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            高壓逆變電源負(fù)載阻抗特性分析

            目前,在臭氧發(fā)生器、污水處理、煙氣脫硫、高功率激光、等離子體放電等技術(shù)領(lǐng)域,高壓逆變電源正得到越來越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的高壓逆變電源一般由工頻或中頻變壓器直接升壓或LC串聯(lián)諧振獲得,不可避免地存在體積大、效率低的缺點。在目前許多需要高壓電源的場合,采用高頻技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù),可以有效減小高頻電源體積、重量和損耗,所以高頻高壓逆變電源是未來發(fā)展的方向。

              由于高壓逆變電源的應(yīng)用領(lǐng)域不同,負(fù)載的阻抗也會不同;另外電源在工作時負(fù)載阻抗會隨溫度的變化而變化,所以研究負(fù)載的變化對逆變電源輸出參數(shù)的影響有著重要的意義,也是設(shè)計一個優(yōu)良電源的關(guān)鍵。本文根據(jù)實際應(yīng)用中的逆變電源,分析了負(fù)載阻抗變化的特性。

              1 實際電路及其工作原理

              高壓逆變電源前級一般采用不控整流、全橋逆變,后級采用串聯(lián)諧振軟開關(guān)結(jié)構(gòu)。本實驗電源也是這種結(jié)構(gòu)。由于電路實際中要求負(fù)載在短路時對系統(tǒng)影響很小,所以負(fù)載不能直接串聯(lián)在后級諧振回路中,而采用負(fù)載部分接入的方式,本實驗電路框圖如圖1所示。

             

              其具體組成如下:1)調(diào)壓器。輸入220V工頻電壓,輸出0~220V可調(diào);2)整流:全橋整流;濾波:4個450V/470 μ F電容并聯(lián);3)逆變。全橋逆變電路,由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和MOS管組成的全橋開關(guān)構(gòu)成;控制電路由TL494構(gòu)成,可以通過改變脈沖寬度改變輸出參數(shù);開關(guān)管采用三菱的MOSFET管,極限參數(shù)為20A/1200V;4)高頻變壓器。采用高頻升壓變壓器,原邊線圈3股50匝,副邊2股80 匝;5)諧振電容。由14個22nf、/1200V電容組成,構(gòu)成諧振軟開關(guān)電路,電路的設(shè)計諧振頻率為100KHz;6)負(fù)載和其中四個電容并聯(lián),采用部分接入形式。此電路負(fù)載在試驗測試時用可變電阻代替。

              工作原理:交流電經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后,由整流濾波電路整流成直流電,全橋逆變回路將經(jīng)過的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流電,再經(jīng)過高頻升壓變壓器和串聯(lián)諧振回路加到負(fù)載上,使負(fù)載工作,調(diào)節(jié)回路的諧振頻率來調(diào)節(jié)輸出的電流和電壓。

              2 負(fù)載阻抗變化特性的分析和仿真

              簡化的逆變電源系統(tǒng)中諧振負(fù)載回路如圖2所示,L為變壓器的漏感,C1、C2為諧振電容,Rp為負(fù)載電阻。為便于分析,對于圖2我們可以等效為標(biāo)準(zhǔn)的串聯(lián)諧振形式,如圖3所示。

             

              等效轉(zhuǎn)換后,電路中參數(shù)數(shù)值對應(yīng)關(guān)系如下:

             

              對于全橋結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振逆變器,其輸出電流與負(fù)載電阻的對應(yīng)關(guān)系如式(3)所示:

             

              其中Ude為直流母線電壓,R為負(fù)載直流電阻,N1、N2分別為變壓器原邊和副邊的匝數(shù)。B為逆變器輸入電壓信號基波分量與輸出電流的相位差。

              在串聯(lián)諧振回路中,輸出基波電壓和電流的相位差β南電路的工作頻率f、回路負(fù)載阻抗R、諧振電感L和電容C決定,其關(guān)系式為:

             

              實際應(yīng)用中電路工作頻率約為110KHz,Ude和L都為已知量,根據(jù)上面分析的電路工作原理,把式(1)、(2)、(4)式代入式(3)可得輸出電流 10和負(fù)載阻抗Rp的函數(shù)式,在Rp取值在100 Ω到10k Ω之間時,我們利用Matlab仿真得Rp與IO的變化曲線如圖4所示。

             

              已知回路的電流,可得負(fù)載Rp兩端的輸出電壓UO

             

              由于IO是負(fù)載Rp的函數(shù),所以由式(5)可知U0也是Rp的函數(shù),在Rp取值在100 Ω到10k Ω之間時,我們利用Matlab仿真得到如圖5所示的Rp與U0的變化曲線。

             

              由仿真曲線可知,在負(fù)載在一定范圍變化時,電流電壓基本成線性變化,以后逐漸趨于平緩,電流電壓特性不再受負(fù)載阻抗變化的影響。

              本文提出的試驗用高壓逆變電源已應(yīng)用于臭氧發(fā)生器電源,放電電壓、電流分別在1600V、4A左右,工作于平緩區(qū)域,電壓電流在負(fù)載阻抗的變化范圍內(nèi)基本保持不變。該逆變電源工作穩(wěn)定,并已經(jīng)產(chǎn)品化。

              3 結(jié)論

              本文根據(jù)實際應(yīng)用的一個逆變電源,對高壓逆變電源負(fù)載變化對輸出參數(shù)的影響進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo);根據(jù)理論分析,對分析結(jié)果進(jìn)行仿真,給出仿真波形;最后根據(jù)實際應(yīng)用的逆變電源,證明了所給出理論分析、仿真的正確性。因此分析結(jié)果對逆變電源諧振回路的設(shè)計、參數(shù)選擇具有實踐指導(dǎo)價值。

             


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             ^ 高壓逆變電源負(fù)載阻抗特性分析

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