王 同, 周 杰, 肖華根, 蘇敏超, 吳義虎

0 引 言

電解電源是銅箔電解、鋁電解、汽車(chē)電鍍等行業(yè)中的關(guān)鍵工藝設(shè)備,其輸出電流紋波的大小直接影響電解、電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量,研究低電流紋波電解電源對(duì)提高電解銅箔品質(zhì)和電鍍效果具有重要意義[1-3]。

電解電源通常由前級(jí)AC/DC整流器和后級(jí)DC/DC變換器兩部分組成。三相電壓型脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)整流器具有輸入電流正弦性好、功率因數(shù)高和可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn),消除了傳統(tǒng)不可控整流電路存在的輸入電流諧波含量大、功率因數(shù)低和能量不能回饋的缺點(diǎn),三相電壓型PWM整流器已成為現(xiàn)代電解電源設(shè)備中前級(jí)AC/DC整流器的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4-8]。然而,不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)C/DC變換器的輸出電壓和電流具有不同要求,后級(jí)DC/DC變換器是當(dāng)前電解電源研究的重點(diǎn)[9-11]。

目前,增加前級(jí)AC/DC變換器輸入側(cè)三相交流電壓的脈波、后級(jí)DC/DC變換器中高頻變壓器二次側(cè)繞組多重化連接和提高高頻逆變器輸出電壓頻率是降低電解電源輸出電壓或輸出電流紋波分量的主要技術(shù)。在增加前級(jí)AC/DC變換器輸入側(cè)三相交流電壓的脈波方面,文獻(xiàn)[12-13]提出將一次側(cè)接線(xiàn)方式不同的多臺(tái)變壓器接入整流器,從而增加整流器交流側(cè)的脈波數(shù)量。該方案有效降低了交流側(cè)輸入電流中的諧波電流,但是該方案的硬件成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在高頻變壓器二次側(cè)繞組多重化連接方面,文獻(xiàn)[14]提出了一種基于模塊化多電平中頻逆變器的中壓開(kāi)關(guān)電源。該電源結(jié)構(gòu)具有高效率、高輸入功率因數(shù)和高電能質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn),但是功率器件數(shù)量眾多,在某個(gè)模塊故障時(shí)DC/DC模塊缺乏獨(dú)立性工作特性。文獻(xiàn)[15]提出基于MOSFET的同步整流器,通過(guò)控制同步整流器中MOSFET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序可有效降低輸出電壓紋波,但控制方法復(fù)雜。在降低DC/DC變換器輸出電壓紋波方面,文獻(xiàn)[16]提出在DC/DC變換器中增加6個(gè)依次相差60°導(dǎo)通的功率開(kāi)關(guān)器件的方案,有效降低了功率器件的電壓應(yīng)力,并能保證輸出電壓低紋波特性,但需要增加大量功率開(kāi)關(guān)器件。文獻(xiàn)[17]提出不同類(lèi)型的模塊化整流電源電路及逆變輸出電壓相位相互交錯(cuò)的控制方法,該方案中各電源模塊的獨(dú)立性好,DC/DC變換器的輸出電壓紋波小。但是各模塊均采用獨(dú)立的前級(jí)AC/DC整流器,其DC/DC變換模塊的直流輸入電壓難以保持一致,會(huì)導(dǎo)致DC/DC變換模塊輸出電壓紋波錯(cuò)相不均勻。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種基于多相半橋高頻逆變器交錯(cuò)相位的模塊化低電流紋波電解電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法,該方案具有電流紋波小和控制方法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電流紋波分析

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

電解電源典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,包括三相PWM整流器和DC/DC變換器兩部分。

圖1 電解電源典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中,虛線(xiàn)后的模塊化DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由n個(gè)DC/DC變換模塊組成。各DC/DC變換模塊的輸入端和輸出端分別并聯(lián)連接,每個(gè)DC/DC變換模塊由半橋高頻逆變電路、帶中心抽頭高頻變壓器和全波不可控整流電路組成。在控制方法上使每個(gè)DC/DC變換模塊中高頻逆變器輸出電壓的相位均等錯(cuò)相,從而降低電解電源總輸出電流中的紋波幅值。

圖1中,三相交流電壓usa、usb、usc經(jīng)三相PWM整流器得到直流電壓Udc,Udc由n臺(tái)單相半橋高頻逆變器獲得n相均等移相的交流電壓usx(x=1,2…n),交流電壓usx(x=1,2…n)經(jīng)帶中心抽頭高頻變壓器、全波不可控整流電路及LC濾波器得到直流電流IDn,n個(gè)相位均等錯(cuò)開(kāi)的電流IDn并聯(lián)后得到負(fù)載電流IO。

1.2 電流紋波分析

根據(jù)圖1可得到單個(gè)全波不可控整流電路中相關(guān)參數(shù)的波形,全波不可控整流器的波形如圖2所示。三相PWM整流器輸出的高頻方波信號(hào)可以分解為以基波為主要成分的不同頻率和幅值的正弦信號(hào),因此以正弦信號(hào)輸入為例分析圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電流紋波。同時(shí),銅箔電解電源的負(fù)載為低阻值的銅電解溶液,直流平波電抗器的電感值相對(duì)于負(fù)載阻值較大,不可控整流電路的直流側(cè)負(fù)載可近似為純感性負(fù)載,故直流側(cè)負(fù)載電流ID1近似為恒定直流[18]。

圖2 全波不可控整流器的波形

以第1組全波不可控整流器為例,控制us1為正弦交流電壓Umsinωt,則交流輸入電流is1(t)為圖2(d)的180°寬交流方波,其周期為2π。如果把時(shí)間坐標(biāo)零點(diǎn)取在圖2的正弦波峰值時(shí)刻,則us1的表達(dá)形式為Umcosωt,is1(t)的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為

(1)

忽略變壓器損耗,根據(jù)變壓器工作原理有

us1·is1=UD1·ID1

(2)

則

(3)

可見(jiàn),UD1中的諧波分量以二倍頻分量為主。

當(dāng)n=2時(shí),控制us1、us2分別為

(4)

則

(5)

整理可得:

(6)

(7)

以此類(lèi)推,由N(N為奇數(shù))臺(tái)帶變壓器中心抽頭的全波不可控整流電路并聯(lián)構(gòu)成電解電源時(shí),第n臺(tái)高頻逆變器輸出電壓usn為

(8)

則n個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)而成的電解電源的直流輸出電壓可表達(dá)為

(9)

對(duì)比式(3)、式(9)可知,若控制每個(gè)高頻逆變器輸出電壓的相位均等錯(cuò)位,可以消除全波不可控整流電路輸出電壓中的低頻諧波分量,從而降低輸出電流的紋波系數(shù)。

2 低紋波電流控制方法

本文所提電解電源控制方法包括前級(jí)三相PWM整流器的直流側(cè)電壓控制方法和后級(jí)DC/DC變換器的控制方法。其中,前級(jí)三相PWM整流器的作用是為后級(jí)DC/DC變換器提供電能,并維持直流側(cè)電容電壓恒定,采用基于負(fù)載前饋的雙無(wú)差拍控制方法[13]。后級(jí)基于多相半橋逆變器均等錯(cuò)相控制的DC/DC變換器是降低電流紋波的關(guān)鍵。

DC/DC變換器中每個(gè)DC/DC變換模塊的輸出電流控制方法保持一致,其中,單個(gè)DC/DC變換模塊及其輸出電流控制原理如圖3所示。

圖3 單個(gè)DC/DC變換模塊及其輸出電流控制原理

DC/DC變換模塊輸出電流與負(fù)載的關(guān)系是IO=UO/RL。因?yàn)樨?fù)載是隨機(jī)變化的,而電解、電鍍等工藝需要恒定電流,則DC/DC變換模塊的輸出電壓應(yīng)隨負(fù)載阻值變化進(jìn)行調(diào)整,采用PI控制器對(duì)DC/DC變換模塊輸出電流進(jìn)行控制,即

(10)

式中:kp1、ki1——PI控制器1的比例和積分系數(shù)。

令K為高頻變壓器變比,D為占空比,則DC/DC變換模塊的輸出電壓與中間直流電壓的關(guān)系為

(11)

可見(jiàn),通過(guò)控制高頻逆變器上、下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通占空比D,可實(shí)現(xiàn)DC/DC變換模塊輸出電壓的控制,采用PI控制器控制DC/DC變換模塊的輸出電壓為

(12)

式中:kp2、ki2——PI控制器2的比例和積分系數(shù)。

取隔離變壓器的變比為1∶1∶1時(shí),由式(13)可得DC/DC變換模塊輸出電壓UO中的直流分量為

(13)

DC/DC變換模塊的控制原理框圖如圖4所示。

圖4 DC/DC變換模塊的控制原理框圖

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)及控制系統(tǒng)指標(biāo)要求,調(diào)試后可分別獲得內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制器的比例積分系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真模型如圖1,主要參數(shù):前級(jí)三相PWM整流器的交流輸入電壓為380 V,開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz;逆變器輸出交流電壓頻率及開(kāi)關(guān)頻率分別為1 kHz和100 kHz。CBn為250 μF,高頻變壓器Tn的變比為1∶1∶1,LO為1 mH,CO為600 μF;后級(jí)DC/DC變換模塊的額定輸出電流為1 kA,采用0.008 Ω純電阻模擬電解電源負(fù)載。

為驗(yàn)證電解電源輸出電流紋波的改善效果,不同DC/DC變換器結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)控制方法的仿真結(jié)果如圖5所示。圖5中,IO1為單個(gè)DC/DC變換模塊輸出電流,IO3-new為3個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用本文所提控制方法時(shí)的輸出電流,IO5-new為5個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用本文所提控制方法時(shí)的輸出電流。

圖5 不同DC/DC變換器結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)控制方法的仿真結(jié)果

由圖5可知,相對(duì)單個(gè)DC/DC變換模塊結(jié)構(gòu),采用本文所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法時(shí),電解電源的輸出電流紋波特性更優(yōu);隨著DC/DC變換模塊并聯(lián)數(shù)量增加,輸出電流最大峰峰值改善不明顯,但是輸出電流最大峰峰值的出現(xiàn)頻率大幅下降。

為驗(yàn)證本文所提控制方法在降低奇數(shù)個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)的直流輸出電流紋波系數(shù)方面的優(yōu)越性,給出了奇數(shù)個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)控制方法的仿真結(jié)果如圖6所示,奇數(shù)個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用本文所提控制方法的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6中,IO3為3個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)且均采用相同傳統(tǒng)控制方法時(shí)電解電源的直流輸出電流,IO5為5個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)且均采用相同傳統(tǒng)控制方法時(shí)電解電源的直流輸出電流。

圖7中,IO3-new為3個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)且采用本文所提控制方法時(shí)電解電源的直流輸出電流,IO5-new為5個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)且采用本文所提控制方法時(shí)電解電源的直流輸出電流。

對(duì)比圖6和圖7可知,基于相同主電路結(jié)構(gòu)的電解電源,本文所提控制方法比傳統(tǒng)控制方法的輸出電流最大峰峰值及最大峰峰值出現(xiàn)頻率均減小。

圖6 奇數(shù)個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)控制方法的仿真結(jié)果

圖7 奇數(shù)個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用本文控制方法的仿真結(jié)果

3.2 模擬實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法的有效性,在電源樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。電解電源樣機(jī)如圖8所示。負(fù)載為0.05 Ω(由10個(gè)0.5 Ω電阻并聯(lián)而成),給定輸出電流為120 A,由于輸出的直流電流很大,在此用負(fù)載兩端的直流電壓說(shuō)明其輸出電流效果。單個(gè)DC/DC變換模塊輸出電壓波形和5個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)輸出電壓波形分別如圖9、圖10所示。

圖8 電解電源樣機(jī)

圖9 單個(gè)DC/DC變換模塊輸出電壓波形

圖10 5個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)輸出電壓波形

對(duì)比圖9和圖10可知,本文所提電路結(jié)構(gòu)及控制方法能有效改進(jìn)電解電源輸出電流的穩(wěn)定度。

綜上所述,采用本文所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法可以有效改善電解電源輸出電流的紋波特性,輸出電流最大峰峰值出現(xiàn)的頻率隨著DC/DC變換模塊并聯(lián)數(shù)量的增加而不斷下降。但是,隨著DC/DC變換模塊并聯(lián)數(shù)量的增加,輸出電流最大峰峰值下降較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所提低電流紋波電解電源通過(guò)控制多個(gè)DC/DC變換模塊中高頻逆變器輸出電壓的相位均等錯(cuò)相,使各DC/DC變換模塊輸出電流中的部分紋波分量相互抵消,降低了電解電源總輸出電流中的紋波分量。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電解電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法的主要特點(diǎn):① 與單個(gè)DC/DC變換器結(jié)構(gòu)比較,可有效降低電解電源輸出電流中最大峰峰值的出現(xiàn)頻率。② 與基于傳統(tǒng)控制方法的多個(gè)DC/DC變換模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)比較,可有效降低電解電源輸出電流的最大峰峰值,改善輸出電流紋波。