CN105048833B - 一种低纹波电解电源及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低纹波电解电源及控制方法。该电源包括：工频AC/DC变换器、DC/DC变换器和控制器；DC/DC变换器还包括DC/AC高频变换单元以及相对应的两个高频AC/DC变换单元，工频AC/DC变换器，用于将工频三相输入电压转换成第一直流电压；DC/AC高频变换单元，用于将第一直流电压转换成高频交流电压；两个高频AC/DC变换单元，用于将高频交流电压转换成第二直流电压；控制器，用于控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压。本发明实施例不需要提高DC/DC变换器的控制频率，即可降低直流电压中的低频谐波分量，从而可以解决现有技术中电解电源结构复杂、开关损耗大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种低纹波电解电源及控制方法。
背景技术
电解电源是将交流电变换成直流电的一个整流电源，在电解、电镀与电泳等电化学行业中有广泛应用。由于电解电源的直流电压纹波会影响到电子铜箔的厚度以及均匀，故电解电源成为高端电子铜箔与电镀等行业中的关键工艺设备。
现有技术中，对电解电源的研究主要集中在低压大电流电源、电源功率因数、电源谐波污染、电源功率损耗和直流电压纹波抑制方面。有专利申请利用例如功率MOSFET与IGBT等全控型器件构建PWM整流电源和DC/DC变换器等模块可以很好的解决低压大电流问题，从而实现高功率因数、低谐波污染的电解电源，并且利用软开关控制方法和低功率器件还可以有效降低电解电源的功率损耗。电解电源由于采用电子器件会引起电压纹波，现有技术中主要通过(1)增加电解电源前级AC/DC变换器输入端的三相交流电压的脉波数、(2)后级DC/DC变换器中高频变频器变压器绕组的接线方式和(3)提高高频变压器中交流电压的频率从而降低直流输出电压的纹波系数。
但是，第(1)种与第(2)种降低纹波系数方法成本比较高、结构复杂，第(3)种方法则开关损耗较大，提高了开关器件及变压器的要求。
发明内容
本发明的其中一个目的在于提供一种低纹波电解电源及控制方法，以解决现有技术中结构复杂、开关损耗大的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种低纹波电解电源，包括：工频AC/DC变换器、DC/DC变换器和控制器，其中，所述DC/DC变换器还包括DC/AC高频变换单元以及相对应的两个高频AC/DC变换单元，
所述工频AC/DC变换器，用于将工频三相输入电压转换成直流电压；
所述DC/AC高频变换单元，用于将所述直流电压转换成高频交流电压；
所述两个高频AC/DC变换单元，用于将所述高频交流电压转换成直流电压；
所述控制器，用于控制所述DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压。
可选地，所述控制器包括第一计算子单元、PI控制子单元、第二计算子单元、电流内环子单元、PWM调制子单元，其中，所述第一计算单元的信号输出端连接所述PI控制子单元的信号输入单元；所述PI控制子单元的信号输出端连接所述第二计算子单元的第一信号输入端；所述第二计算子单元的第二信号输入端连接正弦基准信号，信号输出端连接所述电流内环子单元；所述电流内环子单元的信号输出端连接所述PWM调制子单元的信号输入端，所述PWM调制子单元的信号输出端连接所述DC/AC高频变换单元的控制端；
所述第一计算子单元用于根据基准直流电压与实测直流电压进行比较获取直流电压偏差；
所述PI控制子单元用于根据所述直流电压偏差生成参考直流电压；
所述第二计算子单元用于根据所述参考直流电压与正弦基准信号获取DC/AC高频变换单元参考输出电压；
所述电流内环子单元用于根据DC/AC高频变换单元参考输出电压生成电流控制信号
所述PWM调制子单元，用于根据电流控制信号生成DC/AC高频变换单元的控制信号。
可选地，还包括正弦基准信号产生单元，用于根据设定值生成相位角依次均等错开的正弦基准信号。
可选地，所述DC/AC高频变换单元包括第一晶体管～第四晶体管和第一二极管～第四二极管；其中，
第一晶体管的集电极连接工频AC/DC变换器的第一输出端，发射极连接第二晶体管的集电极，基极连接控制器的第一输出端，
第二晶体管的发射极连接工频AC/DC变换器的第二输出端，基极连接控制器的第二输出端；
第三晶体管的集电极连接工频AC/DC变换器的第一输出端，发射极连接第四晶体管的集电极，基极连接控制器的第一输出端；
第四晶体管的发射极连接工频AC/DC变换器的第二输出端，基极连接控制器的第二输出端；
第一二极管的阴极连接第一晶体管的集电极，阳极连接第一晶体管的发射极；
第二二极管的阴极连接第二晶体管的集电极，阳极连接第二晶体管的发射极；
第三二极管的阴极连接第三晶体管的集电极，阳极连接第三晶体管的发射极；
第四二极管的阴极连接第一晶体管的集电极，阳极连接第四晶体管的发射极。
可选地，所述高频AC/DC变换单元包括两个单相高频AC/DC变换子单元；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第一输入端分别连接至所述DC/AC高频变换单元的第一晶体管与第二晶体管连接点、第三晶体管与第四晶体管连接点处；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第二输入端同时连接至工频AC/DC变换器中第一电容与第二电容的连接点处；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第一输出端同时连接至滤波电容的正极；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第二输出端同时连接至滤波电容的负极。
可选地，每个单相高频AC/DC变换子单元包括：变压器、第五二极管、第六二极管、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻和滤波电感；其中，
所述变压器的副线圈侧的同名输出端连接第五二极管的阳极，另一输出端连接所述第六二极管的阳极；
所述第五二极管与所述第六二极管的阴极同时连接至所述滤波电感的信号输入端；
所述滤波电感的信号输出端连接滤波电容的正极；
所述变压器的副线圈侧的中间抽头连接至滤波电容的负极；
所述第三电容与所述第一电阻串联后与所述第五二极管并联；
所述第四电容与所述第二电阻串联后与所述第六二极管并联。
第二方面，本发明实施例还提供了一种低纹波电解电源的控制方法，包括控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压的步骤。
可选地，所述控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压的步骤包括：
分别获取基准直流电压与实测直流电压；
根据基准直流电压与实测直流电压进行比较获取直流电压偏差；
根据所述直流电压偏差生成参考直流电压；
根据所述参考直流电压与相位角依次均等错开的正弦基准信号获取DC/AC高频变换单元参考输出电压；
根据DC/AC高频变换单元参考输出电压生成电流控制信号；
根据电流控制信号生成DC/AC高频变换单元的控制信号。
可选地，还包括根据设定值生成相位角依次均等错开的正弦基准信号的步骤。
本发明实施例通过控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压，使每个DC/DC变换器所输出直流电压中的低频谐波分量相互抵消。本发明实施例不需要提高DC/DC变换器的控制频率，即可降低直流电压中的低频谐波分量，从而可以解决现有技术中电解电源结构复杂、开关损耗大的技术问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种低纹波电解电源结构示意图；
图2是图1所示低纹波电解电源的控制器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种低纹波电解电源的控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种低纹波电解电源，包括：工频AC/DC变换器、DC/DC变换器和控制器，其中，DC/DC变换器还包括DC/AC高频变换单元以及相对应的两个高频AC/DC变换单元，
工频AC/DC变换器，用于将工频三相输入电压转换成第一直流电压；
DC/AC高频变换单元，用于将第一直流电压转换成高频交流电压；
两个高频AC/DC变换单元，用于将高频交流电压转换成第二直流电压；
控制器，用于控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压。
本发明实施例通过控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压，使每个DC/DC变换器所输出直流电压中的低频谐波分量相互抵消。本发明实施例不需要提高DC/DC变换器的控制频率，即可降低直流电压中的低频谐波分量，从而可以解决现有技术中电解电源结构复杂、开关损耗大的技术问题。
实施例二
本发明实施例具体提供了一种低纹波电解电源，如图1与图2所示，包括：工频AC/DC变换器100、DC/DC变换器200(包括DC/AC高频变换单元与高频AC/DC变换单元)和控制器300。工频AC/DC变换器100信号输入端连接三相输入电压，信号输出端连接DC/DC变换器200的信号输入端；控制器300连接DC/DC变换器200控制端。其中，DC/DC变换器还包括DC/AC高频变换单元以及相对应的两个高频AC/DC变换单元，工频AC/DC变换器，用于将工频三相输入电压转换成第一直流电压；DC/AC高频变换单元，用于将第一直流电压转换成高频交流电压；两个高频AC/DC变换单元，用于将高频交流电压转换成第二直流电压；控制器，用于控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压。
如图1与图2所示，控制器300包括计算子单元0、PI控制子单元、计算子单元N(N＝1、2、3、……、n)、电流内环子单元、PWM调制子单元。其中，计算单元0的信号输出端连接PI控制子单元的信号输入单元；PI控制子单元的信号输出端连接计算子单元N的第一信号输入端；计算子单元N的第二信号输入端连接正弦基准信号(sinωt、sin(ωt-π/N)…sin(ωt-π(N-2)/N)、sin(ωt-π(N-1)/N))，信号输出端连接电流内环子单元；电流内环子单元的信号输出端连接PWM调制子单元的信号输入端，PWM调制子单元的信号输出端连接DC/AC高频变换单元的控制端；
计算子单元0用于根据基准直流电压与实测直流电压UO进行比较获取直流电压偏差；
PI控制子单元用于根据直流电压偏差生成参考直流电压；
计算子单元N用于根据参考直流电压与正弦基准信号(sinωt、sin(ωt-π/N)…sin(ωt-π(N-2)/N)、sin(ωt-π(N-1)/N))获取DC/AC高频变换单元参考输出电压；
电流内环子单元用于根据DC/AC高频变换单元参考输出电压生成电流控制信号
PWM调制子单元，用于根据电流控制信号生成DC/AC高频变换单元的控制信号。
本发明实施例中，DC/AC高频变换单元201包括晶体管Q21～晶体管Q24和二极管D1～二极管D4；其中，
晶体管Q21的集电极连接工频AC/DC变换器100的第一输出端，发射极连接晶体管Q22的集电极，基极连接控制器300的第一输出端；
晶体管Q22的发射极连接工频AC/DC变换器100的第二输出端，基极连接控制器300的第二输出端；
晶体管Q33的集电极连接工频AC/DC变换器100的第一输出端，发射极连接第四晶体管的集电极，基极连接控制器300的第一输出端；
晶体管Q24的发射极连接工频AC/DC变换器100的第二输出端，基极连接控制器300的第二输出端；
二极管D1的阴极连接晶体管Q21的集电极，阴极连接晶体管Q21的发射极；
二极管D2的阴极连接晶体管Q22的集电极，阳极连接晶体管的发射极；
二极管D3的阴极连接晶体管Q23的集电极，阳极连接Q23晶体管的发射极；
二极管D4的阴极连接晶体管Q21的集电极，阳极连接晶体管Q24的发射极。
本发明实施例中，高频AC/DC变换单元202包括两个单相高频AC/DC变换子单元；
两个单相高频AC/DC变换子单元的第一输入端分别连接至DC/AC高频变换单元的第一晶体管与第二晶体管连接点、第三晶体管与第四晶体管连接点处；
两个单相高频AC/DC变换子单元的第二输入端同时连接至工频AC/DC变换器中第一电容与第二电容的连接点处；
两个单相高频AC/DC变换子单元的第一输出端同时连接至滤波电容的正极；
两个单相高频AC/DC变换子单元的第二输出端同时连接至滤波电容的负极。
可选地，每个单相高频AC/DC变换子单元包括：变压器T、二极管D5、二极管D6、电容C3、电容C4、电阻R1、电阻R2和滤波电感C0；其中，
变压器T的副线圈侧的同名输出端连接二极管D5的阳极，另一输出端连接D6二极管的阳极；
二极管D5与二极管D6的阴极同时连接至滤波电感L0的信号输入端；
滤波电感L0的信号输出端连接滤波电容C0的正极；
变压器T的副线圈侧的中间抽头连接至滤波电容C0的负极；
电容C3与电阻R1串联后与二极管D5并联；
电容C4与电阻R2串联后与二极管D6并联。
可选地，本发明实施例提供的电解电源还包括正弦基准信号产生单元，用于根据设定值N生成相位角依次均等错开的正弦基准信号。该正弦基准信号为相位角依次错开的正弦信号，例如(sinωt、sin(ωt-π/N)…sin(ωt-π(N-2)/N)、sin(ωt-π(N-1)/N))，其中，N＝1，2，……，n。该正弦基准信号用于使计算子单元N产生DC/AC高频变换单元参考输出电压，使该DC/DC变换器200产生相位角依次错开的第二直流电压。
如图1所示，电解电源的负载通过为纯电阻负载，电流值很大，即纯电阻负载的阻值很小。本发明实施例中输出滤波电感L0比较大，即此时高频AC/DC变换单元202相当于大电感，负载电流为恒定直流。
例如，第一组单相高频AC/DC变换单元为例，控制us1＝sinωt，交流输入电流is1(t)为180°宽交流方波，周期为2π；将时间坐标零点设置在正弦信号的波峰值，则UD1的傅里叶级数表达式为：
当N＝2时，控制us2为：
将时间坐标零点设置在正弦信号的波峰值，则UD2的傅里叶级数表达式为：
由图1可知：
令式(4)可以整理为：
可见，当两个单相高频AC/DC变换单元构成高频AC/DC变换器202进行相位角错位控制后，电解电源直流电压中的二倍频谐波分量相互抵消。
以此类推，对于N个单相高频AC/DC变换单元并联构成的电解电源，控制信号usN为：
则有
即对于N个单相高频AC/DC变换单元并联构成的电解电源消除直流电压中的二倍频谐波分量。
本发明实施例通过调节DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压，使每个DC/DC变换器所输出直流电压中的低频谐波分量相互抵消。本发明实施例不需要提高DC/DC变换器的控制频率，即可降低直流电压中的低频谐波分量。
实施例三
为进一步体现本发明实施例提供的电解电源的优越性，本发明实施例还提供了一种低纹波电解电源的控制方法，如图3所示，包括：
分别获取基准直流电压与实测直流电压；
根据基准直流电压与实测直流电压进行比较获取直流电压偏差；
根据所述直流电压偏差生成参考直流电压；
根据所述参考直流电压与相位角依次均等错开的正弦基准信号获取DC/AC高频变换单元参考输出电压；
根据DC/AC高频变换单元参考输出电压生成电流控制信号；
根据电流控制信号生成DC/AC高频变换单元的控制信号。
可选地，还包括根据设定值生成相位角依次均等错开的正弦基准信号的步骤。
可以看出，上述任意一种低纹波电解电源的控制方法可与前文中至少一种低纹波电解电源的结构相互对应，基于同样的发明目的，解决同样的技术问题，达到同样的技术效果，因此其具体实施方式可以参照前文，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的一种低纹波电解电源及控制方法，通过控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压，使每个DC/DC变换器所输出直流电压中的低频谐波分量相互抵消。本发明实施例不需要提高DC/DC变换器的控制频率，即可降低直流电压中的低频谐波分量，从而可以解决现有技术中电解电源结构复杂、开关损耗大的技术问题。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (5)
1.一种低纹波电解电源，其特征在于，包括：工频AC/DC变换器、DC/DC变换器和控制器，其中，所述DC/DC变换器还包括DC/AC高频变换单元以及相对应的两个高频AC/DC变换单元，
所述工频AC/DC变换器，用于将工频三相输入电压转换成第一直流电压；
所述DC/AC高频变换单元，用于将所述第一直流电压转换成高频交流电压；
所述两个高频AC/DC变换单元，用于将所述高频交流电压转换成第二直流电压；
所述控制器，用于控制所述DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压；
其中，所述控制器包括第一计算子单元、PI控制子单元、第二计算子单元、电流内环子单元、PWM调制子单元，其中，所述第一计算单元的信号输出端连接所述PI控制子单元的信号输入单元；所述PI控制子单元的信号输出端连接所述第二计算子单元的第一信号输入端；所述第二计算子单元的第二信号输入端连接正弦基准信号，信号输出端连接所述电流内环子单元；所述电流内环子单元的信号输出端连接所述PWM调制子单元的信号输入端，所述PWM调制子单元的信号输出端连接所述DC/AC高频变换单元的控制端；
所述第一计算子单元用于根据基准直流电压与实测直流电压进行比较获取直流电压偏差；
所述PI控制子单元用于根据所述直流电压偏差生成参考直流电压；
所述第二计算子单元用于根据所述参考直流电压与正弦基准信号获取DC/AC高频变换单元参考输出电压；
所述电流内环子单元用于根据DC/AC高频变换单元的输出电压参考值生成电流控制信号
所述PWM调制子单元，用于根据电流控制信号生成DC/AC高频变换单元的控制信号；
其中，所述的低纹波电解电源还包括正弦基准信号产生单元，用于根据设定值生成相位角依次均等错开的正弦基准信号。
2.根据权利要求1所述的低纹波电解电源，其特征在于，所述DC/AC高频变换单元包括第一晶体管～第四晶体管和第一二极管～第四二极管；其中，
第一晶体管的集电极连接工频AC/DC变换器的第一输出端，发射极连接第二晶体管的集电极，基极连接控制器的第一输出端，
第二晶体管的发射极连接工频AC/DC变换器的第二输出端，基极连接控制器的第二输出端；
第三晶体管的集电极连接工频AC/DC变换器的第一输出端，发射极连接第四晶体管的集电极，基极连接控制器的第一输出端；
第四晶体管的发射极连接工频AC/DC变换器的第二输出端，基极连接控制器的第二输出端；
第一二极管的阴极连接第一晶体管的集电极，阳极连接第一晶体管的发射极；
第二二极管的阴极连接第二晶体管的集电极，阳极连接第二晶体管的发射极；
第三二极管的阴极连接第三晶体管的集电极，阳极连接第三晶体管的发射极；
第四二极管的阴极连接第一晶体管的集电极，阳极连接第四晶体管的发射极。
3.根据权利要求1所述的低纹波电解电源，其特征在于，所述高频AC/DC变换单元包括两个单相高频AC/DC变换子单元；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第一输入端分别连接至所述DC/AC高频变换单元的第一晶体管与第二晶体管连接点、第三晶体管与第四晶体管连接点处；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第二输入端同时连接至工频AC/DC变换器中第一电容与第二电容的连接点处；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第一输出端同时连接至滤波电容的正极；
所述两个单相高频AC/DC变换子单元的第二输出端同时连接至滤波电容的负极。
4.根据权利要求3所述的低纹波电解电源，其特征在于，每个单相高频AC/DC变换子单元包括：变压器、第五二极管、第六二极管、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻和滤波电感；其中，
所述变压器的副线圈侧的同名输出端连接第五二极管的阳极，另一输出端连接所述第六二极管的阳极；
所述第五二极管与所述第六二极管的阴极同时连接至所述滤波电感的信号输入端；
所述滤波电感的信号输出端连接滤波电容的正极；
所述变压器的副线圈侧的中间抽头连接至滤波电容的负极；
所述第三电容与所述第一电阻串联后与所述第五二极管并联；
所述第四电容与所述第二电阻串联后与所述第六二极管并联。
5.一种低纹波电解电源的控制方法，其特征在于，包括控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压的步骤；
其中，所述控制DC/AC高频变换单元输出相位角依次均等错开的高频交流电压的步骤包括：
分别获取基准直流电压与实测直流电压；
根据基准直流电压与实测直流电压进行比较获取直流电压偏差；
根据所述直流电压偏差生成参考直流电压；
根据所述参考直流电压与相位角依次均等错开的正弦基准信号获取DC/AC高频变换单元参考输出电压；
根据DC/AC高频变换单元参考输出电压生成电流控制信号；
根据电流控制信号生成DC/AC高频变换单元的控制信号；
其中，还包括根据设定值生成相位角依次均等错开的正弦基准信号的步骤。
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2015
- 2015-07-10 CN CN201510404038.XA patent/CN105048833B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102223090A (zh) * | 2011-06-17 | 2011-10-19 | 湖南大学 | 大功率简化型电解电镀高频开关电源及其控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105048833A (zh) | 2015-11-11 |
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