CN201134761Y

CN201134761Y - 一种模块式大功率高频igbt逆变式电镀电源

Info

Publication number: CN201134761Y
Application number: CNU2007200595794U
Authority: CN
Inventors: 王振民; 黄石生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2017-11-15

Abstract

本实用新型公开了一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，包括多组主机电源电路、程序控制模块相互连接组成，多组主机电源电路相互并联，并分别与程序控制模块相连接。本实用新型采用高频IGBT逆变技术，节能，效率高达86～88％，冲击电流很小，并减少对电网的干扰，可靠性高，体积小，大幅度节省制造材料，重量轻，移动方便；很容易实现恒流/恒压/脉冲特性及其多输出特性的切换，自动匹配工艺参数，提高电镀工艺质量，操作简单、快捷；系统具有良好的动特性，控制迅速准确，并具备自动电网波动补偿功能——电网波动±15％不影响电镀电源正常工作；在积木式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。

Description

一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源

技术领域

本实用新型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，具体是指一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源。

背景技术

电镀产业是一个典型的高能耗产业。电镀能源的功率大，单机在100KVA以上，甚至高达4000KVA，并且基本上是100％暂载率，要求24小时不停机连续工作，耗电严重，一般的电镀企业均将用电量作为电镀生产的原材料进行核算。因此，电镀电源的效率和可靠性对电镀企业的生产具有重要影响。

电镀行业恶劣的生产环境对电镀电源的效率、稳定性、可靠性均提出了非常严格的要求。电镀电源的质量在很大程度上取决于功率器件的水平、控制方法以及主回路关键器件参数的合理匹配。由于受到器件质量以及科技水平的限制，目前的电镀电源基本为可控硅电源，有的还是变压器整流电源，结构简单，工作比较稳定可靠，控制方式简单，已经在电镀领域得到广泛应用，但是随着科技的进步以及功率器件的逐步成熟，这种电源的缺点越来越明显：

1、电能传递变换过程的效率很低，由于频率低，变压器的铜损、铁损、磁滞损耗等比较高，可控硅电源中的工频变压器的转换效率通常为85％，再加上整流部分的各种损耗，使其在最理想状态下效率也只能在70％左右，硅整流电源的效率最高也难以超过55％；在空载或者轻载情况下的效率更低，通常在0.3～0.5左右。

2、功率因数低(空载时0.35，负载时0.6至0.7左右)，有功功率不高，导致在输出相同功率的情况下对电网的容量有更高要求，一旦需要扩大生产规模，电网的增容费用很高。

3、晶闸管属于半可控器件，无法自关断，采用晶闸管作为功率输出的调节器件，开关频率会受到限制，整个控制系统的控制周期比较长，难以实现对能量输出的精密动态调节和准确控制，动态性能欠佳，特别是在较低功率工作时稳定性和连续性较差。

4、体积庞大，耗材多，重量重，占用空间。

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良好方法。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。逆变式高频电镀电源为第四代直流电镀电源，较之可控硅电源有着许多无可比拟的优势。目前市面上有不少高频电镀电源厂家，但这些产品存在的问题在于工艺适应性、可靠性、大功率以及电磁兼容方面，实际使用效果并不理想，由于大功率/特大功率逆变电源的技术门槛比较高，不少关键问题没有得到很好的解决。

逆变电源的数字化控制是大势所趋。工业逆变电源的数字化控制技术，使逆变电源更可靠，性能更好，功能更全，一致性更好。逆变电源的数字化控制技术主要有两个目的：一是使用数字化技术迅速解决逆变电源自身问题；二是用数字化技术提升逆变电源的功能，满足先进制造技术的需求。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；控制系统灵活，系统升级方便，易于实现多参数的协同控制，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；控制电路的元器件数量明显减少，提高了系统的抗干扰能力和系统稳定性；控制系统的可靠性提高，易于标准化；系统的一致性较好，生产制造方便；由于控制方法灵活，便于多个逆变电源并联运行控制，从而实现更大功率输出。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，针对目前金属电镀电解电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，提供一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，效率可高达86～88％，比可控硅电源节能20％以上，比硅整流电源节能35％以上，此外，还节省大量制造材料，体积小巧，冲击电流小，电磁兼容性好，可靠性高，并减少对电网的干扰。由于动态响应能力强，数字化控制，可实现多参数优化匹配，工艺控制效果好，特别适合电镀电解行业应用。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

所述一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，包括多组主机电源电路、程序控制模块相互连接组成，所述多组主机电源电路相互并联，并分别与程序控制模块相连接；所述主机电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块外接三相交流输入电源，所述整流平滑和稳弧模块外接负载；所述控制电路包括电流电压检测模块、控制器、脉宽调制模块和高频驱动模块依次连接组成，所述电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与控制器相连接，所述控制器还与程序控制模块相连接，并连接有参数给定模块，所述高频驱动模块与高频逆变模块相连接。

为了更好地实现本实用新型，所述主机电源电路包括安全保护电路，所述安全保护电路包括网压检测模块、过热检测模块、安全保护模块相互连接组成；所述网压检测模块的一端与三相交流输入电源相连接，另一端与安全保护模块相连接，所述安全保护模块还分别与过热检测模块、脉宽调制模块相连接。所述过热检测模块的一端分别与高频逆变模块的散热器以及功率变压模块相连接，另一端与安全保护模块相连接。所述控制器主要由可编程控制器PALCE22V10Q、反相器ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。所述脉宽调制模块主要由误差放大电路、反相器芯片ULN2003A和PWM集成控制芯片SG3525以及辅助电路相互连接组成。所述高频驱动模块主要由两个高频脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、M74HC4049和CD4011及辅助电路相互连接组成。所述程序控制模块主要包括NE555、LM324、LM393、CD4066以及外围电路相互连接组成。

本实用新型由多组结构基本相同的模块式主机电源电路并联工作，在程序控制模块的协同控制作用下，通过积木式结构实现功率增大，构成模块式大功率高频IGBT逆变式高效节能型电镀电源。多组模块式主机电源电路的控制器通过程序控制模块相连接，实现多模块的均流控制和协同工作。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型采用先进的高频IGBT逆变技术，节能，效率高达86～88％，冲击电流很小，并减少对电网的干扰，可靠性高，体积小，大幅度节省制造材料，重量轻，移动方便。

2、本实用新型以可编程控制器PALCE22V10Q为控制核心，通过脉宽调制，很容易实现恒流/恒压/脉冲特性及其多输出特性的切换，自动匹配工艺参数，提高电镀工艺质量，操作简单、快捷。

3、本实用新型采用数字化动特性精密控制技术，系统具有良好的动特性，控制迅速准确，并具备自动电网波动补偿功能——电网波动±15％不影响电镀电源正常工作。

4、本实用新型采用了模块式的结构，通过协同控制实现多组并联模块的自动均流与协同工作，在积木式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。

附图说明

图1是本实用新型的电路方框图；

图2是本实用新型的单组主机电源电路的电路原理图；

图3是本实用新型的脉宽调制模块的电路原理图；

图4是本实用新型的高频驱动模块的电路原理图；

图5是本实用新型的安全保护电路的电路原理图；

图6是本实用新型的控制器的电路原理图；

图7是本实用新型的程序控制模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细说明，但本实用新型的实现方式并不限于此。

如图1所示，本实用新型所述一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源包括多组主机电源电路(模块1、2……n)、程序控制模块112相互连接组成，多组主机电源电路(模块1、2……n)相互并联，并分别与程序控制模块112相连接。主机电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成。主电路包括整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103、整流平滑和稳弧模块104依次连接组成，整流滤波模块101外接三相交流输入电源，整流平滑和稳弧模块104外接负载。控制电路包括电流电压检测模块109、控制器111、脉宽调制模块107和高频驱动模块108依次连接组成，电流电压检测模块109的一端与负载相连接，另一端与控制器111相连接，控制器111还与程序控制模块112相连接，并连接有参数给定模块110，高频驱动模块108与高频逆变模块102相连接。安全保护电路包括网压检测模块105、过热检测模块113、安全保护模块106相互连接组成；网压检测模块105的一端与三相交流输入电源相连接，另一端与安全保护模块106相连接，安全保护模块106还分别与过热检测模块113、脉宽调制模块107相连接。每组主机电源电路的控制电路之间通过程序控制模块112相连接。网压检测模块105检测三相交流输入电压。过热检测模块113的一端分别与高频逆变模块102的散热器以及功率变压模块103相连接，另一端与安全保护模块106相连接。安全保护模块106实现欠压、过压、过流、过热等保护。参数给定模块110由两个电位器组成，给定电压和电流。电流电压检测模块109为电流电压传感器，与负载连接，分别实时采集实际的输出电流和电压，送至闭环控制电路以及显示电路。

如图2所示，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，再连接高频逆变模块102的逆变桥VT_1-4、C_11-14、R_5-8，其中，R_5-8、C_11-14与IGBT内部反并联的快速二极管构成RCD吸收电路。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，变压器次级通过高频全波整流电路D_1～4、滤波环节L₂、C_9-10、C_15-16、R_1-2、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，每个桥臂包含了两个单元的IGBT。电流电压检测模块109为HALL传感器，经过处理之后与控制器111的PALCE22V10Q通过反相器ULN2003A相连接。控制器111输出端与脉宽调制模块107的集成控制芯片SG3525相连接，PWM集成控制芯片SG3525的输出端分别与高频驱动模块108相连接，高频驱动模块108的输出分别与高频逆变模块102的四个开关管的G、E极相连接，上述环节构成反馈闭环控制电路。逆变后的高频(20KHz)高压电经变压器T1降压后，通过高频整流由快速二极管并联构成的全波整流电路，再经输出电感L2滤波后输出。

如图3、4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PWM集成控制芯片SG3525以及辅助电路相互连接组成。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。高频驱动模块108主要起到数模隔离以及功率放大作用，SG3525输出的两组反相、死区时间可调的PWM信号，通过高频驱动模块108之后转换为四路PWM信号，分别驱动逆变桥臂TR1、TR2的四个IGBT模块。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。

如图5所示，在安全保护电路中，CN6连接过热检测模块113，并与过热、过流以及关断信号的信号线和三个与门逻辑电路以及反相器芯片ULN2003A相连接，通过ULN2003A与PWM集成控制芯片SG3525相连接。一旦出现过热、过压或者欠压情况，ULN2003A输出有效的控制信号给SG3525，使得SG3525输出的PWM脉宽迅速调整，关断逆变桥，停止功率输出。

如图6所示，控制器主要由PALCE22V10Q、反相器ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。PALCE22V10Q系统作为闭环模糊控制的核心，采样电流电压与给定信号的偏差在内部进行模糊运算过程，输出信号作为脉宽调制模块107中PWM集成控制芯片SG3525的输入信号，该信号同反馈的电流电压信号比较，确定PWM的有效脉宽，从而控制电源的输出。

如图7所示，程序控制模块112主要由NE555、LM324、LM393、CD4066等电子器件构成，每套模块式主机电源电路的控制电路分别与CN1、CN2、CN3等接口端子连接，输入电流电压信号以及显示信息，CN5接口主要实现电流电压调节，CN6接口主要实现本地/远程控制功能接口，CN7/CN8接口实现电流电压输出显示等功能。

应用本实用新型时，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，控制器111根据电流电压检测模块109检测到负载的电流、电压信号与参数给定模块110给定的参数进行比较，经过控制器111的模糊控制算法运算，发给脉宽调制模块107一个信号，脉宽调制模块107根据控制器111设定的算法，产生两路推挽式PWM信号，并通过高频驱动模块108隔离放大，去控制高频逆变模块102的开关管的开通和关断，从而得到20KHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块103转换成符合电镀工艺要求的大电流低电压输出，经过整流平滑和稳弧模块104，吸收整流回路尖峰，同时在小电流输出以及电流变化幅度较大的时候进行输出能量的细微调节，保证输出能量的稳定准确，得到更加平滑的功率输出。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模块106，过热检测模块113检测高频逆变模块102以及功率变压模块103的温升情况，如出现过压、欠压、过流、过热等现象，安全保护模块106将送给脉宽调制模块107一个信号，通过高频驱动模块108关断高频逆变模块102的开关管，保护主电路安全工作。

本实施例具有以下显著特征：

1、本实施例使用模块式结构的多组结构基本相同的主机电源电路，通过积木式方式可靠增大功率输出，解决了大电流高功率情况下的并联均流工作问题，满足电镀行业对电镀电源功率的要求；由于采用程序控制模块控制多组结构基本相同的主机电源电路的输出，这种模块式、积木式的控制结构提高了电镀电源的冗余能力，进一步提高了电镀电源对长时间、大电流、持续生产等恶劣的电镀生产环境的适应能力。

2、本实施例采用先进的高频IGBT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，节电优势特别明显，效率高达86～88％，冲击电流很小，可靠性高，体积小，重量轻，移动方便，特别适合电镀行业对大功率供电的要求。

3、本实施例以可编程控制器PALCE22V10Q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，使得电镀工艺过程的可控性得到了极大的提高，改善了电镀工艺的质量，操作简单、快捷。

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镀能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镀电源的正常工作。

如上所述，即可较好地实现本实用新型。

Claims

1、一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，包括多组主机电源电路、程序控制模块相互连接组成，所述多组主机电源电路相互并联，并分别与程序控制模块相连接；所述主机电源电路包括主电路和控制电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块外接三相交流输入电源，所述整流平滑和稳弧模块外接负载；所述控制电路包括电流电压检测模块、控制器、脉宽调制模块和高频驱动模块依次连接组成，所述电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与控制器相连接，所述控制器还与程序控制模块相连接，并连接有参数给定模块，所述高频驱动模块与高频逆变模块相连接。

2、根据权利要求1所述的一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，所述主机电源电路包括安全保护电路，所述安全保护电路包括网压检测模块、过热检测模块、安全保护模块相互连接组成；所述网压检测模块的一端与三相交流输入电源相连接，另一端与安全保护模块相连接，所述安全保护模块还分别与过热检测模块、脉宽调制模块相连接。

3、根据权利要求2所述的一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，所述过热检测模块一端分别与高频逆变模块的散热器以及功率变压模块相连接，另一端与安全保护模块相连接。

4、根据权利要求1所述的一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，所述控制器主要由可编程控制器PALCE22V10Q、反相器ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。

5、根据权利要求1所述的一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，所述脉宽调制模块主要由误差放大电路、反相器芯片ULN2003A和PWM集成控制芯片SG3525以及辅助电路相互连接组成。

6、根据权利要求1所述的一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，所述高频驱动模块主要由两个高频脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、M74HC4049和CD4011及辅助电路相互连接组成。

7、根据权利要求1所述的一种模块式大功率高频IGBT逆变式电镀电源，其特征是，所述程序控制模块主要包括NE555、LM324、LM393、CD4066以及外围电路相互连接组成。