電化學加工高效節能高頻開關電源及智能化系統

張桂東，張 波，肖文勛，丘東元

（華南理工大學電力學院，廣州 510640）

1 引言

電化學加工是一個耗能極大、污染十分嚴重的工藝過程。電化學加工的年耗電量占全國每年總耗電量的8%，相當于4個三峽發電站一年的發電總量。傳統的電化學加工需解決以下兩個問題：（1）高效的電化學加工電源。目前國內外的大功率電化學加工電源主要是工頻整流式電源，能耗高，最大效率僅為70%，且體積大、笨重、動特性較差，還會對電網造成較大的諧波干擾，高頻開關電源是節能的有效技術，然而目前應用于電化學加工高頻開關電源僅限于小功率容量范圍。大功率電化學加工高頻開關電源是一個新的研究方向[1-3]。（2）加工過程的智能化控制。傳統的電化學加工系統沒有根據工藝要求，控制電源的輸出，工藝過程自動化程度低導致加工過程金屬流失嚴重，廢水處理難度高，對環境造成了很大的污染[4]。為此，研究高效節能的電化學加工電源及工藝過程智能控制系統，對節能減排意義重大。

近年來，國內已完成了60 kW大功率等級的電化學電源的研制[5-7]，還對電鍍電源中各部分如高功率因數控制、大功率軟開關技術等的深入研究[8-10]。國外為了提高電化學電源的性能，則提出了各種各樣的拓撲，但大部分改進由于需要增加輔助諧振電路而使得它們很難應用于大功率場合[11-16]。且尚未能突破較高的功率等級，效率最高為87%，效率問題成為目前一個棘手的問題之一。

本文在目前國內外現有技術基礎上，以大功率開關電源及智能化控制為突破點，研制出一套智能化的電化學加工高頻開關電源系統。該系統由15 V/10 kA/150 kW的新型節能電化學電源裝置和一套電化學工藝過程智能監控系統組成。系統具有以下優點：（1）采用高頻電源裝置和工藝過程的協同控制策略，可根據不同工藝情況實時自動調節電源的電能輸出，滿足電解電鍍等電化學加工所需要的電流強度和波形，從而在大幅度節能的同時也提高了產品質量；（2）實現電化學工藝參數的在線控制，有效減少被加工金屬的不合理流失，減輕對環境的污染。經測試表明，該系統工作穩定可靠，電源效率可達90%，比傳統的電化學加工裝置節能20%以上，減少金屬流失10%以上，具有很好的市場前景。

2 系統總體結構

系統采用電源模塊化結構設計，由五臺15 V/2000 A的單機電源模塊并聯構成，結構見圖1。采用最大電流均流法實現各模塊電源電流的均流控制；加工工藝過程的信息管理系統，對每個電源模塊、總輸出以及電化學工藝過程進行監控，完成協同控制，它采用Labview軟件實現。

圖1 系統結構框圖

3 電源主電路及設計

3.1 主電路拓撲

移相全橋變換器適用于大功率場合[17]，因此，選擇它作為高頻開關電源的主電路拓撲，開關管選擇IGBT，并采用零電壓軟開關技術（ZVS），主電路拓撲及控制見圖2。

圖2 主電路及控制系統

3.2 主電路參數設計[18-20]

（1）逆變頻率選擇。綜合考慮功率管的開關損耗、高頻變壓器的體積、輸出電感的體積以及電源動特性等影響逆變頻率的因素，確定本文的逆變頻率為20 kHz。

（2）死區時間設計。死區時間應等于串聯諧振周期的1/4倍，才能防止開關管直通、獲得最寬的軟開關范圍以及保證最大的輸出功率等。因此，主電路軟開關換流時間的最大值就是開關管死區時間的最佳值。即

式中：Td為開關管的死區時間；Tr為串聯諧振周期：Lr為串聯諧振電感；Cr為串聯諧振電容。

（3）諧振元件參數設計。超前橋臂的諧振能量由輸出濾波電感提供，因此諧振過程中變壓器原邊電流近似恒定，故ZVS實現比較容易，只需讓死區時間不小于諧振電容的充放電時間，即滿足式（2）。

式中：Td（lead）為超前管死區時間；Vin為直流母線電壓；Ip為變壓器原邊電流；Clead為超前臂諧振電容。

由于此時Ip較大且近似恒定，故由此式所得死區時間一般較小。綜合考慮最大占空比及IGBT通斷延時等因素，確定超前臂死區時間為1.2 μs。實際裝置設計中，一般將超前臂和滯后臂的死區時間設為一致。選定死區時間之后，代入式（2）即可求得超前臂的諧振電容取值范圍。即

本文要求在10%額定負載的情況下能實現超前橋臂的ZVS，則由式（3）可求得超前臂諧振電容的取值范圍如下：

因此，本設計中超前臂諧振電容取10 nF。

滯后橋臂的ZVS實現較為困難，其參數設計要滿足以下兩個約束條件：

（1）滯后橋臂死區時間等于諧振周期的1/4，即

式中：Td（lag）為滯后橋臂的死區時間；Clag為滯后橋臂的諧振電容。

（2）諧振電感儲能大于諧振電容儲能，即

在滿足上述約束條件的前提下，各元件參數的取值應盡量小，最終確定諧振電感Lr=37 μH，滯后橋臂諧振電容C2=C4=Clag=7.8 nF。

4 控制系統及設計

4.1 主電路控制系統及設計

為了保證單臺電源能適應較大的負載波動，確定控制電路采用電壓環和電流環相結合的并列雙環控制策略，如圖2中虛線框部分所示。由于該控制系統電流環和電壓環經選擇器并聯，可將輸出電壓和電流均限制在給定范圍內，實現恒壓輸出或恒流輸出。

圖2 對應的系統控制小信號模型流圖如圖3所示，圖3中，Gvd，Gid分別是占空比到輸出電壓、電感電流的傳遞函數；Hv，Hi分別是電壓采樣、電流采樣傳遞函數；Gcv，Gci分別是電壓調節器、電流調節器的傳遞函數；GPWM是脈寬調制器傳遞函數?分別是輸出電壓、輸出電流、基準電壓、基準電流、占空比的小信號增量。

根據圖3可以建立主電路和控制電路的模型，從復頻域分析系統的穩態和動態性能，最后依據指標設計系統控制電路參數。

圖3 控制系統小信號模型流圖

由圖3中可以得到電壓、電流環系統開環傳遞函數。

電流環系統開環傳遞函數為

電壓環系統開環傳遞函數為

根據以下設計規則來設計Gcv，Gci。設計規則如下：

（1）系統開環傳遞函數穿越頻率盡量高，但要注意防止高頻振蕩；

（2）電壓環和電流環開環傳遞函數穿越頻率要錯開。

根據設計結果和式（7）、（8），得到單臺電源裝置15 V/2 000 A控制系統的電流、電壓開環傳遞函數波特圖，如圖4、圖5所示。從圖中可見電流環的相位裕度為59.7°，19.6 dB，電壓環的相位裕度和幅值裕度分別為42°，19.2 dB，滿足了穩態系統對動態響應指標的要求。

圖4 電流環開環傳函波特圖

圖5 電壓環開環傳函波特圖

4.2 均流控制電路及設計

圖6 中畫出了本文采用最大均流法其中一個并聯模塊的控制原理圖。其工作原理如下：當該電源模塊輸出電流最大時，其他電源模塊根據該電流信號來調整自身的輸出電流，直到某一個模塊的輸出電流超過該輸出電流，成為新的最大電流，如此循環，從而實現各模塊的輸出電流均衡。該方法可以實現較好的冗余，不會因為某一模塊的故障而影響整個系統的運行，而且均流母線的抗干擾性能比較好。

圖6 最大均流法控制電路

如圖6所示，假設初始各電源電流均衡，當該模塊電流突然增大且最大時，跟隨器的二極管D導通，其輸出電壓Vb等于VIx，均流母線電壓被箝為VIx，由于均流母線連接到各模塊的均流控制器輸出端，這將使其他模塊均流控制器輸出變化，實現均流控制。

5 結構設計與熱分析

5.1 結構設計

電源的結構設計基于以下4個原則[21-22]：

（1）保證熱敏感元器件的工作可靠性；

（2）盡量減少引線長度，一方面可以降低引線損耗，另一方面還能減少電磁干擾；

（3）體積要小，便于安裝、檢修與拆卸；

（4）風道設計不應使氣流壓頭損失過大，流速下降過多，且要盡量減少散熱片的體積。

為保證功率器件不會因溫度過高而損毀，要求器件的殼溫即散熱片的底板溫度小于等于70℃。采用2個抽風機建立雙風道進行強制對流散熱，電化學電源中的主要發熱器件是功率開關管、輸入輸出整流管，因此本設計基本流程如圖7所示。

圖7 設計流程圖

基于以上設計原則與設計流程，設計出單機結構模型如圖8所示。所設計的電源結構體積小，并能進行有效散熱，從而確保了電源工作的穩定可靠。

圖8 單機結構模型示意圖

5.2 熱分析

以圖8為模型進行仿真分析，可以得到電源整體的溫度分布，見圖9，表1是圖9中4個點A，B，C，D測溫點的仿真溫度與實際比較，從圖中可見，仿真結果與實際十分吻合，證明熱設計的有效性。

表1 仿真與實驗測溫點的溫度比較（滿載運行30 min）

6 電源信息管理系統

為保證電源的可靠性并合理控制電源的輸出功率，采用智能化的上位機管理系統對電源進行實時監控。本文采用NI公司開發的Labview軟件和數據采集卡PCI6221，開發了一套電源信息管理系統[23-24]。電源信息管理系統的框圖如圖10所示，該系統由三個子系統構成，所要實現的主要功能包括：

（1）對大功率電化學電源裝備、單臺電源的狀態參數（16個參數以上，包括輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、直流電壓、直流電流、控制板電壓、驅動板電壓以及電源內部各主要部件的溫度）以及工藝過程的狀態參數進行實時監測及顯示，動態響應速度達到微秒級；

（2）根據檢測狀態參數對電源進行故障診斷和故障預測，使裝備平均無故障時間提高50%；

（3）實現電源之間以及電源、工藝過程之間的協調控制，提高電源的可靠性；并在實現電源節能的同時，達到工藝過程節能及提高工藝質量，減少金屬流失的目的。

圖9 電源溫度分布仿真

圖10 電源信息管理系統框圖

根據圖10電源信息管理系統的工作原理，圖11為設計的電源信息管理系統界面。

圖11 參數設置主界面

7 實驗

研制的15 V/2 000 A單臺樣機如圖12所示，如圖13為整機。對整機測試表明，滿載效率可達90%，且各項指標均滿足了設計要求和工業生產需求。

圖12 單臺高頻開關電源

圖13 整機

8 結論

（1） 從系統設計、主電路設計、結構及熱設計幾個方面全面介紹了15 V/10 kA/150 kW的新型節能電化學電源裝置及其電化學工藝過程智能監控系統，對發展大功率電化學加工電源具有較好的實際意義。

（2）實驗結果表明,采用移相全橋主電路以及主電路各參數的設計、電壓電流并列雙環的單機控制方式能夠使電源有穩定的輸出；系統結構設計合理，散熱性好。

（3）研制的工藝過程智能控制系統,實現了對多臺電鍍電源的協同控制，系統效率可達90%，比傳統的電化學加工裝置節能20%以上，減少金屬流失10%以上，節能減排效果顯著。

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