基于TL494控制的大功率極化電源研究

曾小波，張小平

（1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院太陽能工程系，湘潭411104；2.湖南科技大學(xué)先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心、機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201）

基于TL494控制的大功率極化電源研究

曾小波1，2，張小平2

（1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院太陽能工程系，湘潭411104；2.湖南科技大學(xué)先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心、機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201）

針對目前電化工業(yè)電解槽極化電源主電路普遍采用晶閘管相控整流方案存在的不足，提出了采用不可控整流-斬波變流技術(shù)的新型主電路方案。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)方案，介紹了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及工作原理，并分析了器件參數(shù)及器件選型。闡述控制電路的設(shè)計(jì)及控制方法分析，最后建立仿真模型并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：該方案具有輸出電壓穩(wěn)定、諧波含量少、動態(tài)性能好等特點(diǎn)，能有效提高電源系統(tǒng)功率因數(shù)，且效率在97.5%以上，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

極化電源；斬波調(diào)壓；PWM控制；仿真

引言

極化電源是電化學(xué)整流系統(tǒng)中的一個(gè)中大功率直流備用電源，其主要功能有兩個(gè)：一是為電解槽提供幾十至幾百安培的直流電流，用來進(jìn)行槽電壓的檢測；二是當(dāng)正常運(yùn)行的電解槽突然或計(jì)劃停車時(shí)，為電解槽提供正向極化電流，達(dá)到保護(hù)電解槽防止被腐蝕的目的［1］。傳統(tǒng)的極化電源主電路方案常采用晶閘管相控整流技術(shù)，而且電解槽的單元電壓在運(yùn)行前期和運(yùn)行中后期會有較大變化，因此工程設(shè)計(jì)中常采用最大槽電壓設(shè)計(jì)。該種方案的弊端在于極化電源常處于控制角較大的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)諧波和無功問題非常突出，電網(wǎng)污染嚴(yán)重，隔離變壓器發(fā)熱，能量損耗嚴(yán)重，且影響動力電源的穩(wěn)定性。

本文提出采用不可控整流-Buck降壓斬波技術(shù)設(shè)計(jì)主電路的方案，并采用TI公司的雙端驅(qū)動集成芯片TL494作為電源系統(tǒng)核心控制器。設(shè)計(jì)中利用單片機(jī)系統(tǒng)給出控制電壓，通過調(diào)節(jié)輸出脈寬調(diào)制PWM脈沖占空比，達(dá)到控制后級Buck降壓電路的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出電壓的目的［2］。仿真結(jié)果表明，該方案設(shè)計(jì)的極化電源輸出電壓穩(wěn)定、減少諧波和無功損耗，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

電源系統(tǒng)整體方案主要由主電路部分、控制電路和輔助直流電源3部分組成，如圖1所示。主電路部分由二極管不可控整流電路和電容濾波實(shí)現(xiàn)三相不可控整流與濾波作用，而DC-DC Buck直流變換部分主要由開關(guān)管IGBT及輔助元件組成，在PWM信號的控制下，實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的調(diào)節(jié)功能?？刂齐娐凡糠钟蓡纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、PLC（programmable logic controller）檢測系統(tǒng)、TL494PWM脈沖控制模塊、電壓電流采樣、A/D轉(zhuǎn)換、D/A輸出及人機(jī)交互部分等組成，其中單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集輸出電壓與給定比較，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理和人機(jī)交互的功能；PLC檢測系統(tǒng)用于檢測DCS（distributed control system）啟停信號和電解槽實(shí)際運(yùn)行電流電壓值，決定控制部分的啟停；PWM脈沖控制模塊以TL494為核心，負(fù)責(zé)產(chǎn)生PWM信號并調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；電壓電流采樣電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓電路的監(jiān)測功能。輔助電源為控制系統(tǒng)提供直流電源。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Block diagram of whole system

2 主電路研究

2.1 主電路結(jié)構(gòu)與原理分析

系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)思路是將DC-DC變換部分設(shè)計(jì)為降壓斬波電路，系統(tǒng)控制部分采用脈寬調(diào)制（PWM）工作方式。通過維持開關(guān)器件IGBT控制脈沖的周期T不變，調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間ton，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目標(biāo)。

系統(tǒng)主電路由二極管整流橋、濾波電容、開關(guān)管IGBT和電抗器等主要元器件組成，如圖2所示。根據(jù)我國電化工業(yè)中極化電源的電壓常在100～400 V范圍內(nèi)的情況，極化整流器設(shè)計(jì)時(shí)常采用380 V的動力電源。圖中，輸入端為三相交流380 V，經(jīng)過整流橋整流后和大電容濾波后，得到輸出直流電壓UD和輸入三相交流的關(guān)系［3］為

式中：α1為三相交流整流的整流系數(shù)，一般取值約為1.35；α2為平波電容濾波后電壓的上升系數(shù)，一般取值為1.1。當(dāng)IGBT在PWM信號的控制下，不論IGBT導(dǎo)通或截止，電感L1兩端電壓均為常數(shù)，即周期性穩(wěn)態(tài)電路中電感兩端的平均直流電壓為0，周期性穩(wěn)態(tài)電路中電感無直流電壓［4］，則

設(shè)計(jì)時(shí)考慮ton＜T，輸出平均電壓Uo總小于UD時(shí)，則為降壓斬波器，系統(tǒng)通過控制ton達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。由式（1）、式（2）得出這種降壓模式的極化電源輸入三相交流電壓和輸出直流電壓的關(guān)系為

由式（3）可知，只要控制α的取值，即脈沖占空比在0～98%范圍調(diào)節(jié)時(shí)，輸出極化直流電壓可在0～507 V范圍調(diào)節(jié)?？紤]回路阻抗損耗和安全袼量，實(shí)際可調(diào)的極化直流電壓約在0～500 V之間。

圖2 極化電源主電路Fig.2 Main circuit of Polarization power supply

2.2 主電路參數(shù)計(jì)算與器件選型

系統(tǒng)以圖2中400 V/100 A額度輸出的直流穩(wěn)壓電源為例設(shè)計(jì)電路參數(shù)與器件選型?？紤]諧波的因素，開關(guān)頻率需要較大數(shù)值，結(jié)合回流電路100 A的實(shí)際情況，過高開關(guān)頻率又會影響IGBT的開關(guān)損耗和瞬間峰值電壓過高，因此采用5 kHz的開關(guān)頻率。主要器件模型確定如下。

整流橋部分：輸入端為380 V的交流電壓，二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值［5］，即為×380 V；考慮開關(guān)器件在開通和關(guān)斷時(shí)有瞬間峰值電壓存在，并考慮器件的余量，整流模塊選用電流300 A，耐壓值1 200 V的三相橋整流模塊；開關(guān)管IGBT，選用英飛凌公司的300 A/1200 V的半橋或單管模塊。

平波電容C1、C2：由于極化電源仍相當(dāng)于一個(gè)電感性器件，考慮無功消耗因素和直流電源的電壓穩(wěn)定性，平波電容選用2 200 μF/450 V的電解電容器，并采取2個(gè)電容串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

吸收電容C3：為了防止功率器件因瞬間的峰值電壓或電流過高而損壞，提高IGBT的使用壽命，增加尖峰吸收電容，選用薄膜電容0.47 μF/1 200 V。

平波電抗器L1：根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］的經(jīng)驗(yàn)公式可得，在開關(guān)頻率為5 kHz的前提下，考慮到極化電源對電流的穩(wěn)定性和紋波系數(shù)要求，選取3 mH/ 150 A電抗器。

3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路采用脈寬調(diào)制（PWM）的工作方式。脈沖調(diào)制控制由集成電路TL494產(chǎn)生基本PWM控制脈沖，脈沖寬度由PI調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)，保證負(fù)載電壓跟隨給定［5］。并且電源系統(tǒng)設(shè)置模擬給定和數(shù)字給定兩種模式，數(shù)字控制工作狀態(tài)顯示均由單片機(jī)系統(tǒng)完成，模擬電路實(shí)現(xiàn)過壓和過流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)迅速動作目的。

3.1 閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)閉環(huán)控制原理如圖3所示，電壓給定值Ug對應(yīng)于400 V輸出電壓的反饋值。當(dāng)輸出電壓反饋值Uf與Ug不相等時(shí)，電壓PI調(diào)節(jié)器1起作用，調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度，使輸出穩(wěn)定在400 V。電流給定Ig對應(yīng)所要求的最大過載電流150 A（150%Ie）的反饋值If。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流小于150%Ie時(shí)，則If＜Ig，電流PI調(diào)節(jié)器2輸出小于電壓調(diào)節(jié)器1的輸出，脈寬調(diào)制僅由電壓調(diào)節(jié)器控制，系統(tǒng)在電壓負(fù)反饋?zhàn)饔孟路€(wěn)壓運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載電流超過150 A時(shí)，電流調(diào)節(jié)器的輸出大于電壓調(diào)節(jié)器的輸出，脈沖寬度僅受電流調(diào)節(jié)器控制，電流反饋使系統(tǒng)執(zhí)行限流動作［8］。任何時(shí)刻系統(tǒng)僅有一個(gè)PI調(diào)節(jié)起作用，在正常工作狀況時(shí)，則只考慮電壓反饋閉環(huán)。

控制電路中設(shè)計(jì)數(shù)字給定和模擬給定2種方式，當(dāng)數(shù)字通訊出現(xiàn)故障時(shí)，可以采用模擬電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便調(diào)試人員進(jìn)行調(diào)試和檢修。該系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器均采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，在這種控制方案中，單片機(jī)系統(tǒng)只進(jìn)行數(shù)值給定、電壓電流狀態(tài)監(jiān)測和報(bào)警，可以有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖3 系統(tǒng)閉環(huán)控制原理框圖Fig.3 Block diagram of close-loop control system principle

3.2 PWM調(diào)制電路設(shè)計(jì)

PWM輸出控制電路［6］如圖4所示，調(diào)制電路以TL494芯片作為PWM控制系統(tǒng)核心器件。TL494具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及價(jià)格便宜的等特點(diǎn)［7］。TL494內(nèi)置5 V基準(zhǔn)電壓參考源，腳5和腳6外接電阻與電容，產(chǎn)生對應(yīng)鋸齒波并送比較器比較后產(chǎn)生一定周期的振蕩信號，腳4為死區(qū)時(shí)間控制端，腳13為輸出方式控制端，設(shè)計(jì)中將腳13接地。TL494內(nèi)觸發(fā)器Q1和Q2不起作用，兩路輸出相同，使TL494工作在單端輸出方式，其頻率和振蕩器相同，實(shí)現(xiàn)PWM占空比0～98%連續(xù)可調(diào)。

電路中TL494的腳1作反饋電壓輸入端。Vin由模擬給定或數(shù)字給定經(jīng)閉環(huán)PI控制器輸出調(diào)節(jié)，控制PWM脈沖的占空比。腳5、6分別接0.1 μF的電容和10 kΩ可調(diào)電阻，產(chǎn)生頻率可調(diào)的振蕩頻率。腳16用于保護(hù)動作封脈沖，也可以由按鈕開關(guān)SW1手動封脈沖。為了增大TL494的輸出驅(qū)動電流，提高驅(qū)動能力，將腳9和腳10并聯(lián)后作為振蕩脈沖輸出端，并采用2個(gè)高速二極管并聯(lián)輸出的方式，輸出最大達(dá)500 mA的電流，提高輸出的驅(qū)動能力。

圖4 PWM輸出控制電路Fig.4 PWM output control circuit

4 仿真及結(jié)果分析

極化電源主回路仿真模型如圖5所示。根據(jù)設(shè)計(jì)確定的負(fù)載容量，在Matlab/Simulink中建立了極化電源系統(tǒng)主回路模型并設(shè)置仿真參數(shù)為：三相交流輸入為380 V，平波電容C1、C2為2 200 μF，電感L1＝50 mH，濾波電容C4為33 μF，負(fù)載R為3 Ω，開關(guān)頻率6 kHz。仿真所得PWM脈沖占空比為80%和90%時(shí)的輸出直流電壓仿真波形分別如圖6、圖7所示。

圖5 極化電源主回路仿真模型Fig.5 Simulation model of polarization power supply main loop

圖6 占空比為80%時(shí)的輸出直流電壓波形Fig.6 Output DC voltage waveform with duty cycle 80%

圖7 占空比為90%時(shí)的輸出直流電壓波形Fig.7 Output DC voltage waveform with duty cycle 90%

從圖6、圖7可以看出，輸出電壓上升速度較快，輸出電壓只需40 ms的時(shí)間就可以達(dá)到穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，且穩(wěn)定電壓400 V左右，與理論計(jì)算值相近，驗(yàn)證了可調(diào)電壓計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果進(jìn)一步分析，還可以得到三相輸入側(cè)功率因數(shù)變化曲線，實(shí)際測得輸入側(cè)功率因數(shù)可高達(dá)0.975。

5 結(jié)語

本文以TI公司的TL494作為PWM控制芯片，設(shè)計(jì)了一種PWM控制的新型極化整流電源。其中過流保護(hù)與過壓保護(hù)的設(shè)計(jì)直接結(jié)合TL494的特點(diǎn)利用硬件電路實(shí)現(xiàn)，具有較高的安全性與可靠性，單片機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能，系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定。并采用開關(guān)器件IGBT，開關(guān)頻率高，損耗小，變流效率高。通過仿真實(shí)驗(yàn)，并與采用相控整流技術(shù)的極化電源對比分析，該新型極化電源系統(tǒng)具有較高的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，功率因數(shù)高，效率高達(dá)97%以上，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］曠永紅，周鵬.一種新型極化整流器的研究和設(shè)計(jì)［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22（4）：1-4.Kuang Yonghong，Zhou Peng.Research and design of new polarization rectifier［J］.Journal of Hunan Institute of Engineering，2012，22（4）：1-4（in Chinese）.

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Research on High Power Polarization Power Supply Based on TL494 Control

ZENG Xiaobo1，2，ZHAN Xiaoping2
（1.Department of Solar Engineering，Hunan Vocational Institute of Technology，Xiangtan 411104，China；2.Engineering Research Center of Advanced Mining Equipment Ministry of Education，Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance for Mechanical Equipment，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

In view of the deficiendcy of the thyristor rectification circuit mainly adopted by polarization electrical source in electric tank of electrochemical industry，the paper puts forward a new electrocircuit plan of uncontrollable rectification-variable chopped wave technology.It designs the systematic plan，and introduces instruction and operation principle of the main circuit，and analyses the device parameter and its lectotype.The paper states the controllable circiut design and the analysis of the controll methods.Simulation model is built and analyzed at last.The results make clear that this plan has such characteristics as stable output voltage，little harmonic wave，good dynamic function and so on，which can raise the power factor of electric sourcewith the efficiency above 97.5%.The design has good application value.

polarization power；chopper；pulse width modulation（PWM）control；simulation

曾小波

荀倩

曾小波（1979-）通信作者，男，碩士研究生，講師，研究方向：電力電子技術(shù)、嵌入式技術(shù) ，E-mail：253124267@qq.com；

張小平（1966-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：zxp836@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.61

：TM 921

：A

2014-08-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51477047）；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（12C1097）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51477047）；Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department（12C1097）