CN205563347U - 一种基于单片机控制的极化电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机控制的极化电源装置，包括主电路、控制电路、键盘、显示器，主电路包括依次串接的整流滤波电路、Buck降压电路和负载，控制电路包括单片机、控制模块、电压电流采样模块，键盘、显示器分别与单片机相连，电压电流采样模块的输入端接在Buck降压电路和负载之间，输出端与单片机相连，控制模块的输入端与单片机相连，输出端经TGBT驱动模块与Buck降压电路相连。本实用新型通过对主电路输出电压进行采样，经计算后利用单片机给出控制电压，调节TL494输出占空比，控制后级Buck降压电路的输出电压和电流，构成反馈回路达到稳压输出的目的，具有较高的负载调整率和电压调整率，效率较高。

Description

一种基于单片机控制的极化电源装置

技术领域

本实用新型涉及一种极化电源装置，特别涉及一种基于单片机控制的极化电源装置。

背景技术

极化电源是电化学整流系统中的一个中大功率直流备用电源，主要为电解槽提供几十至几百安培的直流电流，以便进行槽电压的检测，或当正常运行的电解槽突然或计划停车时，为电解槽提供正向极化电流，保护电解槽防止被腐蚀。传统的极化电源运用相控整流技术，由于设计要求时，选择较大的余量，并且系统在运行前期和运行中后期，电解槽单元电压的变化，使得极化整流器常处于控制角较大的运行状态，谐波和无功问题非常突出，使隔离变压器发热，能量损耗严重，且影响动力电源的稳定性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、工作稳定的基于单片机控制的极化电源装置。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种基于单片机控制的极化电源装置，包括主电路、控制电路、键盘、显示器，所述主电路包括依次串接的整流滤波电路、Buck降压电路和负载，所述控制电路包括单片机、控制模块、电压电流采样模块，所述键盘、显示器分别与单片机相连，所述电压电流采样模块的输入端接在Buck降压电路和负载之间，电压电流采样模块的输出端与单片机相连，控制模块的输入端与单片机相连，控制模块的输出端经TGBT驱动模块与Buck降压电路相连。

上述基于单片机控制的极化电源装置中，所述控制电路还包括过压过流保护模块，过压过流保护模块的输入端与电压电流采样模块的输出端相连，过压过流保护模块的输出端与控制模块相连。

上述基于单片机控制的极化电源装置还包括辅助电源，辅助电源输出端接在整流滤波电路与Buck降压电路之间。

上述基于单片机控制的极化电源装置还包括报警模块，报警模块与单片机相连。

上述基于单片机控制的极化电源装置还包括状态检测模块，状态检测模块的输入端与负载相连，状态检测模块的输出端与单片机相连。

上述基于单片机控制的极化电源装置还包括通讯模块，通讯模块与单片机相连，单片机经通讯模块与上位机实现通讯。

上述基于单片机控制的极化电源装置中，所述单片机采用AT89C52。

上述基于单片机控制的极化电源装置中，所述控制模块的主芯片采用TL494。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的控制电路包括单片机、控制模块、电压电流采样模块，控制模块采用TL494，通过对主电路输出电压进行采样，经计算后利用单片机给出控制电压，调节TL494输出占空比，控制后级Buck降压电路的输出电压和电流，构成反馈回路达到稳压输出的目的，具有较高的负载调整率和电压调整率，效率较高。

2、本实用新型的控制电路还包括过压过流保护模块，能够在过压或过流情况下迅速切断主电路，响应速度快，具有较高的安全性与可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图2为图1中主电路的电路图。

图3为图1中控制模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括辅助电源、主电路、控制电路、键盘、显示器、报警模块、状态检测模块和通讯模块，所述主电路包括依次串接的整流滤波电路、Buck降压电路和负载，辅助电源输出端接在整流滤波电路与Buck降压电路之间。所述控制电路包括单片机、控制模块、电压电流采样模块、过压过流保护模块，所述键盘、显示器分别与单片机相连，所述电压电流采样模块的输入端接在Buck降压电路和负载之间，电压电流采样模块的输出端与单片机相连，过压过流保护模块的输入端与电压电流采样模块的输出端相连，过压过流保护模块的输出端与控制模块相连，报警模块与单片机相连，状态检测模块的输入端与负载相连，状态检测模块的输出端与单片机相连，通讯模块与单片机相连，单片机经通讯模块与上位机实现通讯。控制模块的输入端与单片机相连，控制模块的输出端经TGBT驱动模块与Buck降压电路相连。

主电路的电路图如2所示，主回路的设计思路是设计成降压斩波电路，系统中采用脉宽调制(PWM)工作方式，维持开关器件IGBT控制脉冲的周期T恒定，调节导通时间T_on。令占空比α＝T_on/T，则输入输出直流电压关系为：u_O＝α·u_in，只需改变开关管通断占空比即可得到所需输出电压。图2中进线为三相交流380V，进线侧有Y型连接的电容(C3-C5)，起滤波作用，通常前端有熔断器作为交流侧过载保护(图中未画出)，整流主电路采用三相全控桥式，三相整流桥后为平波电容，使U_D1近似为一稳定直流源，后续电路为降压斩波电路，由开关管IGBT、电抗器L1，续流二极管VD2、防反电流保护二极管V_D1，以及其他附件如直流传感器、IGBT开关保护电容组成。

由于开关器件在开通和关断时有瞬间峰值电压存在，考虑余量，整流模块的平均电流为400A，耐压值为1600V，或单管模块。由于极化电源仍相当于一个电感性器件，考虑无功消耗因素和直流电源的电压稳定性，平波电容C1、C2选取4700uF/450V的有极性电解电容器，并采取多个电容串并联结构。为了防止功率器件因瞬间的峰值电压或电流过高而损坏，并提高IGBT的使用寿命，增加尖峰吸收电容在很多场合是很有必要的，因此吸收电容C选用的是薄膜电容0.47UF±5％/1200VDC。如图2中D₁、D₂需要有较快的恢复速度，两种二极管选用300A/1800V的型号。在开关频率为5KHZ的前提下，考虑到极化电源对电流的稳定性和纹波系数要求较高，因此平波电抗器选取2mH/150A。

主电路的工作原理为：当三相380V交流电通过整流和大电容平波后，得到输出的直流电压U_D和输入的三相交流的关系为：

U_D＝a1×380×a2＝1.35×380×1.1＝564 (1)

其中α₁为三相交流整流的整流系数，取值为1.35；α₂为平波电容作用滤波后电压的上升系数，取值为1.1；Buck降压斩波电路的特点是输出电压比整流后的电压要低，工作过程：当IGBT开通，D₂截止，电流经开关IGBT、电抗器L₁和D₁流向负载电解槽，得U_D＝U_D1；U_L1＝U_D1-U_D，IGBT截止，D₂导通续流，U_D2＝0，U_L1＝-U_D。设负载电压不变，不计电阻。

$i_L={\∫}_0^t{u}_{L}dt---\left(2\right)$

不论IGBT导通或截止时电感L₁两端电压均为常数，所以，电感电流将按直线方程规律变化，依据电路基本原理，在周期性稳态电路中电感两端的平均直流电压为零。可得：

$\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{L}dt=0$

周期性稳态电路中电感无直流电压，既可得：

$\begin{array}{c}\frac{1}{T}\[{\∫}_0^{t_{on}}(U_{D1}-U_D)dt+{\∫}_{t_{on}}^T(-U_D)dt\]=0\\ U_D(T-t_{on})=(U_{D1}-U_D)t_{on}\\ U_D=\frac{t_{on}}{T}{U}_{D1}={\mathrm{\αU}}_{D1}\end{array}---\left(3\right)$

由于ton<T，输出平均电压U_D总小于U_D1，所以称之为降压斩波器，通过控制ton来控制输出电压的大小。由式(1)、(3)得出这种降压模式的极化电源输入三相交流和输出直流的关系为：

$U_D=\frac{t_{on}}{T}{U}_{D1}=\frac{t_{on}}{T}\&times;a1\&times;380\&times;a2=\frac{t_{on}}{T}\&times;1.35\&times;380\&times;1.1=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;564---\left(4\right)$

由式(4)可知，只要控制α即脉冲占空比在0％-90％范围调节时，输出极化直流电压可在0V-507V范围，考虑回路阻抗损耗和安全余量，实质可调的极化直流电压约在0-450V。

控制电路的电路图如图3所示，控制电路采用脉宽调制(PWM)工作方式的降压斩波电路，由TL494产生基本PWM控制脉冲，脉冲宽度由PI调节器输出调节，以保证负载电压跟随给定。TL494内置5V基准电压参考源，5脚6脚外接电阻与电容，可产生对应锯齿波后送比较器比较进而产生一定周期的振荡信号，振荡器频率为f_osc＝1/R_TC_T。4脚为死区时间控制端，13脚为输出方式控制端。芯片内部包含两个相同的误差放大器，输出端经二极管隔离后送至比较器同相端，与反向端锯齿波电压相比较，并决定输出电压的宽度。调宽过程由3脚的电压控制，也可经误差放大器进行控制。电路中TL494的13号脚接地，2脚和3脚短接，1脚作输入端。Vin由模拟给定或数字给定经PI控制器输出调节，控制PWM脉冲的占空比，调节输出。5脚6脚分别接0.1uF的电容和10KΩ可调电阻，产生频率可调的振荡频率。16脚用于保护动作封脉冲，也可以由按钮开关SW1手动封脉冲。

本实用新型的控制电路包括单片机、控制模块、电压电流采样模块，控制模块采用TL494，通过对主电路输出电压进行采样，经计算后利用单片机给出控制电压，调节TL494输出占空比，控制后级Buck降压电路的输出电压和电流，，构成反馈回路达到稳压输出的目的，具有较高的负载调整率和电压调整率，效率较高；过压过流保护模块能够在过压或过流情况下迅速切断主电路，响应速度快，具有较高的安全性与可靠性；状态检测模块实时采集负载的工作状态是否异常，并将状态信号送入控制器，若负载发生故障或者电流电压采样模块采集的电流电压异常时，能启动报警模块报警，提醒工作人员，提高了装置的安全性。整个电源装置结构简单、工作稳定，而且通过仿真实验，对比采用相控整流技术的极化电源，有效的提高了功率因数和效率，并节约了成本。

Claims (8)

1.一种基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：包括主电路、控制电路、键盘、显示器，所述主电路包括依次串接的整流滤波电路、Buck降压电路和负载，所述控制电路包括单片机、控制模块、电压电流采样模块，所述键盘、显示器分别与单片机相连，所述电压电流采样模块的输入端接在Buck降压电路和负载之间，电压电流采样模块的输出端与单片机相连，控制模块的输入端与单片机相连，控制模块的输出端经TGBT驱动模块与Buck降压电路相连。

2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：所述控制电路还包括过压过流保护模块，过压过流保护模块的输入端与电压电流采样模块的输出端相连，过压过流保护模块的输出端与控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：还包括辅助电源，辅助电源输出端接在整流滤波电路与Buck降压电路之间。

4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：还包括报警模块，报警模块与单片机相连。

5.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：还包括状态检测模块，状态检测模块的输入端与负载相连，状态检测模块的输出端与单片机相连。

6.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：还包括通讯模块，通讯模块与单片机相连，单片机经通讯模块与上位机实现通讯。

7.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：所述单片机采用AT89C52。

8.根据权利要求1所述的基于单片机控制的极化电源装置，其特征在于：所述控制模块的主芯片采用TL494。