在我國,電鍍行業(yè)發(fā)展較快,隨著(zhù)市場(chǎng)對電鍍產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,電鍍工藝對電鍍電源的要求也越來(lái)越高。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品由于其具有體積小,重量輕,節能節材,調節精度高,易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn),正逐漸被廣大用戶(hù)所采用。脈沖開(kāi)關(guān)電源作為開(kāi)關(guān)電源衍生產(chǎn)品,其應用于電鍍與直流電鍍相比有如下特點(diǎn):
脈沖電源可通過(guò)控制輸出電壓的波形、頻率和占空比及平均電流密度等參數,改變金屬離子的電沉積過(guò)程,使電沉積過(guò)程在很寬的范圍內變化,從而在某種鍍液中獲得具有一定特性的鍍層。脈沖鍍鎳代替直流鍍鎳可獲得結晶細致的鍍層,能使鎳層的孔隙率與內應力降低,硬度增高,雜質(zhì)含量降低,并可采用更高的電流密度,提高鍍覆速度〖1〗。
根據脈沖鍍鎳的工藝,我們研制了最大峰值電流1000A,最大峰值電壓30V的脈沖鍍鎳開(kāi)關(guān)電源。其工藝如下:
硫酸鎳(NiSO4·7H2O):180——240g/L
硫酸鎂(MgSO4·7H2O):20——30g/L
氯化鈉(NaCl):10——20g/L
硼酸:30——40
PH值:5.4
溫度:室溫
波形:矩形波
頻率:500——1500Hz
占空比:5%——12%
平均電流密度(A/dm2):0.7
2電源的基本方案
三相380V/50Hz交流電經(jīng)過(guò)EMI電磁兼容裝置,進(jìn)行橋式整流,再經(jīng)過(guò)逆變和變壓,然后再整流、濾波、儲能,最后進(jìn)行電壓斬波,輸出單向脈沖電壓。本電源設計分兩部分:前級的開(kāi)關(guān)電源和后級的斬波。脈沖電源電路工作原理框圖如圖1所示。
圖1脈沖電源電路工作原理框圖
3開(kāi)關(guān)電源部分的設計要點(diǎn)
3.1開(kāi)關(guān)電源部分原理
主電路由EMI電磁兼容裝置、整流電路、逆變電路、高頻變壓器、高頻整流及高頻濾波電路組成;控制電路由電流、電壓雙閉環(huán)組成,電流環(huán)為內環(huán),電壓環(huán)為外環(huán);保護電路設置有初級最大電流限制,輸出過(guò)流、短路保護,最高輸出電壓限制。
3.2基本要求
脈沖開(kāi)關(guān)電源除應具有一般電源的要求外,還要求短時(shí)輸出功率大,動(dòng)態(tài)特性好,效率高,并在大功率脈沖輸出情況下能穩定可靠地工作。
3.3開(kāi)關(guān)電源的設計
?。?)高頻化該電源輸出最大平均容量為峰值電流1000A,電壓30V,占空比10%,即3kW?;趯γ}沖開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際要求,宜采用高頻技術(shù)方案,同時(shí)選取全橋逆變的拓撲形式,提高頻率是實(shí)現小型化的重要途徑,它能減少功率變壓器的體積和濾波電感量,而輸出電感是影響動(dòng)態(tài)響應的重要因素。高頻化還是改善動(dòng)態(tài)響應的重要措施,電源調整的速度隨頻率提高而加快。從而達到迅速穩壓的目的。
?。?)容量小型化由于占空比D較小,例如:D=0.1,
則峰值電流將為平均電流的十倍。若按峰值電流設計則不難實(shí)現,但電源體積龐大,不經(jīng)濟。若按平均電流設計,則對電源要求十分苛刻,既要求電源小型可靠,又要求電源在負載突變的過(guò)程中不能產(chǎn)生過(guò)大的壓降。對于供電電壓為2——30Vd.c.,峰值電流IP=1000A,D=0.05——0.1,需平均電流ICP=50A——100A的開(kāi)關(guān)電源,若按照平均電流來(lái)設計,則有以下難題:
?、匐娫丛诤撩爰墪r(shí)間內突然加上十倍平均電流時(shí)將會(huì )發(fā)生過(guò)流保護;
?、陔娫丛诤撩爰墪r(shí)間內提供不了峰值電流時(shí)將會(huì )發(fā)生輸出跳變,即突降過(guò)程〖2〗。
本裝置采用1.5倍平均電流設計,保證開(kāi)關(guān)電源有足夠的裕量,同時(shí),適當增加電源的能量供給能力。
?。?)高的電壓反饋增益電源應有足夠高的電壓反饋,提高電源的動(dòng)態(tài)特性,保證脈沖輸出電壓的平穩。
?。?)增大開(kāi)關(guān)電源輸出電壓保持能力問(wèn)題
由于電源工作在大脈沖電流條件下,電源至少要經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期的調整才能穩定過(guò)來(lái),并要耐受沖擊電流而不至于保護動(dòng)作,為了減小沖擊帶來(lái)的異常(尖峰,下降等),宜在負載端設置儲能電容。
設計方法如下:
電容中儲存的能量為:
EC=0.5C0U2
在輸出峰值功率P0P作用下,開(kāi)關(guān)電源輸出功率為PO1時(shí),維持輸出方波寬度TON,輸出電壓變化ΔU=U1——U2,電容儲存的能量如下式所示:
0.5C0(U12——U22)=(P0P——PO1)×TON
由上式求得儲能電容C0:
C0={2(P0P——PO1)×TON}/(U12——U22)
同時(shí),儲能電容必須選用ESR小,高頻性能好的電解電容。
?。?)加入逆變橋的過(guò)流限制鑒于開(kāi)關(guān)電源輸出電容量特別大,開(kāi)機瞬間和脈沖輸出時(shí),逆變橋需要承受特別大的沖擊電流,當逆變橋加入單周期過(guò)流限制后,能夠有效地保證逆變橋的功率器件不會(huì )超過(guò)設計電流值,而大大提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性。
4電壓斬波控制
4.1設計思路
以SG3525PWM芯片為核心進(jìn)行控制系統的設計。通過(guò)用CD4017B芯片進(jìn)行8分頻,對輸出最大占空比進(jìn)行限制。主電路采用場(chǎng)效應管并聯(lián)。電壓斬波控制原理圖如圖2所示。
圖2電壓斬波控制原理圖
4.2主電路的選擇
因為主電路為電壓斬波,存在著(zhù)大電流的沖擊,為此,本裝置采用場(chǎng)效應管并聯(lián)。選IR公司的產(chǎn)品FB180SA10比較適合,它的VDSS=100V,RDS(ON)=0.0065Ω,ID=180A(TC=25℃)或120A(TC=120℃),同時(shí),它用絕緣TO227封裝,易于并聯(lián),內部電感量低。本裝置選用12只并聯(lián)。4.3控制與保護SG3525原理框圖如圖3所示。其具有5.1V溫度系數為1%的基準穩壓電源,誤差放大器,頻率為100Hz——400kHz(其值由外界電阻Rt,電容Ct決定)的鋸齒波振蕩器,軟啟動(dòng)電路,同步電路,關(guān)閉電路,脈寬調制比較器,RS寄存器及保護電路。
圖3 SG3525原理圖。
利用SG3525的誤差放大器的1腳和2腳對輸出進(jìn)行占空比的調節;在實(shí)際調試過(guò)程中發(fā)現,由于占空比較小,電壓比較器輸入電壓可以調節的范圍特別小,調試非常困難,為此特別設計了分頻線(xiàn)路即利用CD4017B十進(jìn)制計數芯片及其外圍線(xiàn)路對SG3525的4腳振蕩器輸出信號進(jìn)行8分頻,利用SG3525的10腳關(guān)機功能,封鎖SG3525的4腳輸出信號8個(gè)中的6個(gè),使11和14腳各有1個(gè)脈沖輸出,見(jiàn)圖4、圖5。因為11腳最大占空比為48%左右,則分頻后實(shí)際輸出占空比最大為12%左右,最小占空比通過(guò)R7來(lái)確定。本部分的保護采取單周期限流保護,以場(chǎng)效應管的柵源電阻為采樣信號,當電流超過(guò)限定值時(shí),通過(guò)SG3525的10腳將該周期驅動(dòng)信號關(guān)斷,達到單周期保護。
圖4 SG3525的4腳與11腳正常情況下的波形圖
圖5 CD4017B及外圍線(xiàn)路輸入與輸出的仿真圖
4.4仿真與試驗
圖4給出了SG3525沒(méi)有分頻時(shí),振蕩器輸出(4腳)CH1與PWM輸出(11腳)CH2的對應關(guān)系。由圖中可以清楚地看出振蕩器輸出脈沖出現在PWM脈寬的前后側各一個(gè),其脈寬約在5μs——10μs,這個(gè)時(shí)間足夠CD4017B完成動(dòng)作。圖5給出了CD4017B及外圍線(xiàn)路輸入輸出仿真圖。由圖5我們可以清楚看出CLK端輸入頻率1kHz脈寬為5μs的脈沖時(shí),輸出OUT即D5——D9的陰極的波形與設計是相符的。經(jīng)過(guò)濾波后,到達SG3525的10腳波形是比較規整的。為分析方便,同時(shí)給出了相關(guān)引腳的時(shí)序圖。同時(shí),采取CLK上升沿翻轉,保證了控制時(shí)序的正確,采用封鎖6個(gè)脈沖,避免了干擾和初始狀態(tài)對輸出的PWM波形的影響。
5結語(yǔ)
該裝置投入運行后,經(jīng)過(guò)將近一年的現場(chǎng)檢驗,證明運行穩定可靠,各項技術(shù)指標達到了設計要求,提高了電鍍產(chǎn)品質(zhì)量,節省了電鍍時(shí)間,完全滿(mǎn)足該項工藝要求。