗約高0.5%～1%。為了提高整機效率，大功率高頻開關(guān)電源采用基于虛擬阻抗平均自動均流控制技術(shù)。

針對多臺高頻開關(guān)電源單元機并聯(lián)的均流問題，在分析單元機并聯(lián)模型的物理特性基礎(chǔ)上，擬采用基于虛擬電阻的電壓反饋方法，將高頻DC/DC變換器從控制上虛擬成一個具有內(nèi)阻為K的可變電源。這樣高頻開關(guān)電源單元機控制上不受其物理內(nèi)阻的限制，具有可控的輸出特性，大大提高了裝置的適應(yīng)能力。當多臺開關(guān)電源單元機并聯(lián)時，采用一個相同的K值，使各臺開關(guān)電源單元機在控制上具有輸出特性，通過閉環(huán)控制方法實現(xiàn)多臺并聯(lián)高頻開關(guān)電源的均流控制，提高整機效率和裝置的可靠性。

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，采用混合冷卻方式。此外，單元機內(nèi)開關(guān)器件的冷卻采用純水冷卻方式，用純水帶走其熱量；單元機箱壁安裝散熱風扇用來帶走其余器件產(chǎn)生的熱量。

表1 現(xiàn)場實際運行實測數(shù)據(jù)一覽表

1.3 高頻開關(guān)電源的控制系統(tǒng)

采用RS485網(wǎng)絡(luò)控制方式控制N+2臺單元機，利用兩芯雙絞屏蔽線通訊，全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸；控制精度高、無衰減，抗干擾能力極強、通訊距離遠（最遠可達1.2km）?？刂葡到y(tǒng)采用西門子PLC作為中央處理器，繼電回路采用高可靠、節(jié)能型新型器件。所有控制轉(zhuǎn)換均可由PLC進行控制，并可通過通訊接口與以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通訊，傳遞有關(guān)數(shù)據(jù)。

主機的本地顯示及操作面板采用西門子觸摸屏進行遠程監(jiān)控，可對輸出電流進行設(shè)定及控制；顯示及查詢主機各種故障信息（過壓保護故障信號、冷卻水壓過低、水溫過高故障信號、冷卻水水位過低信號等）以及電解槽槽壓情況。

2 大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能的機理

采用移相控制的可控硅整流電源為了達到穩(wěn)流效果，一般要留3°～10°的控制角，且一般工作在額定輸出的80%狀態(tài)，導致功率因數(shù)低、損耗大、諧波大。而采用脈寬控制（PWM）的高頻開關(guān)電源前級三相橋式整流和后級單相全波整流，始終工作在全開通狀態(tài)，功率因數(shù)可達0.95以上，效率可達90%以上，減少了不必要的無功損耗，免除了功率因素補償設(shè)備的投資成本。

高頻開關(guān)電源整流元件及變壓器損耗比可控硅整流電源小。一般高頻開關(guān)電源整流二極管管壓降為0.5V，高頻變壓器損耗約占二極管損耗10%左右。而可控硅整流電源整流二極管為0.7V，整流變壓器損耗約占二極管損耗20%左右。以輸出50KA/6V理論計算，高頻開關(guān)電源損耗為P1=0.5×50+（0.5×50×10%）=27.5KVA，可控硅電源損耗為P2=0.7×50+（0.5×70×20%）=42KVA。損耗相比，高頻開關(guān)電源比可控硅電源低35%。

由于高頻開關(guān)電源采用N+2熱冗余備用設(shè)計，所以在運行中可以不停機進行維修，保證了正常生產(chǎn)，提高了產(chǎn)量。

3 實際運行的節(jié)能效果

本單位生箔機上使用的整流電源有可控硅電源和高頻開關(guān)電源，現(xiàn)場實際運行實測數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可知，高頻開關(guān)電源與可控硅電源功率相差（269-225）=44KW，效率提高了16.4%。如果電價平均按0.72元/KW·h計算，則一臺機一年可節(jié)約電費為：44×24×300×0.72=22.8萬元（一年按300天計）。

對于無功損耗而言，從表1可知可控硅電源功率因素cos￠=0.712，而開關(guān)電源功率因素為cos￠=0.996?？梢?，線路上無功損耗大大降低（電纜及變壓器無功損耗）。

此外，由于采用了冗余系統(tǒng)設(shè)計，生產(chǎn)上停機故障率也大大降低，促使產(chǎn)品成品率提高5%左右。

4 結(jié)束語

銅箔的生產(chǎn)成本主要為電能，每噸成品銅箔需要1萬度電左右。這種大功率高頻開關(guān)電源的使用大大降低了生產(chǎn)成本，提高了公司在市場競爭中的優(yōu)勢。公司從2009年一直運行到現(xiàn)在，至今運行效果良好，節(jié)能顯著，且操作簡單、維護方便。

參考文獻

[1]王兆安，張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

Research and Application of Energy Saving Technology for High Power High Frequency Switching Power Supply

WANG Tong
(Anhui copper foil crown Co. Ltd., Chizhou 247100)

Abstract:The traditional s ilicon controlled rectifier(SCR) power has defects of low efficiency and power factor, which now can be modified by the technology of high frequency switching power supply of high power. This power supply, comprising mature and reliable IGBT inverterrectifier technology and all-di gital network control technology, is widely applied in the production of electrolytic copper foil with significant energy savings.

Key words:electrolytic copper foil, high frequency switching power supply, high power, energy-saving