CN100588101C - 嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，包括通过CAN总线连接的多组智能节点型模块式电源电路、智能控制模块组成；智能节点型模块式电源电路包括主电路和控制电路组成，主电路由整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑模块组成；控制电路包括电流电压反馈采样检测模块、ARM微控制器系统、脉宽调制模块、高频驱动模块组成。本发明在进一步提高效率和逆变频率的同时，提高了大功率电解电源的电磁兼容能力，节能，体积小，重量轻，实现了全数字化控制，工艺质量高，操作便捷，多模块式电源协同工作，进一步提高了冗余能力和可靠性，特别适合于铝、铜、锌等有色金属电解冶炼等行业应用。

Description

嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源

技术领域

本发明涉及光机电一体化技术领域，还涉及金属冶炼与加工技术、电力电子技术、高频逆变技术、数字化控制技术以及自动控制理论与技术领域，具体是指一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源。

背景技术

我国高能耗工业领域(电解铝、电解铜、电镀、电解锰、电泳等)的电能消耗超过生产总成本的一半以上，是主要的特大耗能用户，其主要能耗集中在电源装备电能转换过程及工艺实施过程。例如，电解铝是高能耗产业之-，其耗电量约占到整个有色金属行业(包括铝、铜、铅、锌等10类高耗能产品)能耗的60％，出口电解铝被称为“出口国家电力”。统计数字显示，2006年，我国电解铝产量为935万吨，综合交流电耗为14671千瓦时/吨，总耗电1372亿千瓦时，占全国电力消费的5％，而同年电解铝的总产值还不到国内GDP的1％。自2004年以来，电解铝行业一直是国家宏观调控的重点领域。

在电解铝的生产过程中，如采用传统的硅整流电源设备，效率一般为65％，电解1吨铝的设备内部耗电为5136度；如采用晶闸管电源设备，效率一般为75％，电解1吨铝的设备内部耗电为3668度。随着国民经济的快速发展，我国已逐渐成为“全球加工基地”，近几年电解铝的产量猛涨，2005年突破780万吨，2006年突破935万吨，2007年预计突破1100万吨，耗电1614亿度。此外，2006年，我国精炼铜产量约为295万吨，电解锌产量约为300万吨，我国十种有色金属总产量将超过1800万吨，这些有色金属的制造过程耗电量巨大，高达270亿KVA。

由于受到器件质量以及科技水平的限制，目前的大功率/特大功率电解电源基本上都是采用效率低、对网电冲击大、无功损耗大的传统硅整流式、可控硅式电源，电源装备电能转换过程中电能损耗巨大。它们消耗的铜铁铝材也特别多，而且控制、调节性能和输出稳定性较差，直接影响电解、电镀生产效率与质量的提高。

20世纪70年代末期以来，逆变技术因其高效节能省材等优点开始得到越来越多的关注，被誉为“明天的电源”、“新一代的电源”。采用逆变技术是解决以上这些问题的好方法。首先，逆变技术大幅度提高电源的转换频率，使得电源主变压器的体积、质量大幅度地减小；同时，由于电子功率器件工作于开关状态，变压器等可以采用铁损系数很小的磁芯材料，效率得到极大地提高；由于主电路中存在电容，功率因数得到提高，节能效果明显；此外，由于工作频率很高，主电路中滤波电感值小，电磁惯性小，易于获得良好的动特性，因此可控性好。

目前，严重制约大功率特种工业逆变电源发展的问题之一就是其对环境的污染问题，“电磁污染”已经继“水、气、渣、声”之后被确定为第五大环境污染源。为进一步提高我国电气电子产品的安全性和可靠性，电气电子产品的电磁兼容性要求将纳入国家强制性产品认证范围。在出口方面，由于受欧盟指令的限制，我国特种工业逆变电源产品很难进入欧洲市场。中国已经加入WTO，随着世界经济一体化进程的加快，如不加快逆变电源的“绿色化”改造进程，国产的特种工业逆变电源很可能被挤出国际甚至国内市场。采用软开关高频逆变技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低大功率特种工业电源的电磁干扰，提高逆变电源的电磁兼容性。

此外，数字化控制易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得工业电源的智能化程度更高，性能更加完美；能够容易的实现恒电压或者恒电流自动控制、恒电流密度的智能控制和脉冲电流多参数的匹配与控制。通过高频下的低频脉冲调制，获得断续的方波和其它任意脉冲波形的电流输出以及通过断比、峰值电流密度、脉冲频率调节等，实现脉冲多参数的优化匹配，提高工艺质量和生产效率。它是今后发展和普及推广的电解技术。

因此，采用具有显著高效节能环保、节材、高可靠性的大功率高频电源装置，代替传统的硅整流电源、晶闸管电源设备，并以此为平台对其工艺工程进行过程智能监控，实现能量的合理配置，达到节能增效的目的，将具有重要的经济价值和社会意义。在大功率电解电源领域，目前还未见有采用基于ARM的智能节点型模块式电解电源结构，通过积木式方式增大功率输出的报到，也未见有数字化控制的采用软开关高频逆变技术的产品报道。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，针对目前大功率电解电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，提出一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源。该电源效率可高达90％，同时节省制造材料，体积小巧，冲击电流小，电磁兼容性好，具备较强的冗余能力，可靠性高，并减少对电网的干扰，响应速度快，可实现工艺过程多参数优化匹配，工艺质量高，特别适合于铝、铜、锌等有色金属电解冶炼等行业应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

所述一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，包括多组智能节点型模块式电源电路以及智能控制模块相互连接组成，所述智能节点型模块式电源电路相互并联，并分别与智能控制模块相连接；所述智能节点型模块式电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成，所述主电路由依次连接的整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑模块组成，所述整流滤波模块还与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑模块还与负载相连接；所述控制电路包括电流电压反馈采样检测模块、ARM微控制器系统、脉宽调制模块、高频驱动模块依次连接组成，所述电流电压反馈采样检测模块还与负载相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接。

为了更好地实现本发明，所述ARM微控制器系统通过网络化管理扩展模块与智能控制模块相连接；所述网络化管理扩展模块主要由CAN控制器SJA1000以及CAN收发器PCA82C250相互连接组成；所述ARM微控制器系统连接有安全保护模块，所述安全保护模块还分别与脉宽调制模块、温度检测模块、网压检测模块相连接，所述网压检测模块还与三相交流输入电源相连接；所述脉宽调制模块主要由误差放大电路、反相器芯片ULN2003A和移相集成控制芯片UC3879及辅助电路相互连接组成；所述高频逆变模块的功率开关管为工作于零电压软开关模式的功率开关管；所述高频驱动模块主要由两个脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、M74HC4049和CD4011及辅助电路相互连接组成；所述ARM微控制器系统111主要由固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用先进的高频IGBT软开关逆变技术，其单管或者模块的容量比较大，耐压最高达6500V以上，电流容量可达3300A，特别适合大功率电解电源的要求，在进一步提高效率和逆变频率、节省制造材料的同时，改善器件工作环境，提高了大功率电解电源的电磁兼容能力，冲击电流小，并减少对电网的干扰，响应速度快，可靠性高，节能，体积小，重量轻，移动方便。

2、本发明实现了全数字化控制，使电解电源具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性，控制系统灵活，系统升级方便，易于实现多特性和多功能的转换以及多参数的协同控制，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期；工艺参数匹配容易，可根据工艺需要实现直流、脉冲或者叠加脉冲输出，工艺质量高，操作简单、快捷。系统的一致性较好，易于标准化，生产制造方便。

3、由于电解电源所需的功率大(一般高达数百KW)，并且是长时间不停机工作，对逆变式电解电源的功率输出能力以及可靠性是一个非常严峻的考验。本发明采用了基于ARM的智能节点型模块式结构，通过CAN总线实现多智能节点型模块电源的并联，通过智能控制模块实现多模块式电源的协调工作、故障的自动诊断与切换，监控和综合管理，在增大输出功率的同时，进一步提高了系统的冗余能力和可靠性，特别适合于铝、铜、锌等有色金属电解冶炼等行业应用。

附图说明

图1是本发明的电路方框图；

图2是本发明的单组智能节点型模块式电源电路的电路原理图；

图3是本发明的脉宽调制模块的电路原理图；

图4是本发明的高频驱动模块的电路原理图；

图5是本发明的ARM微控制器系统的电路原理图；

图6是本发明的智能控制模块的电路原理图；

图7是本发明的协同控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实现方式并不限于此。

如图1所示，本发明所述一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源包括多组智能节点型模块式电源电路(模块一、模块二……模块N)以及智能控制模块112相互连接组成，智能节点型模块式电源电路通过CAN总线相互并联，并分别与智能控制模块112相连接，每个智能节点型模块式电源电路相当于一个智能节点。智能节点型模块式电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成。主电路由依次连接的整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103、整流平滑模块104组成，整流滤波模块101还与三相交流输入电源相连接，整流平滑模块104还与负载相连接。控制电路包括电流电压反馈采样检测模块109(包括电流电压的采样电路和对采样信号的处理与分析电路)、ARM微控制器系统111、脉宽调制模块107、高频驱动模块108依次连接组成，电流电压反馈采样检测模块109还与负载相连接，高频驱动模块108还与高频逆变模块相连接。ARM微控制器系统连接有人机对话模块110(包括对给定信号、输出信号的处理以及显示电路，保证单组智能节点型模块式电源电路也可以独立工作)以及工艺参数给定模块，并通过网络化管理扩展模块114(主要包括基于TCP/IP、CAN等通信扩展应用电路，由CAN控制器SJA1000A和CAN收发器PCA82C250等构成)与智能控制模块112相连接，同时还连接有安全保护模块106，安全保护模块106还分别与脉宽调制模块107、温度检测模块113、网压检测模块105相连接，网压检测模块105还与三相交流输入电源相连接。温度检测模块113还与高频逆变模块102的散热器和功率变压模块103的绕组相连接，检测温度情况，起到过热保护作用。

如图2所示，在主电路中，三相交流输入电源接整流滤波模块101的整流桥，然后连接滤波环节L₁、C_5-8、R_3-4，再连接高频逆变模块102的逆变桥VT_{1 -4}、C_11-14，其中，C_11-14为外接的谐振电容。高频逆变模块102的输出接功率变压模块103的高频功率变压器T1初级，高频功率变压器T1次级通过高频全波整流电路D_1～3、滤波环节L₂、C_9-10、C₁₇、R₉后输出直流电，以上环节构成功率主电路。高频逆变模块102包括TR₁和TR₂两个逆变桥臂(分别为超前桥臂和滞后桥臂)，每个桥臂包含了两个单元的IGBT。

如图3所示，脉宽调制模块107主要由误差放大电路、反相器芯片ULN2003A和移相集成控制芯片UC3879及辅助电路相互连接组成。UC3879输出四路相位差可调、死区时间可调的PWM信号。安全保护模块106输出的信号通过ULN2003A控制UC3879是否进行保护输出，一旦安全保护信号有效，UC3879输出的PWM信号移相脉宽关断，迅速实现对高频逆变模块102的保护。

如图4所示，高频驱动模块108主要由两个脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、M74HC4049和CD4011及辅助电路相互连接组成，构成模数信号的隔离电路与对PWM信号的功率放大电路。高频驱动模块108主要起到数模隔离以及功率放大作用，从UC3879控制芯片出来的PWM信号经过由脉冲变压器、高频开关管等构成的两个专用驱动模块SC0724M进行数模隔离和功率放大，分别驱动超前和滞后逆变桥臂TR₁、TR₂的四个高频大功率IGBT开关器件。PWM信号经过高频驱动模块108隔离放大之后，转变为正半波最高幅值+15V，负半波最低幅值-15V的交流脉冲信号，可以满足大功率IGBT可靠开启和关断的需要。通过控制超前桥臂TR₁和滞后桥臂TR₂的相位差异，也即控制两组PWM信号的移相角，通过逆变主回路中的外接谐振电容、寄生电容和功率变压器的寄生电感、漏感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，开关损耗低，器件的电磁应力大幅度降低。

如图5所示，ARM微控制器系统111以固化于ARM芯片内的μC/OS-II嵌入式实时操作系统为操作平台，主要由固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。根据电流电压反馈采样检测模块109检测到负载的电流电压信号通过CN1端口接入ARM微控制器系统，与工艺参数给定模块给定的参数进行比较，并在μC/OS-II嵌入式实时操作系统上完成数据运算和处理，再经过ARM微控制器的引脚输出控制信号，控制脉宽调制模块107输出相位差可调的四路PWM信号，通过高频驱动模块108隔离放大后去控制高频逆变模块102的开关管开通和关断。ARM芯片主要实现智能节点型模块式电源的输出特性控制、工艺过程的时序控制、外部监控与人机对话的功能，可以实现单机的独立控制。外部监控信号如电源指示、故障指示、欠过压指示等都是通过ARM芯片来控制的，工艺模式的选择、参数调节、电流电压显示信号的控制也都是通过ARM芯片来完成的。其中，各保护模块如欠压保护、过压保护、过热保护等输出信号接入ULN2003A，然后与ARM微控制器系统111和脉宽调制模块107相连接，接入ARM微控制器主要用于故障的类型显示、报警、联动等处理，而接入脉宽调制模块则主要用于紧急故障时直接关闭模块式电源的输出。ARM微控制器系统111还起着人机对话的功能，内部电路信号会通过ARM微控制器系统111传送到外部端口的显示面板上，而外部的控制信号也是通过ARM微控制器系统111来对工艺过程进行实时控制。利用ARM芯片控制外部监控与人机对话使得本电解电源的参数调节与控制更方便，使用方便，更易于推广。

如图6所示，智能控制模块112的电路与ARM微控制器系统111的电路基本相同，均采用ARM控制芯片，以固化于ARM芯片内的μC/OS-II嵌入式实时操作系统为操作平台，包括了ARM控制芯片、由74hc595、OCM12864-3等组成的显示电路、键盘参数给定电路、由CAT1025JI-30构成的I²C接口控制电路、供电电路等构成。

如图7所示，智能控制模块112通过CAN总线与单组智能节点型模块式电源电路的ARM微控制器系统111相连接，每个智能节点型模块式电源电路相当于一个智能节点，这些智能节点的ARM微控制器系统111通过网络化管理扩展模块114与智能控制模块112相连接，实现对多组智能节点型模块式电源电路进行协同控制的目的。通过内嵌的TCP/IP协议，还可以实现对整机电源的远程网络化管理功能。

应用本实施例时，三相工频交流电经过整流滤波模块101后成为平滑直流电，进入高频逆变模块102，ARM微控制器系统111根据电流电压反馈采样检测模块109检测到负载的电流电压与设定值进行高速数据运算和处理，之后给脉宽调制模块107控制信号，控制脉宽调制模块107输出的PWM信号的移相角，PWM信号通过高频驱动模块108进行数模隔离与功率放大后去控制高频逆变模块102，通过逆变回路的移相谐振换流实现IGBT功率开关管的零电压开通和关断，并得到20～30KHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块103转换成符合电解工艺要求的电流电压输出，再经过整流平滑模块104得到平滑的输出；通过脉宽调制的方式实现电解电源直流、脉冲或者叠加脉冲输出，这就是整个的闭环控制过程。温度检测模块113检测散热片以及变压器绕组温度，送给安全保护模块106，网压检测模块105检测三相工频电压，把检测到的电压信号送给安全保护电路106，从而控制脉宽调制模块107的PWM移相角，形成过热、过压、欠压等保护控制环节，以保证电源的安全工作；安全保护模块106同时将检测信息传递给ARM微控制器系统111，进行故障的诊断、信息显示、报警以及与系统中冗余的模块式电源进行切换等，从而保障电解电源的安全和持续工作能力。

本实施例具有以下显著特征：

1、本实施例首次使用智能节点型模块式电源结构，解决了大电流高功率情况下的并联均流工作问题，通过积木式方式使逆变式电解电源功率可靠增大到100KW级以上，满足电解工艺要求；每个模块式电源相当于一个智能节点，智能控制模块与每个智能节点通过CAN总线连接，控制多组结构基本相同的智能节点型模块式电源输出，这种模块式、积木式的控制结构提高了电解电源的冗余能力，进一步提高了大功率电解电源对长时间、大电流、持续生产等恶劣生产加工环境的适应能力。

2、本发明采用先进的高频IGBT软开关逆变技术，使节电优势特别明显，效率高达90％，冲击电流很小，可靠性高，体积小，重量轻，移动方便。更为重要的是，采用该新型软开关技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低大功率电解电源的电磁干扰，提高电磁兼容能力。

3、本实施例以ARM微控制器为控制核心，采用数字化动特性精密控制技术，系统具有良好的动特性，易于实现多特性和多功能的转换，通过脉宽调制的方式能够实现直流、脉冲以及叠加脉冲的输出，大大提高了电解电源的工艺适应性能，使得工艺过程的可控性得到了极大的提高，可以进一步降低能耗，保证工艺质量。

4、本实施例设置了较全面的安全检测与保护电路，包括过压、欠压、过流、过热等等保护电路，有效地提高了大功率电解电源的安全性和可靠性，并具备自动电网波动补偿功能——在电网波动±15％的情况下都不会影响电解电源的正常工作。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (6)

1、一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，其特征是，包括多组智能节点型模块式电源电路以及智能控制模块相互连接组成，所述智能节点型模块式电源电路相互并联，并分别与智能控制模块相连接；所述智能节点型模块式电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成，所述主电路由依次连接的整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑模块组成，所述整流滤波模块还与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑模块还与负载相连接；所述控制电路包括电流电压反馈采样检测模块、ARM微控制器系统、脉宽调制模块、高频驱动模块依次连接组成，所述电流电压反馈采样检测模块还与负载相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接；

所述脉宽调制模块主要由误差放大电路、反相器芯片ULN2003A和移相集成控制芯片UC3879及辅助电路相互连接组成，其中，所述误差放大电路的输出连接到移相集成控制芯片UC3879的引脚(3)，所述反相器芯片ULN2003A的引脚(16)连接到移相集成控制芯片UC3879的引脚(4)。

2、根据权利要求1所述的嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，其特征是，所述ARM微控制器系统通过网络化管理扩展模块与智能控制模块相连接。

3、根据权利要求2所述的嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，其特征是，所述网络化管理扩展模块主要由CAN控制器SJA1000以及CAN收发器PCA82C250相互连接组成，其中，所述CAN收发器PCA82C250的引脚(1)、(4)分别连接到CAN控制器SJA1000的引脚(13)、(19)。

4、根据权利要求1所述的嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，其特征是，所述ARM微控制器系统连接有安全保护模块，所述安全保护模块还分别与脉宽调制模块、温度检测模块、网压检测模块相连接，所述网压检测模块还与三相交流输入电源相连接。

5、根据权利要求1所述的嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，其特征是，所述高频逆变模块的功率开关管为工作于零电压软开关模式的功率开关管。

6、根据权利要求1所述的嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源，其特征是，所述ARM微控制器系统主要由固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、ULN2003A以及辅助电路相互连接组成，其中，所述ULN2003A的引脚(2)连接到ARM芯片的引脚(47)，ULN2003A的引脚(3)连接到ARM芯片的引脚(46)，ULN2003A的引脚(4)连接到ARM芯片的引脚(45)，ULN2003A的引脚(5)连接到ARM芯片的引脚(44)，ULN2003A的引脚(6)连接到ARM芯片的引脚(43)，ULN2003A的引脚(7)连接到ARM芯片的引脚(42)。

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