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

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(diǎn)，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(shí)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(kuò)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(jì)思想就是在上述簡單并聯(lián)后的基礎(chǔ)上，再單獨(dú)設(shè)計(jì)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.

在自動控制電機(jī)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(jì)思想，設(shè)計(jì)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(dú)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(dú)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(dú)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(jì)原理

3.1 單臺高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(hù)：過流保護(hù).熱保護(hù).過壓保護(hù).欠壓保護(hù)

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(jī)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.

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度，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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流.同時通過軟啟動.過流過壓保護(hù).短路保護(hù)及限壓限流電路對電源本身實(shí)施保護(hù)措施.[!--empirenews.page--]

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(dú)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(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的擴(kuò)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(jì).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(yùn)行并斷開輸出連接，把備份的高頻開關(guān)電源通電投入運(yùn)行即可.從而把處理故障的時間減少到最小.

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(shí)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(jì)過程中，先把單臺高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(shí)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(yùn)行已有近兩年，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，用戶反應(yīng)良好.