CN103944405A - 用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：该装置由主电路系统，信号调理电路系统，MCU控制系统，和系统辅助电源组成。其中，主电路系统由IGBT，IGBT驱动电路，工频变压器和滤波电容组成；MCU控制系统由PWM信号输出，用户交互接口，外部接口组成；本发明通过MCU控制，工频变频器改变滤波电容大小，可以实现较高的响应时间；通过信号调理电路等技术手段，实现较小的纹波；通过采用系统辅助电源，可以提高系统的安全性。

Description

用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源

技术领域

本发明涉及煤粉、生物质及废弃物热利用研究时的实验装置，具体是一种用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源。 

背景技术

升温速率可控的电加热反应器主要有固定床、热重等，其中固定床采用电加热，具体是将反应器置于电炉内并被电炉加热，加热方式有两种：一种为程序升温加热方式，其缺点是在加热速率可控的条件下，升温速率不高(低于100℃/min)；另一种为快速升温，即将电炉加热到一定温度后，将反应器快速置于电炉内，其缺点是升温速率不可控，试验样品的升温历程与操作人员的操作关系很大，且重复性较差。 

丝网反应器的理论升温速率可以达到1000℃/s，为了达到如此高的升温速率，关键有两点：第一点，热电偶的采样率足够高，采样率高达100次/s；第二点，是加热电源的响应速率足够快，从0V到最大电压的响应时间为，响应时间需要小于5ms，与此同时，为了保证控温程序的精确性，对电源纹波大小也有比较苛刻要求。对于第一点，可以通过采购采样率高的温度采样器实现；对于第二点，鉴于国内市场上出售的可控电源的响应速率不够快，基本在响应时间在100ms左右，不能满足高速控温要求，而国外如日本菊水PAT-T系列在额定负载时上升/下降时间为100ms/100ms，安捷伦N8700系列在额定负载时的上升/下降时间普遍为80ms/100ms，这一系列的产品均不能满足该丝网反应器的要求，所以需要开发适合该丝网反应器的快速线性直流电源可控电源，特别是高响应速度大功率的可控电源。 

发明内容

本发明针对上述问题，设计了用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源，该电源属于线性可控电源，提供加热的同时，可以接受0-5V的控制电压信号，从而控制电源功率输出。 

本发明的技术方案如下： 

用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源，其特征在于：包括主电路系统、信号调理电路、MCU控制系统和系统辅助电源； 

所述主电路系统包括IGBT、IGBT驱动电路、工频变压器、滤波电容，IGBT与工频变压器连接，工频变压器与滤波电容连接，滤波电容连接信号调理电路； 

所述MCU控制系统采用MCU单元； 

所述MCU单元连接信号调理电路，MCU单元的PWM口连接至IGBT驱动电路(2)，IGBT驱动电路连接IGBT； 

所述MCU单元通过信号调理电路获取信息，并进行处理通过PWM口输出PWM波，PWM波通过IGBT驱动电路隔离后驱动开通与关断，进而输出信号驱动IGBT，最终实现MCU单元的信号控制IGBT的开通与关断实现交流调压，并且通过IGBT驱动电路驱动IGBT进行交流输出调压。 

所述IGBT的额定电压为600V，额定电流为50A。 

所述IGBT驱动电路采用高速光耦TLP250，用于隔离驱动IGBT。 

所述主电路系统还包括工频变压器，工频变压器的原边输入电压为220VAC，输出电压为0～24VAC，变比n为：其中U_p为原边电压，U_s为次级电压。 

所述MCU控制单元设置有用于四路IGBT驱动信号的输出PWM口，通过MCU的事件管理功能模块实现。 

所述MCU控制单元还连接设置有用户交互接口和外部接口；所述用户交互接口采用三位LED7段码(带小数点)显示当前系统输入、输出电压及输出电流的大小，方便用户了解系统工作状态，采用动态显示的方式，节省系统IO口，通过4-16译码器选通对应位，通过IO1-8输出显示数据；所述外部接口采用RS485通信口实现，通过1路PWM同步触发口可通过MCU的捕获端口，设置PWM信号的开关时刻，所述RS485通信口采用Max485芯片实现，可以实现全双工通信。 

所述MCU控制单元的设置有AD采样口，通过MCU内部的AD采样模块实现，用于采样当前系统工作状态的各种电压、电流信号等信息，无需外扩AD转换芯片，大大减小了系统硬件设计的复杂程度。 

所述系统辅助电源选用电路拓扑简单、体积小的单端反激式电源，采用TOP开关电源系列或者UC3845等控制芯片来实现。 

MCU单元通过信号调理电路和外部交互接口获取信息，并进行处理输出PWM波，PWM通过高速光耦TLP250隔离后驱动三极管的开通与关断，进而输出信号驱动IGBT，最终实现MCU信号控制IGBT的开通与关断实现交流调压。通过IGBT驱动电路驱动IGBT,进行交流输出调压。 

本发明的有益效果如下： 

(1)通过改变滤波电容大小，可以实现较高的响应时间； 

(2)通过采用信号调理等技术手段，实现较小的纹波； 

(3)通过采用系统辅助电源，可以提高系统的安全性。 

附图说明

图1为本发明的系统总体结构框图。 

其中附图标记为：1IGBT，2IGBT驱动电路，3MCU控制系统，4信号调理电路，5工频变压器，6滤波电容。 

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步的详细说明。 

图1所示的用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源，包括主电路系统、信号调理电路4、MCU控制系统3和系统辅助电源； 

1、主电路系统由IGBT1、IGBT驱动电路2、工频变压器5和滤波电容6组成； 

(1)IGBT 

IGBT是最近二三十年研究出来的具有GTR和功率MOSFET复合形成的一种新型功率器件，在本系统中，IGBT1的工作电压为220VAC，考虑电压波动电网范围为:185VAC～242VAC，系统输出功率2KW，工频变压器5变换效率80％。 

通过计算可得变压器初级电流： 

考虑2.5倍余量，IGBT1电流额定值为： 

I_pmax＝I_p*2.5＝13.5A*2.5＝33.75A 

初级电压峰值为： 

$U_p=\sqrt{2}*V_{\mathrm{ac}\max }=\sqrt{2}*245=346V$

考虑1.5倍余量，IGBT1电压额定值为： 

U_pmax＝U_p*1.5＝346V*1.5＝519V 

确定IGBT1的额定电压为600V，额定电流为50A。 

(2)IGBT驱动电路2的设计 

基于对IGBT1的性能分析，通过高速光耦TLP250隔离驱动IGBT1。 

(3)变压器设计 

在此系统中，变压器原边输入电压为220VAC，变压器输出电压为0～24VAC，考虑到占空比调制脉宽可调范围为0～100％，以及部分余量考虑，变比n为： 

$n=\frac{U_p}{U_s}=\frac{220V*0.85}{24V}=7.8$

由上已知变压器： 

原边电压为U_p＝220VAC/50Hz，原边电流为I_p＝13.5A； 

次级电压为U_s＝24VAC，电流为：

变压器在饶制过程中，注意初级绕组漏感越小越好，次级绕组漏感控制在一个较低值。 

2、信号调理电路4设计 

信号调理电路4主要是对信号进行变换，将高压、大电流信号变为MCU能接受的小电压信号，进而MCU对信号进行处理。 

(1)输出电流信号 

通过电流传感器获取mA级信号值，通过调理电路将电流值转换为对应的处理器能够处理的电压值。 

(2)输入、输出电压信号 

实现将输入、输出电压值调理成MCU能够接受的信号，用于MCU的处理。 

(3)输出电流限制 

输出电流限制主要是通过采样直流电压值的大小来限制输出电流的最大值，当输出电流大于设定值后，设定值将不再增加，起到保护系统的作用。例如本例中，输出电流设定为80A，那么输出电流就限定在80A以下。 

3、MCU控制系统3设计 

MCU控制部分是系统的核心，主要实现PWM输出、系统状态显示、AD采样等口的实现。 

(1)PWM信号输出 

通过MCU中的定时器与比较寄存器的值进行比较，控制IO口输出高低电平。定时器的周期决定了PWM波的开关周期，比较寄存器的值决定了PWM波的占空比，占空比的大小决定了输出电压的大小，进而控制加热元件的温度和升温速度。 

(2)用户交互接口设计 

通过三位LED7段码(带小数点)显示当前系统输入、输出电压及输出电流的大小，方便用户了解系统工作状态。 

采用动态显示的方式，节省系统IO口。通过4-16译码器选通对应位，通过IO1-8输出显示数据。 

(3)外部接口设计 

所述外部接口采用RS485通信口实现，通过1路PWM同步触发口可通过MCU的捕获端口，设置PWM信号的开关时刻，所述RS485通信口采用Max485芯片实现，可以实现全双工通信。 

四个PWM口PWM1-PWM4，输出四路IGBT驱动信号，通过MCU的事件管理功能模块实现。 

AD采样口，采样当前系统工作状态的各种电压、电流信号等信息，通过MCU内部的AD采样模块实现，无需外扩AD转换芯片，大大减小了系统硬件设计的复杂程度。 

4、系统辅助电源设计 

系统中，需要24V、12V、5V等电压等级的电压源，由于其要求多路输出，输出功率不大，因此选用了电路拓扑简单、体积小的单端反激式电源，通过自行设计开关电源来为系统工作提供动力，采用TOP开关电源系列或者UC3845等控制芯片来实现。开关电源通过高频变压器使输入输出隔离，实现了无工频变压器5和电气隔离。 

该电源接受外电路的0～5V的电压输入信号，经过处理后，输出一个对应的0～24V的电压信号，上升时间和下降时间均小于5ms。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (8)

1.用于高升温速率丝网反应器的线性可控电源，其特征在于：包括主电路系统、信号调理电路（4）、MCU控制系统（3）和系统辅助电源；

所述主电路系统包括IGBT（1）、IGBT驱动电路（2）、工频变压器（5）、滤波电容（6），IGBT（1）与工频变压器（5）连接，工频变压器（5）与滤波电容（6）连接，滤波电容（6）连接信号调理电路（4）；

所述MCU控制系统（3）采用MCU单元；

所述MCU单元连接信号调理电路（4）， MCU单元的PWM口连接至IGBT驱动电路（2），IGBT驱动电路（2）连接IGBT（1）；

所述MCU单元通过信号调理电路（4）获取信息，并进行处理通过PWM口输出PWM波，PWM波通过IGBT驱动电路（2）隔离后驱动开通与关断，进而输出信号驱动IGBT（1），最终实现MCU单元的信号控制IGBT（1）的开通与关断实现交流调压，并且通过IGBT驱动电路（2）驱动IGBT（1）进行交流输出调压。

2.根据权利要求1所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述IGBT（1）的额定电压为600V，额定电流为50A。

3.根据权利要求1所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述IGBT驱动电路（2）采用用于隔离驱动IGBT（1）的高速光耦TLP250。

4.根据权利要求1所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述工频变压器（5）的原边输入电压为220VAC，输出电压为0~24VAC，变比n为：                                                ，其中U_p为原边电压， U_s为次级电压。

5.根据权利要求1所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述MCU单元设置有用于四路IGBT驱动信号的输出PWM口，通过MCU的事件管理功能模块实现。

6.根据权利要求1或5所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述MCU单元还连接设置有用户交互接口和外部接口；所述用户交互接口采用三位LED 7段码示；所述外部接口采用RS485通信口实现，所述RS485通信口采用Max485芯片实现。

7. 根据权利要求6所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述MCU单元的内部具有AD采样模块，所述AD采样模块作为AD采样口。

8.根据权利要求1所述的用于快速升温速率的电加热反应器的线性电源，其特征在于：所述系统辅助电源选用单端反激式电源，采用TOP开关电源系列或者UC3845实现。