CN106849735A - 一种大功率直流脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率直流脉冲电源，包括整流电源、正极汇流母排、负极汇流母排、脉冲控制器和多个基本单元，所述整流电源的正极与正极汇流母排相连，整流电源的负极与负极汇流母排相连，多个基本单元并联设置在正极汇流母排与负极汇流母排之间，所述脉冲控制器与每个基本单元相连。本发明的电解单元采用分布式结构，通过带脉冲驱动管的脉冲变压器并利用磁平衡原理和电量的矢量叠加效应对每一个电解单元实现脉冲直流供电，容量不受限制，可满足任何规格电压电流等级的脉冲电源的需求，由于采用变压器作为脉冲发生元件，其损耗远低于IGBT、MOSFET等电力电子器件的通态损耗。

Description

一种大功率直流脉冲电源

技术领域

本发明涉及蓄电池充电领域，特别涉及一种大功率直流脉冲电源。

背景技术

在电化工领域电解法生产所需的直流电源一般都有数千安培至数万安培，这些电源装置绝大多数都是由整流变压器加二极管整流器或晶闸管整流器组成，只能输出固定的或幅度可调的直流电流。而在电化工生产工艺中特别希望能在特定的条件下将这种直流电变为一种脉冲式的直流电输出到电解槽中。例如在高氯酸钾生产过程中，如果采用脉冲直流电可以有效解决极板表面沉积和电极表面极化效应的问题，提高转换效率，减少清理时间，降低劳动强度，在节能增效中会有显著效果。

在常用的铅酸蓄电池快速充电中也离不开脉冲直流电。铅酸蓄电池在充电过程中会产生多种极化反应，从而阻碍充电电流的增加，延长了充电时间。脉冲直流电的反向脉冲电流可以消除蓄电池充电过程中的极化反应，可使蓄电池接受更大的充电电流，达到快速充电的目的。在大容量蓄电池组快速充电中所需的脉冲直流电的功率也是很大的。

要实现大功率大电流的脉冲式直流供电是一件十分困难的事，即便是采用新型大功率电子器件（如IGBT、MOSFET）生产这样的脉冲式直流装置，要想达到几千安培到几万安培的输出电流其成本也是非常高的，经济性很难被市场所认可。同时这样集中式的脉冲电源在使用过程中还会存在以下问题：1.由于IGBT的管压降高，所以装置的效率会低于传统的整流器电源；2.装置周期性产生的脉冲电流必然对电网产生次波干扰，严重时会使周边用电设备无法正常工作；3.新型电力电子器件的可靠性比传统整流器低，因为IGBT、MOSFET的过载能力远低于整流管和晶闸管，且驱动要求高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高效节能、性能优良的大功率直流脉冲电源。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种大功率直流脉冲电源，包括整流电源、正极汇流母排、负极汇流母排、脉冲控制器和多个基本单元，所述整流电源的正极与正极汇流母排相连，整流电源的负极与负极汇流母排相连，多个基本单元并联设置在正极汇流母排与负极汇流母排之间，所述脉冲控制器与每个基本单元相连。

上述大功率直流脉冲电源，所述基本单元包括若干个相互并联的电解单元组，每个电解单元组均包括脉冲变压器、第一电解单元、第二电解单元、脉冲工作电源和两个脉冲驱动管，第一电解单元、第二电解单元结构相同，所述脉冲变压器的原边侧和副边侧均为带中心抽头的双线圈结构，脉冲变压器原边侧双线圈的中心抽头与脉冲工作电源的正极相连，脉冲变压器原边侧双线圈的两端分别与两个脉冲驱动管的漏极相连，两个脉冲驱动管的源极均接脉冲工作电源的负极，两个脉冲驱动管的栅极均接脉冲控制器，脉冲变压器副边侧双线圈的中心抽头与正极汇流母排相连，脉冲变压器副边侧双线圈的两端分别与第一电解单元、第二电解单元的正极相连，第一电解单元、第二电解单元的负极均与负极汇流母排相连。

上述大功率直流脉冲电源，所述脉冲控制器包括脉冲发生器和脉冲放大器，所述脉冲发生器的输出端与脉冲放大器的输入端相连，脉冲放大器的输出端与每个电解单元组的两个脉冲驱动管的栅极相连。

上述大功率直流脉冲电源，所述脉冲控制器输入到两个脉冲驱动管栅极的脉冲信号在时序上的相位差为180°。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的电解单元采用分布式结构，通过带脉冲驱动管的脉冲变压器并利用磁平衡原理和电量的矢量叠加效应对每一个电解单元实现脉冲直流供电，容量不受限制，可满足任何规格电压电流等级的脉冲电源的需求。

2、本发明效率高、损耗低、非常节能。本发明以变压器作为脉冲发生元件，其损耗远低于IGBT、MOSFET等电力电子器件的通态损耗。

3、本发明不会对供电电网产生污染。本发明的脉冲变压器工作时并不停止整流电源的工作，整流电源本身也不受脉冲输出电压的影响，所以不会在电网中产生次波干扰；此外脉冲变压器本身也是采用分时工作的方式，所需的脉冲工作电源的功率也很小，其产生电磁干扰也很小。

4、本发明运行的可靠性高。本发明采用分布式结构，每一个脉冲变压器都是独立环节，就是其中个别出了问题也不会对整体设备运行造成影响。此外，即便是脉冲控制器没有了输出脉冲，所有脉冲变压器停止工作，设备仍可按常规供电方式运行工作。

5、本发明具有成本低经济性好的特点。本发明的主电源使用的是按常规方式供电的整流电源，产生脉冲的脉冲变压器、脉冲工作电源、脉冲控制器生产成本都很低，尤其是用于现有设备改造时，成本优势更加显著。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例一的脉冲分配时序图。

图3为本发明电解单元组的电路结构示意图。

图4为本发明脉冲变压器的结构示意图。

图5为本发明电解单元的电压电流波形示意图。

图6为本发明实施例二的结构示意图。

图7为本发明实施例二的脉冲分配时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括整流电源、正极汇流母排1、负极汇流母排2、脉冲控制器和多个基本单元3，所述整流电源的正极与正极汇流母排1相连，整流电源的负极与负极汇流母排2相连，多个基本单元3并联设置在正极汇流母排1与负极汇流母排2之间，所述脉冲控制器与每个基本单元3相连。

如图3、图4所示，所述基本单元3包括若干个相互并联的电解单元组，每个电解单元组均包括脉冲变压器5、第一电解单元6、第二电解单元7、脉冲工作电源8和两个脉冲驱动管9、10，第一电解单元6、第二电解单元7结构相同，所述脉冲变压器5的原边侧和副边侧均为带中心抽头的双线圈结构，脉冲变压器5原边侧双线圈的中心抽头X与脉冲工作电源8的正极相连，脉冲变压器5原边侧双线圈的两端A、B分别与两个脉冲驱动管9、10的漏极相连，两个脉冲驱动管9、10的源极均接脉冲工作电源8的负极，两个脉冲驱动管9、10的栅极分别接脉冲控制器输出的脉冲信号Ai、Bi，脉冲变压器5副边侧双线圈的中心抽头y与正极汇流母排1相连，脉冲变压器5副边侧双线圈的两端a、b分别与第一电解单元6、第二电解单元7的正极相连，第一电解单元6、第二电解单元7的负极均与负极汇流母排2相连。

所述脉冲控制器包括脉冲发生器和脉冲放大器，所述脉冲发生器的输出端与脉冲放大器的输入端相连，脉冲放大器的输出端与每个电解单元组的两个脉冲驱动管的栅极相连。所述脉冲控制器输入到两个脉冲驱动管栅极的脉冲信号在时序上的相位差为180°。

电化工领域所用的直流电源虽然总功率很大，但每一个电解单元所需要的电流和电压并不是很大，例如高氯酸钾生产线电解槽中的单个电解单元所需的电流约130～140安培，电压仅4.2～4.8伏。每一个基本单元（即电解槽）中会有几十个这样的电解单元组通过母排并联在一起，而且电解槽之间还可以通过母排进一步并联使得总电流达到数千安培至数万安培，同时多组这样的电解槽再通过母排串联起来使得总电压达到几十伏至几百伏，最终使得这种生产线对直流电源需求的总功率非常巨大。

本发明保留原有的直流供电电源，增加的脉冲变压器原边侧和副边侧均设计为带中心抽头的双线圈结构。本发明中要求脉冲变压器副边侧线圈设计的通流能力必须满足基本单元的最大工作电流值要求。下面以高氯酸钾生产线为例介绍其原理：

取相邻的两个电解单元编为一组，将其正极或负极与原汇流母排断开，分别接入脉冲变压器副边侧的a端和b端，脉冲变压器副边侧中心抽头y点接入正极汇流母排1上。图3是按照从电解单元正极端插入脉冲变压器绘制，如果在电解单元负极端插入脉冲变压器也同样是可行的，但此时须将中心抽头y点接入负极汇流母排2上。

在任何情况下脉冲变压器都不能有直流磁势存在，否则其磁路将严重饱和，不可能正常工作。在直流电路使用脉冲变压器的首要任务就是要消除直流磁势。本发明用带中心抽头线圈结构接两个完全相同的负载单元，就保证了流经脉冲变压器两副边线圈的直流电所产生的直流磁势大小相等、方向相反，合成磁势为零，即脉冲变压器处在磁平衡状态。另外脉冲变压器原边侧也设计为带中心抽头线圈结构，Ai、Bi端输入脉冲信号在脉冲变压器中产生的磁势方向也是相反的，但Ai、Bi端输入脉冲信号在时序上的相位差为180°，这样就使得脉冲变压器在交变电势驱动下平均磁势为零，保证脉冲变压器的磁路始终处于有效性工作段，不会进入饱和区。

本发明的基本工作原理：在Ai、Bi端无脉冲信号时，汇流母排的直流电经脉冲变压器次级侧流入两个电解单元6和7，进行正常供电，由于副边线圈直流阻抗很低，产生的损耗也是极低的。此时有：VA=V , VB=V 。

当Ai、Bi端有脉冲信号时，变压器副边侧将产生感应电压Vab,Ai端脉冲和Bi端脉冲产生Vab电压的极性是反向的。此时有： VA=V-Vay , VB=V+Vyb 。且 Vay=Vyb=Vab/2 ,所以 VA=V-Vab/2, VB=V+Vab/2。

由以上二式可以看出当脉冲变压器输出电压Vab为正值时电解单元6上的合成电压将降低甚至为负值，即电解单元6此时受到负脉冲作用；而电解单元7上的合成电压将上升，即电解单元7此时受到正脉冲作用；当电压Vab为负值时，电解单元7受到负脉冲作用，而电解单元6受到正脉冲作用。负脉冲正是基本单元所需的脉冲波形，正脉冲对基本单元并不是所需的脉冲波形，但是电解单元或蓄电池对正脉冲也是能够接受的，即短暂正脉冲的对其电解过程或充电过程不会产生有害影响。图5 是电解单元的电压电流波形示意图，对于图中波形和上述公式推演需说明以下几点：1.图中的脉冲宽度是有所放大的，实际应用中的脉宽要远窄于图中显示的比例；2.电压波形中的正脉冲同时用虚线和实线表示，虚线代表理论值，实线代表实际值，这是由于电解单元均属于电容性负载带来的差异；3.这里的理论公式推演是一种简化的定性推演，因为电解单元或蓄电池中是存在有化学电势，而这种化学电势的大小随着工况改变而变化，所以为简化分析过程将其忽略，同时这种忽略并不影响本发明给出的定性分析结论。

本发明接入的脉冲变压器仅对与之相连的两个电解单元产生作用，对于两个汇流母排间并联的其他电解单元没有任何影响，对于串联的汇流母排更不会产生影响，所以这种脉冲变压器的使用具有很好的独立性，可以进行非常灵活的组合应用。图1和图6就是在高氯酸钾生产线中两种不同组合使用的方法。图中小写字母n代表同一级并联汇流母排间接入的脉冲变压器个数，大写字母N代表并联汇流母排串联级数。生产线中使用的脉冲变压器总个数为n×N个。在图1的组合中，脉冲控制器在一个周期需要发出2n个脉冲，每个脉冲需驱动N路脉冲变压器。在图6的组合中，脉冲控制器在一个周期需要发出2N个脉冲，每个脉冲需驱动n路脉冲变压器。无论图1还是图6的组合均保证了每台脉冲变压器的两个脉冲驱动信号之间相位差为180°。图6的脉冲分配方式有一个突出的优点就是节省脉冲连线，因为它将同一电解槽中的脉冲连线并联起来这样就大大减少了长距离的跨接连线。

在脉冲变压器总个数确定的条件下，脉冲控制器在一个周期中发出的脉冲数越多每个脉冲需驱动脉冲变压器路数就越少，对脉冲工作电源功率要求就越低。脉冲控制器包括脉冲发生器和脉冲放大器两部分组成，脉冲发生器可以由单片机或数字电路构成，要求其产生的脉冲宽度和脉冲周期是可调的，以便在应用中探索出最佳工艺参数。同样对脉冲工作电源的输出电压值最好也能有一定的调整范围，来满足生产工艺要求。脉冲控制器和脉冲工作电源实现起来并不复杂，这里就不再详述。

Claims (4)

1.一种大功率直流脉冲电源，其特征在于：包括整流电源、正极汇流母排、负极汇流母排、脉冲控制器和多个基本单元，所述整流电源的正极与正极汇流母排相连，整流电源的负极与负极汇流母排相连，多个基本单元并联设置在正极汇流母排与负极汇流母排之间，所述脉冲控制器与每个基本单元相连。

2.根据权利要求1所述的大功率直流脉冲电源，其特征在于：所述基本单元包括若干个相互并联的电解单元组，每个电解单元组均包括脉冲变压器、第一电解单元、第二电解单元、脉冲工作电源和两个脉冲驱动管，第一电解单元、第二电解单元结构相同，所述脉冲变压器的原边侧和副边侧均为带中心抽头的双线圈结构，脉冲变压器原边侧双线圈的中心抽头与脉冲工作电源的正极相连，脉冲变压器原边侧双线圈的两端分别与两个脉冲驱动管的漏极相连，两个脉冲驱动管的源极均接脉冲工作电源的负极，两个脉冲驱动管的栅极均接脉冲控制器，脉冲变压器副边侧双线圈的中心抽头与正极汇流母排相连，脉冲变压器副边侧双线圈的两端分别与第一电解单元、第二电解单元的正极相连，第一电解单元、第二电解单元的负极均与负极汇流母排相连。

3.根据权利要求2所述的大功率直流脉冲电源，其特征在于：所述脉冲控制器包括脉冲发生器和脉冲放大器，所述脉冲发生器的输出端与脉冲放大器的输入端相连，脉冲放大器的输出端与每个电解单元组的两个脉冲驱动管的栅极相连。

4.根据权利要求3所述的大功率直流脉冲电源，其特征在于：所述脉冲控制器输入到两个脉冲驱动管栅极的脉冲信号在时序上的相位差为180°。