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可控直流脉冲电源的设计
2017-3-31
来源:未知
点击数: 1875          作者:未知
  • 脉冲电源的形式和用途有多种, 其主要的应用领域包括: 脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理等。在军事上, 脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。不同的应用场合, 对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。  


    脉冲电源有单正脉冲和双正、负脉冲电源,采用独特的调制技术,数字化控制。正向脉冲开启宽度(T+)和负向脉冲开启时间宽度(T-)可分别在全周期内调节。正向电流、电压调节、负向电流、电压均可独立调节。可满满足客户的不同的需求。适用于镀金、镀银、镀镍、镀锡等,可明显改善镀层性能;用于防护-装饰性电镀(如装饰金)时,可使镀层色泽均匀一致,亮度好,耐蚀性强。特别是双脉冲电源的反向脉冲的阳极化溶解使阴极表面金属离子浓度迅速回升,这有利于随后的阴极周期使用高的脉冲电流密度,因而镀层致密、光亮、孔隙率低;双脉冲电源的反向脉冲的阳极剥离使镀层中有机杂质(含光亮剂)的夹附大大减少,因而镀层纯度高,抗变色能力强。双脉冲电源是一款新型电源,由于高频脉冲和低频脉冲的合理处理,使得开关电源的应用领域开更为广泛。  


    脉冲电源技术的基本工作原理:脉冲电源在脉冲电镀过程中,当电流导通时,脉冲(峰值)电流相当于普通直流电流的几倍甚至几十倍,正是这个瞬时高电流密度使金属离子在极高的过电位下还原,从而使沉积层晶粒变细;当电流关断时,阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度,浓差极化消除,这利于下一个脉冲同期继续使用高的脉冲(峰值)电流密度,同时关断期内还伴有对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。这样的过程同期性地贯穿整个电镀过程的始末,其中所包含的机理构成了脉冲电镀的最基本原理。实践证明,脉冲电源在细化结晶,改善镀层物理化学性能,节约贵重金属等方面比传统直流电镀有着不可比拟的优越性。首先经过慢储能,使初级能源具有足够的能量;然后向中间储能和脉冲成形系统充电(或流入能量),能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等某些复杂过程之后,最后快速放电给负载。  

    脉冲电源用于电镀金、银、镍、锡、合金时,可明显改善镀层的功能性;用于防护-装饰性电镀(如装饰金)时,可使镀层色泽均匀一致,亮度好,耐蚀性强; 脉冲电源用于贵金属提纯时,贵金属的纯度更高。脉冲电源优于传统的电镀电源,是电镀电源的发展方向。


    设计目的及要求 

    设计一个±12V简易直流脉冲电源,满足:当输入电压在220V交流时,输出直流电压为±12V。  要求: 绘制出所设计的直流脉冲电源的系统框图,并分析各组成部分的功能及工作原理;设计出每个功能方框图的具体电路图,并根据所提供的技术参数的要求,计算出电路中所用元件的参数值,最后按工程实际确定元件参数的标称值。具体参数要求:变压器的额定电压、额定电流、额定容量、电压比;整流元件的型号;电阻的阻值和功率;电容的容值和耐压以及类型等。

      

    要求掌握  

    通过此可控直流脉冲电源的设计,要求掌握:  1.  选择变压器、晶闸管、滤波电容及IGBT来设计直流脉冲电源。 2.  掌握直流脉冲电源的调试及主要技术指标的测试方法


    各电路组成的工作原理及设计的采用  
    指示电路  指示电路为上电输入电源的有电指示,当脉冲电源连接到市电AC220V后,有1红色电源指示灯亮。此电源为简易可控直流脉冲电源,所以要求体积比较小。如选用指示灯来指示会使得体积增大,所以一般均采用红色发光二极管来指示,这样体积小成本低。  

    变压电路  通常直流脉冲电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压,次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说,电源变压器是一种电→磁→电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场,磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时,电路闭合,次级电路有交变电流通过。 

    变压器的电路图符

    整流电路   
    1)电路组成:该电路为单相桥式全控整流电路,由变压器﹑四个晶闸管﹑ 电感及电阻组成,如图2所示。 
    2)工作原理:假设电路已经工作在稳定状态,  假设wL>>R,负载电流连续,近似为一平直的直线。  电源电压的正半周,在α=1tw时,触发晶闸管VT1、VT4导通,负载上的电压和电源电压相同。但由于电感的平波作用,电流不能突变,因此电流波形平稳近似一条直线。 当交流电压2u正半周过零开始変负时,由于L的作用,产生感应电动势UL,阻止电流下降,极性为下负上正,只要UL在数值上大于电源负电压,已导通的VT1、VT4管仍受正压而继续导通,此时负载两端出现负电压。直到电源负半周2wt时刻触发VT2、VT3管导通,VT1、VT4才会受反压关断,负载电流改由VT2、VT3导通回路供应。因此每个晶闸管始终导通180°,晶闸管电流Ti为180°底宽、高度为Id的矩形波,在晶闸管的触发时刻换流。变压器二次电流2i为正负对称的矩形波,无直流分量。 
     3)主要参数

     ① 输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id 

     

      ② 晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT

     

      ③(输出电流有效值I和变压器二次电流有效值I2


     ④ 晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为

       

      滤波电路 

     滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同,实现滤波。电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C应该并联在负载两端。电感L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联。经过渺小滤波电路后,既可保留直流分量,又可滤掉一部分交流分量,改变了交直流成分的比例,减小了电路的脉动系数,改善了直流电压的质量。

     滤波电路的种类如下: 1. 电容滤波电路  电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段,电容充电,由于充电时间常数很小,所以充电速度很快;在脉动直流波形的下降段,电容放电,由于放电时间常数很大,所以放电速度很慢。在电容还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容的反复充放电实现了滤波作用。桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形见图



          


    2.  电感滤波电路  

    电感滤波电路是利用储能元件电感器L的电磁感应使电流不能突变的性质,把电感L与整流电路的负载串联,也可以起到滤波的作用。  


    3.  复式滤波电路 

    当单独使用电容或电感进行滤波,效果仍不理想时,可采用复式滤波电路。复式滤波电路常用的有三种类型,它们的电路组成原则是,把对交流阻抗大的元件(如电感、电阻)与负载串联,以降落较大的纹波电压,而把对交流阻抗小的元件(如 电容)与负载并联,以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感波类似。  本设计为简易直流脉冲电源,综上所述,采用结构简单、价格低廉的电容滤波电路


    电路的基本组成
     一般直流稳压电源都使用AC220V市电作为电源,经过变压、整流、滤波后输送给脉冲电路进行稳压,最终成为稳定的直流电源。这个过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流脉冲电源的基础电路,没有这些电路对市电的前期处理,脉冲电路将无法正常工作。      
          因设计任务中要求输入端须设上电指示灯,所以本次设计的小功率脉冲电源由上电指示电路、变压电路、整流电路、滤波电路、四个部分组成。


    组成部件的功能
    1.  上电指示电路:输入电源有电指示,接入电网220V交流电后指示灯亮。 

    2.  变压电路:是降压变压器,它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。 

    3.  整流电路:利用单向导电元件,把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。 

    4.  滤波电路:可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。


    简易直流脉冲电源电路图            
     

    简易直流脉冲电源电路的工作原理 

    当合上开关S后,电源通过R1.R2加到单结管的两个基极上,同时又通过R,RP向电容C充电,Uc(Uc=Ue)

    上述电路的工作过程是利用了单结管负阻特性和RC充放电特性,如果改变RP便可改变电容充放电的快慢,使输出的脉冲前移或后移,从而改变控制角a,控制了晶闸管触发导通的时刻。显然,充放电时间常数T=RC后移,a大晶闸管推迟导通,T时,触发脉冲前移,a小晶闸管提前导通。

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