CN208445485U - 一种超大功率正弦波超声波电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种超大功率正弦波超声波电源，该电源包括整流、调压和逆变三部分，各部分分别包括对应的主回路和控制回路，整流主回路的输入端连接市电，输出端经调压主回路连接逆变主回路的输入端，逆变主回路的输出端作为电源输出端。整流控制回路采集整流主回路的输入及输出参数，并实现对整流主回路的控制；调压控制回路采集调压主回路的输入及输出参数，并实现对调压主回路的控制；逆变控制回路采集逆变主回路的输出参数，并实现对逆变主回路的控制。此种方案能够解决超声电源在大功率应用场合下，换能器难以获得较大稳定功率、匹配电路设计困难、谐振频率点跟踪效果差以及能量变换效率低等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超大功率正弦波超声波电源。
背景技术
超声波电源是一种用于产生并向超声换能器提供超声频电能的装置，其应用行业有超声加工、超声清洗以及超声焊接等，其主要通过稳定输出超声信号功率来稳定换能器机械振动，通过跟踪换能器谐振频率，并输出相同频率的超声信号来使换能器工作在最佳振动状态。
在现有的超声波电源中，大多数输出功率小，约几千瓦左右，故在很多大功率应用场合，常需进行阻抗匹配以使换能器尽量获得较大且稳定的功率，但阻抗匹配设计繁琐，稳定性差，效果常不尽理想；不带APFC(主动功率因数校正) 功能，造成在大功率应用场合下，输入电流大，电压波动高，功率密度低；输出信号非正弦波(如方波)，导致线路谐波含量高、电能传输效率低，换能器在非匹配情况下电流畸变，使得过零点匹配检测不准确，造成谐振频率点跟踪控制复杂、可靠性差。而如果超声波电源输出正弦波电压，那么换能器电流也近乎正弦波，不畸变的电流波形会可靠地实现谐振点频率追踪。
鉴于此，本实用新型发明人提出并实现了一种超大功率正弦波超声波电源。
实用新型内容
本实用新型的目的，在于提供一种超大功率正弦波超声波电源，能够解决超声电源在大功率应用场合下换能器难以获得较大稳定功率、匹配电路设计困难、谐振频率点跟踪效果差以及变换效率低等问题。
为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种超大功率正弦波超声波电源，包括整流模块、调压模块和逆变模块，所述整流模块包括整流主回路单元和整流控制回路单元，调压模块包括调压主回路单元和调压控制回路单元，逆变模块包括逆变主回路单元和逆变控制回路单元，整流主回路单元的输入端连接市电，整流主回路单元的输出端经调压主回路单元连接逆变主回路单元的输入端，逆变主回路单元的输出端作为电源的输出端；整流控制回路单元采集整流主回路单元的输入及输出参数，并实现对整流主回路单元的控制；调压控制回路单元采集调压主回路单元的输入及输出参数，并实现对调压主回路单元的控制；逆变控制回路单元采集逆变主回路单元的输出参数，并实现对逆变主回路单元的控制。
上述整流主回路单元包括顺序连接的缓启动电路、PFC电感和PWM整流电路，还包括与PWM整流电路并联的整流滤波电容；缓启动电路的输入端连接市电，PWM 整流电路作为整流主回路单元的输出端，输出稳定的直流高压；其中，PWM整流电路采用三相三电平或者两电平PWM整流电路。
上述整流主回路单元还包括连接在缓启动电路与PFC电感之间的EMI电感。
上述整流主回路单元还包括连接在EMI电感与PFC电感之间的输入滤波对地电容。
上述整流控制回路单元包括整流采样板、整流器控制板和整流保护及驱动板，其中，整流采样板用于采集缓启动电路的输入电压、输入电流，以及整流滤波电容的输出电压、输出电流，将采集的信号调理成标准的ADC输入信号后送入整流器控制板；所述整流器控制板向上和触摸屏进行通信，向下与调压控制回路单元进行通信；所述整流器控制板向整流保护及驱动板输出整流PWM调制信号以及保护信号，整流保护及驱动板连接PWM整流电路。
上述三相三电平或者两电平PWM整流电路由自带NTC测温的IGBT模块构成。
上述调压主回路单元采用三路或者多路并联的DC/DC调压电路。
上述调压控制回路单元包括调压采样板、DC/DC控制板和DC/DC保护及驱动板，其中，调压采样板用于采集DC/DC调压电路的输入电压、输出电压和输出电流，将采集的信号调理成标准的ADC输入信号后送入DC/DC控制板；所述DC/DC 控制板向上与整流控制回路单元进行通信，向下与逆变控制回路单元进行通信；所述整流器控制板向DC/DC保护及驱动板输出调压PWM调制信号以及保护信号， DC/DC保护及驱动板连接DC/DC调压电路。
上述逆变主回路单元包括顺序连接的LC滤波电路、全桥逆变电路和主输出变压器，主输出变压器的次级作为电源的输出。
上述逆变控制回路单元包括逆变采样板、逆变器控制板和逆变保护及驱动板，其中，逆变采样板用于采集主输出变压器的次级的输出电压和输出电流，将采集的信号调理成标准的ADC输入信号后送入逆变器控制板；所述逆变器控制板向上与调压控制回路单元进行通信，所述整流器控制板向逆变保护及驱动板输出逆变PWM调制信号以及保护信号，逆变保护及驱动板连接全桥逆变电路。
采用上述方案后，本实用新型和现有常见超声电源不同，整流部分和调压部分采用的功率开关器件是自带NTC的三电平或者两电平IGBT模块，逆变部分采用的是碳化硅或者高频IGBT模块，大大提高了电源的开关频率、功率密度、变换效率及其可靠性；该电源输出功率高，其额定输出高达200KW，即使阻抗匹配设计不到位，换能器也能获得较大的功率，降低了对阻抗匹配的设计要求；该款电源整流器带APFC功能，相对一般的被动整流器相比，输入电流小，输入及输出电压稳定性高；该电源输出采用电压、电流双闭环控制，输出功率稳定性高；该电源输出为超声频正弦波，相比传统的方波输出，线路谐波成分少，集肤效应弱，同时通过锁相法可以较容易地对正弦波进行频率跟踪，从而使换能器更容易且可靠地工作在谐振状态，大大提高了转换效率。
另外，该款电源中的整流部分、调压部分以及逆变部分都有各自的、电路结构相同的电压/电流采样板以及控制板，以及各功率开关模块也都有各自的驱动板，这种标准化、模块化设计，可以大大提高设计、调试以及维护效率；控制采用比较流行的“单片机+FPGA”的数字控制组合方式，单片机主要进行功能管理，而FPGA主要进行控制，便于应用更加高效、可靠的控制算法，同时也有利于产品功能开发；人机界面采用工业触摸屏，性能稳定、抗干扰性强，同时图形化组态操作及显示界面，大大提高了可操作性。
附图说明
图1是本实用新型的整体架构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本实用新型提供一种超大功率正弦波超声波电源，整体可分为整流部分、调压部分和逆变部分三级结构，三相380V市电分别经过整流部分、调压部分和逆变部分，输出超声频正弦波。
下面将分别从整流、调压以及逆变这三部分着手，通过描述该电源各部分功能及连接方式来具体说明该实用新型的实施方式。
(1)整流部分
主回路单元连接及其功能说明。三相380V市电Va、Vb、Vc通过缓启动电路接EMI电感输入。缓启动电路可以有效降低电源开机时的浪涌电流，EMI电感可以有效抑制电源对电网的电磁干扰，同时也可以有效抑制电网对电源的电磁干扰。EMI电感的输出端接输入滤波对地电容的输入端和PFC电感的输入端。输入滤波对地电容可以有效降低输入电流纹波，PFC电感是带PFC功能整流电路的滤波和储能电感。PFC电感的输出端接三相三电平或者两电平PWM整流电路的输入端，三相三电平或者两电平PWM整流电路的输出端连接整流滤波电容的输入端。三相三电平或者两电平PWM整流电路将滤波后的三相交流380V整流成含脉动成分的三电平或者两电平直流高压，再经整流滤波电容滤波及稳压后输出稳定的直流高压。
控制回路单元连接及其功能说明。三相380V市电电压Va、Vb、Vc接入整流采样板的输入电压采样部分，电流接入整流采样板的输入电流采样部分，三相三电平或者两电平PWM整流电路的输出电流接入整流采样板的整流电流采样部分，稳定的直流高压接入整流采样板的整流电压采样部分。整流采样板的作用是采集电源输入电压、输入电流、整流输出电流以及整流输出电压，并调理成标准的 ADC输入信号，再将信号输入整流器控制板。整流器控制板向上和触摸屏进行通信，向下和DC/DC控制板进行通信或者以其他连接方式实现控制通信。该整流器控制板为数字控制单元，其核心为单片机和FPGA，单片机负责通信及功能应用， FPGA负责数据运算、输出整流PWM调制信号以及保护信号等。整流器控制板连接整流保护及驱动板，整流保护及驱动板连接三相三电平或者两电平PWM整流电路。所述整流保护及驱动板包含整流驱动电路和整流保护电路，其中，整流驱动电路用来放大和隔离整流器控制板输出的整流器PWM调制信号，整流保护电路负责监测整流器的输出/输入过压、过流以及短路等故障，当这些故障发生时可在第一时间关闭整流驱动电路，同时整流器控制板也可监测到整流器的输出/输入过压、过流以及短路等故障，当整流器控制板监测到这些故障后将关闭电源，从而进行整机故障保护，并将故障信号上报到触摸屏进行故障显示。三相三电平或者两电平PWM整流电路的IGBT模块自带NTC测温，可以实时监测PWM整流电路的IGBT模块温度，通过测温电路将该温度信号输入整流器控制板，由整流器控制板来判断是否需要启动风扇，或者电源是否需要关闭以进行过温保护，并将 PWM整流电路的IGBT模块温度或者过温故障信号上报到触摸屏进行显示。触摸屏负责人机通信，通过触摸屏上的上位机界面可以对电源温度、故障类型、运行情况、输入电压、输入电流、输出电压、输出电流以及输出频率进行显示，并可对输出电压、输出频率、输出占空比等进行设置。
(2)调压部分
主回路单元连接及其功能说明。三相三电平或者两电平PWM整流电路的输出电压经整流滤波电容后输出稳定的直流高压，将该直流高压的正负极接到三路或者多路并联的DC/DC调压电路的输入。这三路或者多路DC/DC调压电路分别将 PWM整流电路输出的直流高压转化成三路直流低压，既起到了分流作用，同时这种先高压输入再低压输出的中间变换方式可以有效降低电源输入电流，从而可以有效提高电源转换效率、节约成本。
控制回路单元连接及其功能说明。三路或者多路并联的DC/DC调压电路的输入电压接入调压采样板的输入电压采样部分，输出电压和输出电流分别接入调压采样板的输出电压采样和输入电流采样部分。调压采样板将DC/DC调压电路的输入电压、输出电流以及输出电压采集后，调理成标准的ADC输入信号，再将信号输入DC/DC控制板。DC/DC控制板向上与整流器控制板进行通信，向下与逆变器控制板进行通信或者以其他连接方式实现控制通信。该DC/DC控制板为数字控制单元，其核心为单片机和FPGA，单片机负责通信及功能应用，FPGA负责数据运算、输出DC/DC调压PWM调制信号以及保护信号等。DC/DC控制板连接DC/DC保护及驱动板，DC/DC保护及驱动板连接DC/DC调压电路。所述DC/DC保护及驱动板包含DC/DC驱动电路和DC/DC保护电路，其中，DC/DC驱动电路用来放大和隔离DC/DC控制板输出的DC/DC调压PWM调制信号，DC/DC保护电路负责监测DC/DC 调压电路的输出/输入过压、过流以及短路等故障，当这些故障发生时可在第一时间关闭DC/DC驱动电路，同时DC/DC控制板也可监测到DC/DC调压电路的输出 /输入过压、过流以及短路等故障，当DC/DC控制板监测到这些故障后，将故障上报给整流器控制板，整流器控制板将关闭电源，从而进行整机故障保护，并将故障信号上报到触摸屏进行故障显示。DC/DC调压电路的IGBT模块自带NTC测温，可以实时监测DC/DC调压电路的IGBT模块温度，通过测温电路将该温度信号输入DC/DC控制板，再由DC/DC控制板上传给整流器控制板，由整流器控制板来判断是否需要启动风扇，或者电源是否需要关闭以进行过温保护，并将DC/DC 调压电路的IGBT模块温度或者过温故障信号上报到触摸屏进行显示。
(3)逆变部分
主回路单元连接及其功能说明。三路或者多路并联的DC/DC输出后，分别经三路或者多路LC滤波电路接入三路或者多路并联的全桥逆变电路。LC滤波电路能够有效降低DC/DC输出纹波电流，并保证DC/DC输出电压稳定。三路或者多路全桥逆变电路将滤波后的低压直流电逆变成指定频率、幅值以及占空比的交流电。三路或者多路并联的全桥逆变电路输出分别接入三路或者多路主输出变压器的初级，三路或者多路主输出变压器的次级串联在一起输出超声频正弦波。三路或者多路主输出变压器既起到分流、升压作用，又将负载和电源进行了有效地隔离，从而即使电源异常也不会对负载造成多大损坏，大大提高电源的安全性。
控制回路单元连接及其功能说明。电源输出电压和输出电流分别接入逆变采样板的输出电压采样和输出电流采样部分。逆变采样板将电源输出电压、输出电流采集后，调理成标准的ADC输入信号，再将信号输入逆变器控制板。逆变器控制板向上和DC/DC控制板进行通信或者以其他连接方式实现控制通信。该逆变器控制板为数字控制单元，其核心为单片机和FPGA，单片机负责通信及功能应用， FPGA负责数据运算、输出逆变PWM调制信号以及保护信号等。逆变器控制板连接逆变保护及驱动板，逆变保护及驱动板连接三路或者多路全桥逆变电路。所述逆变保护及驱动板包含逆变驱动电路和逆变保护电路，其中，逆变驱动电路用来放大和隔离逆变器控制板输出的三路或者多路全桥逆变PWM调制信号，逆变保护电路负责监测三路或者多路全桥逆变电路的输出/输入过压、过流以及短路等故障，当这些故障发生时可在第一时间关闭逆变驱动电路，同时逆变器控制板也可监测到全桥逆变电路的输出/输入过压、过流以及短路等故障，当逆变器控制板监测到这些故障后，将故障上报给DC/DC控制板，DC/DC控制板再将故障上报给整流器控制板，整流器控制板将关闭电源，从而进行整机故障保护，并将故障信号上报到触摸屏进行故障显示。逆变电路的碳化硅或者高频IGBT模块自带NTC 测温，可以实时监测逆变电路碳化硅模块温度，通过测温电路将该温度信号输入逆变器控制板，再由逆变器控制板上传给DC/DC控制板，再由DC/DC控制板上传给整流器控制板，由整流器控制板来判断是否需要启动风扇，或者电源是否需要关闭以进行过温保护，并将逆变电路碳化硅或者高频IGBT模块温度或者过温故障信号上报到触摸屏进行显示。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：包括整流模块、调压模块和逆变模块，所述整流模块包括整流主回路单元和整流控制回路单元，调压模块包括调压主回路单元和调压控制回路单元，逆变模块包括逆变主回路单元和逆变控制回路单元，整流主回路单元的输入端连接市电，整流主回路单元的输出端经调压主回路单元连接逆变主回路单元的输入端，逆变主回路单元的输出端作为电源的输出端；整流控制回路单元采集整流主回路单元的输入及输出参数，并实现对整流主回路单元的控制；调压控制回路单元采集调压主回路单元的输入及输出参数，并实现对调压主回路单元的控制；逆变控制回路单元采集逆变主回路单元的输出参数，并实现对逆变主回路单元的控制；
所述整流主回路单元包括顺序连接的缓启动电路、PFC电感和PWM整流电路，还包括与PWM整流电路并联的整流滤波电容；缓启动电路的输入端连接市电，整流滤波电容作为整流主回路单元的输出端，输出稳定的直流高压；其中，PWM整流电路采用三相三电平或者两电平PWM整流电路。
2.如权利要求1所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述整流主回路单元还包括连接在缓启动电路与PFC电感之间的EMI电感。
3.如权利要求2所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述整流主回路单元还包括连接在EMI电感与PFC电感之间的输入滤波对地电容。
4.如权利要求1所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述整流控制回路单元包括整流采样板、整流器控制板和整流保护及驱动板，其中，整流采样板用于采集缓启动电路的输入电压、输入电流，以及整流滤波电容的输出电压、输出电流，将采集的信号调理成标准的ADC输入信号后送入整流器控制板；所述整流器控制板向上和触摸屏进行通信，向下与调压控制回路单元进行通信；所述整流器控制板向整流保护及驱动板输出整流PWM调制信号以及保护信号，整流保护及驱动板连接三相三电平或者两电平PWM整流电路。
5.如权利要求1所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述三相三电平或者两电平PWM整流电路由自带NTC测温的IGBT模块构成。
6.如权利要求4所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述调压主回路单元采用三路或者多路并联的DC/DC调压电路。
7.如权利要求6所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述调压控制回路单元包括调压采样板、DC/DC控制板和DC/DC保护及驱动板，其中，调压采样板用于采集DC/DC调压电路的输入电压、输出电压和输出电流，将采集的信号调理成标准的ADC输入信号后送入DC/DC控制板；所述DC/DC控制板向上与整流控制回路单元进行通信，向下与逆变控制回路单元进行通信；所述整流器控制板向DC/DC保护及驱动板输出调压PWM调制信号以及保护信号，DC/DC保护及驱动板连接DC/DC调压电路。
8.如权利要求4所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述逆变主回路单元包括顺序连接的LC滤波电路、全桥逆变电路和主输出变压器，主输出变压器的次级作为电源的输出。
9.如权利要求8所述的一种超大功率正弦波超声波电源，其特征在于：所述逆变控制回路单元包括逆变采样板、逆变器控制板和逆变保护及驱动板，其中，逆变采样板用于采集主输出变压器的次级的输出电压和输出电流，将采集的信号调理成标准的ADC输入信号后送入逆变器控制板；所述逆变器控制板向上与调压控制回路单元进行通信，所述整流器控制板向逆变保护及驱动板输出逆变PWM调制信号以及保护信号，逆变保护及驱动板连接全桥逆变电路。
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|---|---|---|---|---|
| CN112821765A (zh) * | 2019-11-15 | 2021-05-18 | 武汉新能源汽车工业技术研究院有限公司 | 一种多模块化电动汽车充电站电力变换的方法与系统 |
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