電鍍用脈衝電源的研製

2021-01-14 電子產品世界

脈衝電源可通過控制輸出電壓的波形、頻率和佔空比及平均電流密度等參數,改變金屬離子的電沉積過程,使電沉積過程在很寬的範圍內變化,從而在某種鍍液中獲得具有一定特性的鍍層。脈衝鍍鎳代替直流鍍鎳可獲得結晶細緻的鍍層,能使鎳層的孔隙率與內應力降低,硬度增高,雜質含量降低,並可採用更高的電流密度,提高鍍覆速度〖1〗。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/179490.htm

  根據脈衝鍍鎳的工藝,我們研製了最大峰值電流1000A,最大峰值電壓30V的脈衝鍍鎳開關電源。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

  佔空比:5%~12%

  平均電流密度(A/dm2):0.7

  2電源的基本方案

  三相380V/50Hz交流電經過EMI電磁兼容裝置,進行橋式整流,再經過逆變和變壓,然後再整流、濾波、儲能,最後進行電壓斬波,輸出單向脈衝電壓。本電源設計分兩部分:前級的開關電源和後級的斬波。脈衝電源電路工作原理框圖如圖1所示。

  

  圖1脈衝電源電路工作原理框圖

  3開關電源部分的設計要點

  3.1開關電源部分原理

  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、電壓雙閉環組成,電流環為內環,電壓環為外環;保護電路設置有初級最大電流限制,輸出過流、短路保護,最高輸出電壓限制。

  3.2基本要求

  脈衝開關電源除應具有一般電源的要求外,還要求短時輸出功率大,動態特性好,效率高,並在大功率脈衝輸出情況下能穩定可靠地工作。

  3.3開關電源的設計

  (1)高頻化該電源輸出最大平均容量為峰值電流1000A,電壓30V,佔空比10%,即3kW。基於對脈衝開關電源的實際要求,宜採用高頻技術方案,同時選取全橋逆變的拓撲形式,提高頻率是實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態響應的重要因素。高頻化還是改善動態響應的重要措施,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。

  (2)容量小型化由於佔空比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現,但電源體積龐大,不經濟。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程中不能產生過大的壓降。對於供電電壓為2~30Vd.c.,峰值電流IP=1000A,D=0.05~0.1,需平均電流ICP=50A~100A的開關電源,若按照平均電流來設計,則有以下難題:

  ①電源在毫秒級時間內突然加上十倍平均電流時將會發生過流保護;

  ②電源在毫秒級時間內提供不了峰值電流時將會發生輸出跳變,即突降過程〖2〗。

  本裝置採用1.5倍平均電流設計,保證開關電源有足夠的裕量,同時,適當增加電源的能量供給能力。

  (3)高的電壓反饋增益電源應有足夠高的電壓反饋,提高電源的動態特性,保證脈衝輸出電壓的平穩。

  (4)增大開關電源輸出電壓保持能力問題

  由於電源工作在大脈衝電流條件下,電源至少要經過若干個周期的調整才能穩定過來,並要耐受衝擊電流而不至於保護動作,為了減小衝擊帶來的異常(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,開關電源輸出功率為PO1時,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,儲能電容必須選用ESR小,高頻性能好的電解電容。

  (5)加入逆變橋的過流限制鑑於開關電源輸出電容量特別大,開機瞬間和脈衝輸出時,逆變橋需要承受特別大的衝擊電流,當逆變橋加入單周期過流限制後,能夠有效地保證逆變橋的功率器件不會超過設計電流值,而大大提高了開關電源的可靠性。


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